中国机械工程

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2021, 32(15): 0.

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深空着陆探测足式机器人发展综述

孙俊凯, 孙泽洲, 辛鹏飞, 刘宾, 危清清, 闫楚良

2021, 32(15): 1765-1775. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.001

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介绍了世界主要航天大国关于深空着陆探测足式机器人的研究现状，对比分析了不同类型足式机器人的优缺点，从硬件与软件设计方面剖析了足式机器人在深空着陆探测任务中尚未工程化的主要问题。以此为基础，提炼出感知融合化技术、控制智能化技术、形态可重构技术、多机协同化技术等深空着陆探测足式机器人发展的关键技术，为中国研制深空着陆探测领域可工程应用的足式机器人提供参考。

G-KSVD字典及其在滚动轴承故障信号稀疏表示中的应用

孟宗, 郜文清, 潘作舟, 张光雅, 樊凤杰

2021, 32(15): 1776-1785. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.002

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针对传统学习字典中缺少原子相干性分析的问题和最优原子选择问题，提出了一种基于有效奇异分量的G-K奇异值分解（G-KSVD）字典学习方法。基于信号相干性提出自相关函数脉冲能量比（ACFPER），并以此为指标对奇异分量进行筛选，实现信号的降噪，利用包含故障信息较多的分量对字典原子进行更新和系数求解，从而达到增强信号中冲击成分的目的，并通过减少反馈层来降低时间成本。利用仿真信号和实际轴承信号对所提方法进行有效性及重复性的验证，结果表明，G-KSVD算法在有效区间内具有良好的去噪效果和较低的时间成本。

无刷直流电机的模糊自整定MRPID转速控制方法研究

唐伟, 王立忠, 庄健, 王庭凯

2021, 32(15): 1786-1792,1800. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.003

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无刷直流电机转速的闭环控制系统中同时存在传感器噪声等高频信号和指令、干扰等低频信号，会导致匀速转动过程中发生速度波动，而同时减少这些不确定因素的影响非常困难。针对此问题，提出了一种模糊自整定的小波多分辨PID（MRPID）控制方法，用于无刷直流电机的转速控制。通过离散小波变换将速度偏差信号进行分解，得到不同频率控制分量；利用模糊控制实现各分量参数的在线整定。与模糊PID控制方法进行对比，在不同工况下进行仿真及实验，结果表明，所提方法能够更好地处理含噪信号，并且具有响应快、抗干扰能力强的优点。

基于WAEEMD和MSB的滚动轴承故障特征提取

郭俊超, 甄冬, 孟召宗, 师占群, 谷丰收

2021, 32(15): 1793-1800. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.004

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针对调制信号双谱（MSB）方法仅能处理平稳信号的不足，提出了一种基于加权平均集成经验模态分解（WAEEMD）和MSB的滚动轴承故障特征提取方法。首先，利用WAEEMD将滚动轴承的非平稳振动信号分解成一系列具有平稳特性的固有模态函数（IMF）;然后，开发了一种基于Teager能量峭度（TEK）的加权平均方法以强调敏感IMF的重要性，并将加权后的IMF重构为WAEEMD滤波信号;最后，应用MSB分解WAEEMD滤波信号中的调制分量并提取故障特征频率。仿真和实验结果表明，相对于快速谱峭度（FK）和EEMD-MSB方法，WAEEMD-MSB方法能更准确地获取故障特征，从而验证了WAEEMD-MSB方法的有效性。

直线共轭内啮合齿轮泵输出流量脉动的测试研究

陈宗斌, 何琳, 廖健,

2021, 32(15): 1801-1811. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.005

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为准确掌握直线共轭内啮合齿轮泵的输出流量脉动特性，推导分析了“二次源”流量脉动测试方法，分析了各阶段可能引入的误差参数，评价了各参数对测试结果准确度的影响；详细推导了阻抗拟合和流量脉动的计算方法，并编译了可视化数据处理软件；最后搭建测试平台，实测直线共轭内啮合齿轮泵的输出流量脉动曲线，与理论曲线进行了对比。测试结果表明：采取的流量脉动数据处理方法准确可行；该直线共轭内啮合齿轮泵输出流量脉动以一阶线谱为主，且随转速的增大先减小后增大。

三维螺纹测量机接触式测头的优化设计

杨艳玲, 禹静, 林希萌, 蔡晋辉

2021, 32(15): 1812-1817. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.006

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为削弱接触式测头对高精度三维螺纹测量机精度的影响，设计了一种接触式测头结构尺寸优化方案，并提出了相应的标定方法。通过有限元仿真和正交试验优化测头结构参数，确定最优结构参数；利用坐标变换理论和最小二乘法原理建立测头标定模型并进行了标定试验；通过不同预压量下的螺纹塞规对比试验及螺纹环规、塞规对比试验对优化后的测头进行测试。结果表明：接触式测头测量螺纹塞规、环规参数标准偏差在1 μm左右，满足三维螺纹综合测量机接触式测头测量精度要求。该优化方案及标定方法为测头结构设计提供了重要的理论基础。

基于响应面法的井下旋流分离器结构优化

邢雷, 李金煜, 赵立新, 蒋明虎, 韩国鑫,

2021, 32(15): 1818-1826. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.007

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基于数值模拟方法与中心组合设计方法，采用二阶多项式基函数构建了井下旋流分离器的结构参数与分离效率及底流压力损失间的数学关系模型。通过开展附加试验对模型预测值与数值模拟实际值进行对比，得出分离效率和压力损失的预测值与实际值的平均相对误差分别为0.104%和4.562%，验证了模型预测结果的准确性。针对响应面优化结果与初始结构开展分离性能对比研究，结果表明：当入口油滴粒径在50～500 μm范围内变化时，优化前结构的分离效率变化范围为58.92%～98.56%，优化后结构的分离效率变化范围为60.35%～99.48%；当入口含水率在94%～99%范围内变化时，优化前结构的分离效率由74.61%提高到88.07%，优化后结构分离效率由75.26%提高到91.56%。在不同粒径及含水率条件下，优化后结构均呈现出了明显的高效性及适用性。

基于MPS方法的二级齿轮箱飞溅润滑特性研究

谢迟新, 刘桓龙, 贾瑞河, 黎强

2021, 32(15): 1827-1835,1843. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.008

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飞溅润滑时，二级传动齿轮箱内部润滑油流场分布情况十分复杂，传统有限元方法难以对其进行可视化仿真分析，在模型处理、算法选用、网格划分和计算工作量等方面存在诸多问题。基于充分的调研与大量的前期计算分析，利用移动粒子半隐式（MPS）法对轨道车辆用二级传动齿轮箱的飞溅润滑特性进行研究。分析了不同输入轴转速、初始润滑油油量和环境温度下齿轮箱内部润滑油的流场特性，实现了齿轮箱飞溅润滑的可视化计算；分析了不同工况下齿轮啮合点的油液粒子数时域变化情况，发现啮合处粒子数与转速关系不大，与初始油量成正相关，40 ℃时啮合处滑油粒子数最多，润滑效果最好；分析了各工况的齿轮箱搅油功率损失情况，发现搅油功率损失与输入轴转速和初始滑油油量成正相关，与环境温度的提高成负相关，且均为非线性变化。

混Ⅲ假人、GHBMC人体模型以及中国人体模型的正碰损伤差异

黎和俊, 杨震, 周大永, 张海洋, 王波, 张金换

2021, 32(15): 1836-1843. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.009

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基于清华大学汽车碰撞试验室关于中国参数化人体有限元模型的研究，根据中国50百分位人体的参数生成了可用于碰撞仿真的中国50百分位人体模型，通过相同车型同一工况下的碰撞仿真分析，使用损伤响应分析和损伤风险曲线两种不同的评价方式研究了Hybrid Ⅲ假人、GHBMC有限元人体模型以及中国50百分位人体模型损伤响应的差异性。结果表明，相比中国50百分位人体模型，Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型的颈部和胸部损伤风险更高，而GHBMC 50百分位人体模型的大腿损伤风险更低，分析结果揭示了两种乘员评价工具在评价基于保护中国人体而设计的乘员约束系统时的差异性和局限性。

层高对陶瓷浆料微流挤出成形质量的影响研究

张静, 周婧, 张旭, 段国林

2021, 32(15): 1844-1853,1860. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.010

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为了确定微流挤出成形陶瓷浆料的最佳层高以及能够成形的最大高度，针对氧化锆陶瓷浆料，分析了丝体从喷头挤出后喷头与沉积丝体之间的5种高度关系，探讨了层高对打印质量的影响机理，并根据浆料特性建立了层间压缩形变模型；通过不同喷头直径和不同层高的3D打印工艺实验，采用数码显微镜扫描、尺寸测量及力学实验等方法对打印试样的表面形貌、成形精度及力学性能等进行了测量与表征，验证了所建模型的正确性。结果表明，当层高与喷头直径的比值分别为0.96、0.92、0.86、1、1.2时，打印质量从优到劣依次递减，因此，合理的层高设置可以减少陶瓷零件的打印缺陷，提高打印质量，为基于材料挤出工艺的参数选择提供一定的理论指导。

双送粉激光熔覆CoCrAlSiY/YSZ梯度涂层微观组织及热振性能

王涛, 朱磊, 唐杰, 王浩, 吴军

2021, 32(15): 1854-1860. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.011

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采用双送粉方式，利用激光熔覆技术在TC4基体上制备CoCrAlSiY/Y2O3-ZrO2（YSZ）梯度涂层。对CoCrAlSiY/YSZ梯度涂层的微观组织、元素分布、显微硬度及热振性能进行了分析与研究，结果表明：梯度涂层与基体结合紧密，各梯度亚层之间不存在明显的界面，梯度涂层无明显裂纹，形成了良好的冶金结合；随着YSZ含量的提高，梯度涂层显微硬度呈梯度变化。在750 ℃下进行了不同循环周期的热振试验，试验结果表明CoCrAlSiY/YSZ梯度涂层具有一定的抗热振性。

高强钢-铝合金异质薄板无铆成形连接试验

李奇涵, 徐传伟, 高嵩, 韩小亨, 赵庆明, 谷东伟, 马风雷

2021, 32(15): 1861-1867. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.012

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针对性能差异较大的异质材料6061-T6铝合金和HC340/590DP双相钢的无损伤连接问题，对基于无铆成形连接的钢铝混合车身连接技术进行研究，通过试验研究了钢-铝无铆连接的成形规律以及不同搭接形式下的连接质量。分别对上钢下铝和上铝下钢两种无铆连接接头形式的连接质量进行研究，利用成形截面颈部厚度、自锁值、底部厚度等重要工艺参数，分析了成形力对接头质量的影响规律。通过拉剪试验研究了无铆接头的强度和能量吸收值。分析和试验结果表明，采用上钢下铝的连接方式，成形力为40 kN时无铆接头质量较好，其强度与安全性均符合设计指标的要求。

Q345/SUS304异种钢焊接接头固有应变的变化规律研究

李元泰, 吴华鑫, 董斌, 肖慎翀

2021, 32(15): 1868-1873. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.013

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为快速准确地预测异种钢结构的焊接变形，提出了用于模拟异种钢焊接接头残余应力与变形的热弹塑性有限元法。基于所提方法，以Q345/SUS304异种钢平板对接接头和T型接头为研究对象，研究了其固有应变的变化规律。进一步针对复杂Q345/SUS304异种钢焊接结构，分别采用固有应变法和传统的热弹塑性有限元法进行焊接变形的预测和对比。研究结果表明，随着热输入参数Q/h2（h为板厚，Q为线能量）的增大，纵向收缩力、横向收缩量近似呈线性增大，而角变形先增大后减小，且在Q/h2=12 J/mm3左右处出现峰值。该规律可在工程上为大型异种钢结构的焊接变形预测和控制提供参考。

基于随机秘钥蝙蝠算法的多行设施布局设计

董舒豪, 徐志刚, 秦开仲, 常艳茹, 苏开远, 朱建峰

2021, 32(15): 1874-1883. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.014

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针对行内纵向通道数量和位置具有不确定性的多行设施布局问题，建立了以最小化物流强度、最小化搬运设备空载运行强度及最大化相互关系为设计目标的布局优化模型，并针对所建立的模型提出了一种基于映射规则的随机秘钥蝙蝠算法。在蝙蝠算法中引入随机秘钥编码思想，定义了基于随机秘钥编码的蝙蝠位置向多行设施布局组合解的映射规则与映射步骤，使算法在不进行离散化处理的前提下，可以在连续空间上执行，并在组合空间上映射出码长不同的布局方案。最后，以一个多行设施布局问题为实例，采用所提出的随机秘钥蝙蝠算法进行求解，证明了算法的优越性。

风电叶片管道内窥履带机器人的设计与运动分析

张月, 董雷, 宦荣华, 黄志龙

2021, 32(15): 1884-1889. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.015

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针对风电叶片内部变截面、大坡度、多障碍等环境特征，设计了一种四自由度关节的履带式管道内窥机器人用于叶片内部检测和维护，并对该机器人的运动学特征进行了分析。该机器人包括前后履带式移动平台和中间四自由度关节三部分。四自由度关节由蛇形机器人常用的二自由度十字关节和前后旋转模块组成，通过四个电机之间的配合，可实现抬头、转弯、多角度翻转、爬坡等功能。介绍了该四自由度关节的基本结构、动力系统和连接机构等；基于D-H方法对机器人的正逆运动学问题进行分析，得到了机器人的工作空间，并用CoppeliaSim对机器人进行了整体动态仿真；根据设计方案研制了机器人样机，并通过实验对机器人各功能的实现进行了验证。

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2021, 32(15): 1890-1890.

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