中国机械工程

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2024, 35(11): 0.

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复合波提升仿生机器鱼推进性能研究

罗自荣1, 夏明海1, 殷谦2, 卢钟岳1, 蒋涛1, 朱一鸣1

2024, 35(11): 1901-1908. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.001

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受地震纵波和横波复合作用具有极大破坏性的启发，提出并设计了一种纵横复合波动新型水下仿生推进器。理论上建立了纵横复合波动运动学模型，开发了物理样机与测试平台，通过计算流体动力学(CFD)仿真和物理试验对比分析推进器在不同纵波幅值叠加下的推进性能。仿真结果表明，纵横复合波动能够显著增大波动鳍的推力和速度，推力均值可提高27.6%，峰值增大幅度大于200%。试验结果表明，推进器在2 Hz频率和20°纵波幅值下的稳态平均速度达到0.761 m/s，相比无纵波时提高约14.7%。该研究结果表明，相较于单一正弦横波，复合波动仿生鱼鳍具有更好的推力和速度性能，为高性能仿生波动机器鱼的研制提供了一种新的推进机理。

基于图正则化约束频域组稀疏模型的风电机组滚动轴承故障诊断

李继猛, 王泽, 史清心, 孟宗

2024, 35(11): 1909-1919. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.002

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风电机组的非平稳运行、嘈杂环境以及强电磁干扰等影响，使得滚动轴承故障脉冲易被强噪声淹没，微弱特征难以准确识别。提出了一种图正则化约束的频域组稀疏模型，在不依赖周期先验的前提下，实现滚动轴承故障特征的有效提取。将振动信号转化成图信号以构造图正则化约束，利用结构化信息指导惩罚力度，提高稀疏重构的准确性；构建图正则化约束的频域组稀疏模型，给出了组内分量收缩阈值的确定方法，并利用近端映射来简化目标函数以优化求解；最后，利用构造的综合评价指标和蛾焰优化算法优化模型参数，通过对重构后时域稀疏信号的包络谱分析识别滚动轴承故障。数值仿真和实验结果表明，所提方法具有良好的抗噪性能，能够有效地提取强噪声干扰下滚动轴承的微弱故障特征。

驱动桥摆线准双曲面齿轮啮合效率优化设计

王钦1, 贺迪1, 薛建华2, 彭金3, 范子杰1

2024, 35(11): 1920-1927，1937. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.003

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基于齿轮摩擦加载接触分析(FLTCA)方法，提出了摆线准双曲面齿轮啮合效率优化设计方法。首先，通过预设空载传动误差峰峰值和接触区位置，实现了对摆线准双曲面齿轮正、反车齿面的修形设计。然后基于修形面设计，以行驶工况下齿轮啮合效率最大为优化目标，并综合考虑齿轮副加载传动误差峰峰值、双侧齿面满载接触印迹分布以及最大接触应力建立了优化分析模型。为了提高优化模型的求解速度，采用Kriging代理模型结合多岛遗传算法对优化模型进行了求解。最后，对某型号商用驱动桥摆线准双曲面齿轮副进行了实例设计和试验验证，通过空载接触印迹试验和整桥传动效率试验验证了所提优化方法的有效性。

齿轮材料内非金属夹杂物对风电齿轮接触损伤的影响

张雁辉1, 2, 王荣1, 2, 叶楠1, 2, 刘冉3

2024, 35(11): 1928-1937. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.004

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为更全面地探究齿轮材料内非金属夹杂物（以下简称“夹杂物”）对风电齿轮接触损伤的影响，引入可以描述系统能量变化的构型力理论表征齿轮接触损伤演化，并探讨了夹杂物深度、尺寸以及排列方式对齿轮接触承载关键区域的影响。研究结果表明，夹杂物会改变齿轮接触损伤的应力分布和损伤形式，导致不同面积的材料剥落和失效区域形成。基于构型力理论的损伤模型可以准确描述风电齿轮含夹杂物接触损伤问题，为后续齿轮失效分析和疲劳寿命预测提供了新方法。

航空发动机附件机匣齿轮传动设计分析软件开发与应用

刘桂源1, 王曾2, 杨子艺2, 胡明珠1, 刘怀举1

2024, 35(11): 1938-1947. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.005

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附件机匣齿轮传动系统作为航空发动机附件动力传递与驱动的关键基础部件，其传动构型与结构设计繁琐，且涉及元件和系统的设计参数众多，传统基于经验公式与零散程序的设计模式难以满足先进航空装备对高承载、长寿命、轻量化传动系统高效设计要求。为此建立了“构型设计—元件设计—系统分析—系统优化”的航空发动机齿轮传动设计方法，基于C++/Python程序语言开发了航空发动机附件机匣齿轮传动设计分析软件。同时依据设计需求，应用所开发软件生成了四种传动构型方案，优选同轴多输出非对称分流构型，以轻量化、高承载为优化目标，基于NSGA-Ⅱ算法开发传动系统多目标优化模型，实现齿轮组减重15.81%，薄弱环节齿轮传动安全性提高2.98%，为新一代航空高端装备齿轮传动设计提供了理论方法和软件工具。

汽车结构可靠性分析与优化设计研究进展

张磊1, 2, 3, 孙学涛1, 2, 陈洁1, 2, 孙远波3, 郭佳佳1, 2, 郑杰1, 2

2024, 35(11): 1948-1962，1970. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.006

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为研究汽车结构的可靠性，对机械结构分析和设计中的不确定性进行总结，从结构参数不确定性、材料性能参数不确定性和载荷不确定性3方面分析了汽车结构设计变量及其参数的不确定性；对概率可靠性分析和非概率可靠性分析方法的研究进展进行了梳理和综述；列举了可靠性分析方法在汽车结构中的应用；对可靠性的数学模型与算法进行梳理，重点研究了可靠性优化设计在汽车轻量化及耐撞性等方面的应用，并指出了汽车结构可靠性分析与优化设计中的发展趋势。

薄壁复杂变截面涡旋盘精密铣削组合参数优选与铣削力准确预测

党旭, 刘涛, 闫敏, 安锋

2024, 35(11): 1963-1970. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.007

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为确定薄壁复杂变截面涡旋盘精密铣削过程最优加工参数，揭示铣削组合参数对铣削力的影响规律，提出一种基于多元回归分析与灰色关联度法的变截面涡旋盘精密铣削组合参数优选与铣削力准确预测方法。建立变截面涡旋盘的几何模型与精密铣削模型，并采用正交试验法分析各铣削参数对铣削分力的影响；基于多元回归法得到铣削力的预测模型，并对回归方程进行显著性检验；利用灰色关联度法探究了铣削参数与铣削合力间的紧密关联程度；最后通过铣削加工实验验证了铣削力预测模型并获得最优铣削参数。研究结果表明，铣削合力预测值与实验值的最大、最小和平均相对误差分别为9.02%、3.31%、6.16%, 验证了模型的可靠性和准确性，为高精度变截面涡旋盘加工提供了方法和依据。

伞状浮动阀压电泵的设计与试验

严天祥1, 2, 宋检祥1, 2, 倪辉1, 2, 李先瑄1, 2, 陈虎城3

2024, 35(11): 1971-1976，1985. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.008

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针对球阀压电泵输出性能不佳和伞阀压电泵易于疲劳失效的问题，基于球阀的浮动式工作原理和伞阀的结构特征，设计了一种性能优良且不易疲劳失效的伞状浮动阀压电泵。制作了伞状浮动阀压电泵与球阀压电泵的样机，测试分析了两种泵的输出性能。研究结果表明，当驱动电压为300 V(峰峰值)时，伞状浮动阀压电泵的最大流量和最高压力差均优于球阀压电泵。对伞状浮动阀压电泵进行了双入口结构改进，试验对比了双入口与单入口伞状浮动阀压电泵的输出性能。试验结果表明，在驱动电压300 Vpp下，双入口伞状浮动阀压电泵的最大流量和最大压力差分别为121.66 g/min和7.71 kPa，较单入口伞状浮动阀压电泵分别提高17.23%和32.93%。

月球弹簧回复式绳驱采样机械臂的设计及试验

孙凤1, 祝安杰1, 张明1, 裴文哲1, 金俊杰1, 张伟伟2, 唐钧跃2, 姜生元2

2024, 35(11): 1977-1985. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.009

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针对深低温、低重力环境的月壤采样任务，设计并研制了一种功耗低、重量轻、结构简单、可靠性高的四自由度绳驱机械臂。将驱动绳索安装在臂杆末端，较大程度地减小了机械臂的功耗；在关节2、3处安装扭转弹簧，通过弹簧扭力给机械臂末端提供超过20 N的下压力；针对深低温环境，匹配了不同材料的配合间隙，提高了机械臂的可靠性；建立并验证了机械臂运动学模型的正确性。采样路径的仿真结果表明机械臂可完成采样任务。采用半闭环控制策略对样机的各独立关节进行了位置阶跃试验和正弦轨迹跟踪试验,试验结果表明各关节具备较高的响应速度、良好的稳定性和轨迹跟踪能力。

基于数字孪生的飞机装配激光跟踪仪站位优化研究

李浩1, 焦彦超1, 张玉彦1, 张昊1, 邢宏文2, 文笑雨1, 王昊琪1, 叶国永1, 管啸2

2024, 35(11): 1986-1994. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.010

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由于飞机部件尺寸大，装配现场工装分布复杂，导致激光跟踪仪通视不佳，在引导装配或下架检验时需要反复调整激光跟踪仪站位，严重影响了测量稳定性及效率。为解决此问题，提出基于数字孪生的飞机装配激光跟踪仪站位优化方法。建立了面向飞机装配的激光跟踪仪测量约束模型，构建了基于飞机装配现场要素精准仿真的数字孪生系统，完成了对激光跟踪仪布站位置的优化，最后通过对数字孪生系统中激光跟踪仪的测量仿真，验证了遗传算法求解激光跟踪仪最佳站位的可行性。研究结果表明，优化后激光跟踪仪对测量点的覆盖率提高了110%，测量点的重合率由11.7%提高到55.5%，激光跟踪仪对测量点的覆盖率和测量点的重合率均有显著提升。

基于ISABO-IBiLSTM模型的刀具磨损预测方法

曾浩, 曹华军, 董俭雄

2024, 35(11): 1995-2006. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.011

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针对现有的刀具磨损预测方法因为缺少优化算法及网络结构不完善而导致预测精度不高的问题，提出了一种将改进的减法优化器(SABO)算法和改进的双向长短时记忆(BiLSTM)网络相结合的刀具磨损状态预测模型(ISABO-IBiLSTM模型)。首先，采用截断法、Hampel滤波法、改进的完全自适应噪声集合经验模态分解(ICEEMDAN)-改进的小波阈值降噪法对加速度振动信号与力信号数据进行预处理。然后，提取预处理后的信号数据的时域、频域、时频域特征，并通过斯皮尔曼和最大互信息相关系数筛选特征，构建模型的输入。最后，利用改进的SABO算法对改进后的BiLSTM网络进行参数寻优，基于所得到的优化参数训练网络实现磨损预测。实验数据分析结果表明，所提出的ISABO-IBiLSTM模型对刀具磨损量的预测精度为98.49％～98.83％，较BiLSTM模型、改进的BiLSTM模型、改进的卷积神经网络(ICNN)-BiLSTM模型有了较大的提高。

面向柔性作业车间生产调度的深度强化学习方法

祝正宇1, 郭具涛2, 吕佑龙3, 左丽玲1, 张洁3

2024, 35(11): 2007-2014，2034. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.012

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针对多品种、小批量生产模式下柔性作业车间生产调度问题，以最小化订单总拖期时间为优化目标，提出一种基于组合规则和强化学习的智能调度方法。将柔性作业车间生产调度问题转换为马尔可夫决策过程，根据问题特点与优化目标，利用7种特征表征车间状态，设计6种组合式规则作为动作库，通过改进后的深度Q网络（DQN）算法对该问题进行求解。以航天结构件加工车间为案例，分别在5种不同规模大小的算例中，与其他常见的规则式方法进行对比，验证了所提方法缩短任务交付期的可行性和有效性。

基于半监督贝叶斯Transformer的刀具磨损软测量及不确定性分析方法

李悦1, 2, 谢恒1, 周公博1, 2, 周坪1, 2, 李猛钢1, 2

2024, 35(11): 2015-2025. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.013

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受刀具磨损离线测量方式的限制，磨损样本少，且测量噪声难以避免，导致难以实现可靠的刀具磨损监测。针对该问题，融合半监督Transformer模型、Dropout、蒙特卡罗(MC)模拟方法，提出了基于半监督贝叶斯Transformer的刀具磨损软测量及其不确定性分析方法。首先，构建基于半监督Transformer网络架构的软测量模型，利用无监督特征提取和有监督微调的网络训练方式，指导小样本下的刀具磨损软测量模型构建；然后，为量化噪声对刀具磨损的影响，设计面向不确定性分析的噪声网络通道；最后，结合MC-Dropout近似贝叶斯过程，对噪声引起的随机不确定性和建模误差引起的认知不确定性进行量化，为刀具磨损评估提供更加全面的信息。研究结果表明，所提出的刀具磨损软测量模型及其不确定性分析框架能够为刀具健康管理提供有力工具。

基于多源小波变换神经网络的旋转机械轴承故障诊断

郭海宇1, 邹圣公1, 张晓光2, 3, 4, 陆凡凡2, 陈洋2, 王涵2, 徐新志2

2024, 35(11): 2026-2034. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.014

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针对旋转机械轴承故障诊断中故障样本稀缺，以及传统模型在小样本条件下容易过拟合及泛化能力差的问题，提出一种多源小波时频变换卷积神经网络。针对单支振动传感器采集的高频数据，设计基于小波变换的时频卷积层，用于融合小波系数的实部与虚部，其中实部对应振动信号的幅值信息，虚部对应相位信息。与仅考虑实部的卷积层相比，该卷积层能够提取完整的时频特征。利用时频卷积层分别对同一设备上的多支传感器采集的高频数据进行特征提取，并将提取到的多个特征进行级联。设计基于轻量深度可分离卷积的密集模块对级联特征进行更深层次的特征提取，用于实现故障分类。利用凯斯西储大学滚动轴承数据集验证模型的有效性，准确率为98.5%。将模型应用于回转窑、皮带机和篦冷风机的轴承故障诊断，平均准确率达97.19%。

磁场对无掩模定域性电沉积增材制造三维微结构生长模式的影响

吴蒙华1, 姜炳春1, 肖雨晴2, 贾卫平2

2024, 35(11): 2035-2042. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.015

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为研究磁场对无掩模定域性电沉积增材制造（MLED-AM）金属三维微结构生长模式的作用，以制备直径为50 μm、长径比为10∶1的微镍柱为例，在MLED-AM过程中分别施加一定强度且与电场作用方向相同的顺向磁场和与电场作用方向相反的逆向磁场，通过对比实验探讨磁场对微镍柱平均体积沉积速率、表面形貌及晶粒尺寸的影响规律。实验结果表明，相较于无磁场作用，磁场作用可提高MLED-AM的平均体积沉积速率、细化沉积体的平均晶粒尺寸,且逆向磁场的作用更加显著（平均体积沉积速率提高25%~50%，平均晶粒尺寸达31.52 nm）；同时，磁场作用可在一定程度上改善微镍柱的表面形貌，且顺向磁场作用的效果更好。根据实验结果及分析，逆向磁场作用对MLED-AM效率与质量的影响更大。

激光送丝熔覆高锰钢涂层的显微组织及超声滚压硬化机理

杨海峰1, 2, 孙昕辉1, 2, 袁冬青3, 赵恩兰1, 4, 刘送永1, 2, 彭玉兴1, 2

2024, 35(11): 2043-2053,2081. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.016

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为了维持高锰钢部件优异的形变硬化能力，提出了高锰钢涂层的激光送丝熔覆技术。使用激光送丝熔覆技术在Mn13钢板上制备了高锰钢涂层，并通过超声滚压技术对熔覆层表面进行形变硬化处理。分析了超声滚压前后高锰钢熔覆层的显微组织、相组成和力学性能，揭示了高锰钢熔覆层的超声滚压硬化机理。研究结果表明，激光送丝熔覆高锰钢涂层的显微组织为枝晶结构，且在枝晶间存在Mn、C元素的成分偏析；超声滚压过程中未出现相变，超声滚压后涂层的硬度、耐磨性均大幅提高；初始高锰钢涂层内部存在的C、Mn的枝晶偏析、位错和孪晶在超声滚压过程中严重阻碍了位错的运动，从而增大了位错的密度；由于高锰钢的孪晶诱导塑性变形效应，超声滚压后涂层内部会产生大量的形变孪晶，形变孪晶之间的相互作用进一步增强了高锰钢熔覆层的形变硬化能力。激光送丝熔覆为大型高锰钢部件表面的高性能修复提供了技术基础。

硬质颗粒参数对列车增黏撒砂喷射行为的影响

岳子恒, 张沭玥, 叶浩, 丁昊昊, 郭俊, 王文健, 刘启跃

2024, 35(11): 2054-2062. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.017

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为研究颗粒参数对列车增黏撒砂喷射行为的影响，利用可视化检测技术开展不同颗粒粒径、形状和密度下喷射行为试验，分析各因素对喷射速度、扩散角度的影响权重，探究不同颗粒在撒砂装置内部运动特征及影响机理。研究结果表明：随着颗粒粒径、密度的增大，颗粒喷射速度和扩散角度均逐渐减小，不规则颗粒的扩散角度普遍大于近圆形颗粒的扩散角度；喷射速度显著影响因素权重(从大至小)为：粒径、密度；扩散角度显著影响因素权重(从大至小)为：形状、粒径；颗粒粒径和密度与所受气固耦合力成正比，与初始时刻颗粒加速度成反比，不规则颗粒的碰撞次数高于近圆形颗粒的碰撞次数；根据耦合力和动能的变化规律将颗粒运动特征分为加速和稳定两个阶段，初始时刻颗粒加速决定颗粒在稳定阶段所获动能大小。

核安全级DCS设备危险频率下的电接触摩擦学特性

王东伟, 李发强, 赵阳, 黄起昌, 汪凡雨, 刘滨

2024, 35(11): 2063-2070. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.018

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为研究核安全级分布式控制系统（DCS）设备中的电接触摩擦学特性，对核安全级DCS设备的危险频率进行了评估。建立了一套球面电接触摩擦学试验装置，在危险频率下进行了一系列载流摩擦学试验，探索不同电流作用下界面摩擦磨损特性。研究结果表明，核安全级DCS设备的危险频率为12 Hz；在该频率下，随着输入电流从1 A增大至3 A，摩擦因数呈现先减小后增大的趋势；在大电流作用下，电接触达到失效的时长显著增长；电接触界面表现出划痕、颗粒、微裂纹、磨屑堆积和磨屑飞溅等5种特征；虽然接触区域存在一定的氧化产物，但是只要有足够多的接触区域实现导电通路，界面依然能够保持良好的电接触状态。

永磁直驱带式输送机模糊自抗扰偏差耦合多电机控制策略

张磊1, 鲍久圣1, 郝建伟1, 杨小林2, 阴妍1, 魏春基1, 王雷1, 葛世荣3

2024, 35(11): 2071-2081. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.019

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针对煤矿井下带式输送机传统异步电机驱动系统存在的传动效率低、耗电量高、重载启动性能差以及多电机运行不同步等问题，提出了基于模糊自抗扰偏差耦合控制策略的多电机永磁直驱带式输送机。在此基础上开展了模糊自抗扰偏差耦合控制策略仿真试验与井下运输顺槽带式输送机现场工业性试验，结果表明：相较于传统主从控制，基于模糊PI自抗扰偏差耦合控制策略的带式输送机多电机永磁直驱系统，在额定负载下多台电机之间的最大转速不同步度最小仅为0.04%，同步性能最大可提高99.7%；而在现场动态落煤工况试验中，最大转速不同步度仅为2%，能够满足长距离重载带式输送机的零速重载启动要求，可显著提高带式输送机多电机驱动系统的同步性能与抗干扰能力。

基于可变阶陷波算法的混合动力汽车阶次噪声主动控制

周雪莲1, 贺岩松1, 苏宏健2, 林伟雄2, 郭林2, 傅小宇1

2024, 35(11): 2082-2089. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.020

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针对混合动力汽车发动机多工作转速下阶次丰富且变化所导致的并联加速工况主动降噪效果下降问题，提出了一种可变阶陷波FxLMS算法，并建立相应的多通道发动机噪声主动控制系统。在MATLAB/Simulink中针对某七座混动MPV车搭建多通道发动机噪声主动控制仿真模型，使用实车声学路径、各工况车内噪声及发动机转速信号，对两种陷波FxLMS算法进行降噪仿真和比较，仿真结果表明，可变阶陷波FxLMS算法可以针对各充电转速点特定的阶次进行降噪，相比于传统的陷波FxLMS算法，主驾及第三排左、右耳4个位置处的总体降噪量分别提高了28.5%、60%、50%及50%。通过实车试验验证了在70~100 km/h加速工况下采用可变阶陷波FxLMS算法的发动机主动噪声控制系统的降噪效果，该系统对2阶、5阶、5.5阶、6阶、6.5阶、7阶和8阶的发动机噪声均表现出良好抑制作用。

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2024, 35(11): 2090.

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