中国机械工程

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2022, 33(11): 0.

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一种平面闭链腿式机构的尺度参数优化设计

王仙业, 刘海涛, 黄田

2022, 33(11): 1261-1268. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.001

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以Theo Jansen机构输出的足端轨迹为目标，对一种新型平面闭链腿式机构的尺度参数进行优化。利用基本杆组法建立了该新型机构的运动学模型，根据新型机构和Theo Jansen机构的结构特点，利用曲柄摇杆机构的极限位置条件，将设计变量数目减少为一个；以两机构的足端轨迹偏差最小为目标，以各尺度参数间的几何关系为约束，建立了单目标优化问题，并利用一维搜索法得到优化结果。在此基础上，设计了一种八足移动机器人并搭建实验样机，验证了设计结果的可行性。

薄板类零件加工精度可靠性分析及工艺参数优化

易茜, 李聪波, 潘建, 张友

2022, 33(11): 1269-1277. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.002

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针对薄板类零件加工过程中加工变形导致加工精度低的问题，利用有限元法和高斯过程回归算法建立了加工变形预测模型，综合考虑机床运动误差与工件加工变形,对薄板件加工精度可靠性进行分析，建立了以加工效率和平均加工变形为目标、加工精度可靠度为约束的铣削加工工艺参数优化设计模型，并利用多目标优化算法进行求解，确定了协调加工效率和加工变形最优的工艺参数组合。案例研究结果表明，经优化设计后最低加工精度可靠度达到98.21%，平均加工变形减小21.14%，加工效率提高了4.18%，为薄板类零件铣削加工工艺参数选择提供了一种可行的方法。

齿根过渡圆弧对全齿槽成形磨削温度和残余应力影响的研究

易军, 龚志锋, 易涛, 周炜,

2022, 33(11): 1278-1286. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.0003

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在齿轮全齿槽成形磨削过程中，考虑相邻三个热源（齿底热源、过渡圆弧热源、齿廓热源）的耦合效应，建立了磨削温度场的三维有限元仿真模型，计算了全齿槽成形磨削温度，并在此基础上，采用基于热-结构耦合的有限元方法计算了磨削引起的残余应力，分析了磨削温度场和残余应力场的分布特征，以及齿根过渡圆弧的大小对磨削温度和磨削后齿根处残余应力分布的影响。结果表明，过渡圆弧半径对磨削温度的影响相对较小，但对齿根处残余应力的影响较大；与没有过渡圆弧的齿槽相比，当过渡圆弧半径超过2 mm时，磨削后齿根最大残余应力降低20%以上。实验测量结果与有限元仿真结果一致，证明了模拟结果的正确性。

储能液压缸协同驱动重型机械臂系统研究与优化

晋超, 权龙, 夏连鹏, 葛磊, 赵斌

2022, 33(11): 1287-1293,1301. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.004

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针对采用储能液压缸协同驱动重型机械臂升降来实现重力势能回收和利用的方法，研究了不同储能缸与驱动缸无杆腔面积比对系统节能效果的影响。分析了储能缸协同驱动回路控制动臂升降的工作原理，建立了系统的数学模型；以76 t液压挖掘机为例，在Simulation X中构建了整机的多学科联合仿真模型，并通过试验验证了模型的准确性。依据此模型对液压挖掘机空载和带载工况下，储能缸与驱动缸无杆腔面积比对系统能耗特性的影响进行优化仿真研究。仿真结果表明：在相同的工作周期，优化后储能缸协同驱动系统的液压泵输出能量约为732.0 kJ，较改进前节省能量约253.8 kJ，节能率由27.2%提高至46%，实现了节能效果的提高。

金属橡胶包覆阻尼结构高温力学建模与试验

訾宝, 丁哲宇, 吴乙万, 白鸿柏

2022, 33(11): 1294-1301. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.005

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针对高温管路系统的减振难题，利用等效线性化方法建立了管路金属橡胶包覆阻尼结构的高温力学模型，分析了金属橡胶刚度和响应幅值随温度的变化规律。搭建了高温管路振动测试试验平台，以插入损失为评价指标，对不同环境温度、不同金属橡胶密度的管路包覆阻尼结构减振性能进行了试验验证。试验结果表明，减小金属橡胶密度能有效增加管路减振效果，环境温度对管路金属橡胶包覆阻尼结构的影响较小，说明金属橡胶包覆阻尼结构能很好地在高温环境下工作。

压电驱动微型精密夹持机构设计与实验研究

李冲, 童玉健, 梁康, 钟伟, 方记文

2022, 33(11): 1302-1308,1385. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.006

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为了简化压电精密夹持机构的结构以及降低其加工制造难度，提出了一种基于柔性铰链和两夹持臂的压电微型精密夹持机构，并分析了该夹持机构的工作原理。利用压电材料的非线性应变关系建立了压电精密夹持机构的输出位移和受力模型，通过数值仿真分析了精密夹持机构的输出特性。搭建了实验平台，通过实验测试验证了压电精密夹持机构的输出性能以及理论模型的正确性。结果表明：两夹持臂的实验与仿真位移均存在迟滞现象，在120 V驱动电压下，两夹持臂的最大径向位移测试值分别为73.8 μm和68.6 μm；当驱动电压大于50 V时，夹持臂输出位移测试值与仿真值间的误差在10%以内；当驱动电压为120 V时，夹持机构最大切向和轴向摩擦夹持力的实验值分别为7.8 N和5.7 N。

含间隙关节的双推杆机械臂运动特性研究

赵富强, 李钊钰, 高智颖, 吴红庆, 牛志刚

2022, 33(11): 1309-1316. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.007

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建立了间隙关节的数学模型和含间隙关节的双推杆机械臂运动学模型；利用仿真模拟分析了单间隙关节A、单间隙关节B、双间隙关节A和B三种不同间隙关节位置和数量对机械臂末端轨迹、速度和加速度的影响，并采用绝对误差作为评价指标对影响程度进行了定量分析；搭建实验台对仿真结果进行了实验验证。结果表明，间隙关节导致机械臂末端运动轨迹在X轴和Y轴方向产生误差，且双间隙关节A和B造成的轨迹误差近似为两个单间隙关节的轨迹误差之和；机械臂末端速度和加速度曲线因间隙的存在而产生脉冲波动，其中单间隙关节A和单间隙关节B对曲线的影响程度相当，双间隙关节A和B在耦合作用下对曲线的影响程度远大于单间隙关节的影响程度。

冗余机器人喷涂系统改进人工鱼群逆运动学求解算法

刘雪梅, 冯焱, 杨振, 李爱平, 卢军国

2022, 33(11): 1317-1323. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.008

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针对一种带有冗余自由度的船舶分段机器人喷涂系统逆运动学问题，使用改进Denavit-Hartenberg(DH)参数法建立了机器人系统的运动学模型。以位姿误差最小及关节行程最短为目标，构建了冗余机器人逆运动学问题优化模型，提出一种改进人工鱼群算法( IAFSA)对模型进行求解。IAFSA引入基于正态分布的视野范围及移动步长动态调整策略来改善解的精度并缩短计算时间，提高算法综合性能。与人工鱼群算法和混合改进人工鱼群算法进行了对比实验，实验结果表明IAFSA搜索能力强、收敛速度快、计算时间较短，逆解良好的精度和误差稳定性在SolidWorks Motion仿真中得到验证，体现了IAFSA算法在冗余机器人逆运动学求解问题中的有效性。

基于全矢增强深度森林的旋转设备智能故障诊断方法

姜万录, 李满, 张培尧, 赵亚鹏, 张淑清

2022, 33(11): 1324-1335. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.009

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针对传统智能诊断方法需要专家知识和复杂特征提取，而深度神经网络模型复杂度高、构建难度大，以及单源信号信息不完备等问题，提出了一种新颖的全矢数据融合增强深度森林的旋转设备故障诊断方法。该方法根据旋转设备振动信号的特点，选择全矢谱技术与深度森林多粒度扫描相结合，用于接收同源双通道信号输入，增强了数据的完备性，并通过改善深度森林级联层来减少深层特征消失和特征冗余。为了验证所提出方法的有效性，分别进行了滚动轴承与轴向柱塞泵两例故障诊断实验研究，结果表明，该方法在不同旋转设备上都有很好的诊断效果，并可以实现端到端故障诊断。此外，该方法在小训练数据集上的故障识别准确率也非常高。

改进的正弦辅助多元经验模式分解及其在滚动轴承故障诊断中的应用

吴利锋, 吕勇, 袁锐, 朱熹, 游俊,

2022, 33(11): 1336-1344. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.010

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正弦辅助多元经验模式分解算法（SA-MEMD）通过在额外的通道中加入正弦辅助信号来减少模式混合，但该算法对噪声敏感，辅助信号的主频率比需要根据经验确定，为此，提出了一种改进的正弦辅助多元经验模式分解算法。首先使用非局部均值降噪对原始信号进行预处理，减少噪声对算法的干扰，其次使用短时傅里叶变换确定信号频谱范围，然后以最小集成EMD能量熵准则选择最优主频率比，最后根据正弦辅助多元经验模式分解算法的步骤进行信号处理。模拟信号和实际信号的对比分析结果证明，改进的方法可以减少传统的多元经验模式分解方法存在的模式混合现象。

SPFC440钢/5052铝自冲铆接头与胶铆复合接头腐蚀性能对比

黄志超, 胡兆骁, 刘帅红, 蔺永诚, 姜玉强, 周泽杰

2022, 33(11): 1345-1352. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.011

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为研究SPFC440钢与5052铝合金自冲铆接头的腐蚀性能，分别制备了自冲铆接和胶铆复合两种接头。通过对不同腐蚀时长下的两种接头试样进行疲劳性能测试，分析了粘胶剂对铆接接头腐蚀疲劳性能的影响，并对疲劳断口、裂纹扩展进行SEM和EDS检测。结果表明：粘胶剂的存在不仅提高了接头强度，还保护了金属界面，减小了电偶腐蚀的影响；随着腐蚀时间的增长，复合接头的最大静载荷值不断减小，自冲铆接接头最大静载荷先增大后减小；复合接头的拉伸失效模式与自冲铆接接头的失效形式相似；自冲铆接接头的疲劳裂纹主要集中在下板料的铆钉周围，复合接头主要为下基板的断裂；铆钉与下板相互接触区域以及两板间接触面出现了严重微动磨损。

超大型环件径轴向轧制过程稳定性与圆度自适应控制方法研究

宁湘锦, 汪小凯, 华林, 韩星会, 张科,

2022, 33(11): 1353-1360. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.012

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超大型环件径轴向轧制过程失稳、失圆等异常状态常导致轧环终止和产品质量波动。提出了轧环过程稳定性和圆度自适应控制方法，从历史数据中归纳人工控制经验知识，建立了基于锥辊转速模糊调节的轧制稳定性控制方法，制定了基于导向力反馈的轧制圆度控制策略。运用ABAQUS有限元软件和子程序二次开发，设计了轧环过程稳定性和圆度自适应控制子程序，建立了16 m超大型环件轧制过程控制有限元模型，仿真分析了锥辊转速模糊调节、导向力反馈以及基于限幅滤波的锥辊转速模糊调节+导向力反馈综合控制下的轧环过程偏移量和圆度误差变化规律，结果表明该方法与常规规划控制相比，环件偏移量减小了48.3%，圆度误差减小了61.8%。

应急救援车辆主动悬挂系统能耗与发动机的功率匹配控制

朱建旭, , 赵丁选, 巩明德, 陈浩, 杨梦轲,

2022, 33(11): 1361-1368. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.013

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针对主动悬挂系统能耗与发动机运行参数不匹配而导致的液压主动悬挂系统压力和流量频繁波动、发动机载荷过高导致熄火等问题，提出了主动悬挂系统能耗与发动机功率匹配的控制方案。分析了保证主动悬挂系统与发动机匹配运行的条件,为使主动悬挂系统运行的最大功率小于发动机当前状态下的剩余功率，提出了根据驱动主动悬挂系统的平均流量对变量泵排量控制信号进行动态补偿的控制策略，应用模糊PID控制方法设计了功率匹配控制器。试验结果表明：相较于原主动悬挂系统，应用所提出控制方案的主动悬挂系统所消耗的平均功率降低了42%，发动机扭矩百分比平均值下降了39.6%，主动悬挂系统能耗和发动机载荷明显减小。

地铁车辆轮缘润滑装置吊架断裂机理和试验研究

张明, 智鹏鹏, 霍文彪, 李志永

2022, 33(11): 1369-1376. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.014

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针对地铁车辆服役过程中出现的轮缘润滑装置吊架断裂问题，采用材料和动应力试验与有限元仿真相结合的方法开展断裂机理研究，提出了一种新型结构设计方案。通过对吊架断口微/宏观的全面分析与表征，从材料角度确定疲劳断裂的机理成因；结合动应力试验和累计损伤理论，计算吊架断口关键位置的疲劳损伤值，从线路试验角度确定吊架断裂的结构成因；建立吊架的有限元模型，基于EN13749标准对其进行静强度和疲劳强度仿真，从理论角度判别结构设计的合理性，并与材料和线路试验分析结果进行对比分析；最后，提出吊架结构的改进方案，并进行仿真和动应力测试验证。结果表明：吊架断裂成因为低应力高周疲劳，疲劳源位于加强筋角焊缝内部，且加强筋角焊缝的累计损伤值和材料利用率均大于1；吊架断裂的主要原因为，结构不合理导致加强筋角焊缝承受较为频繁的交变载荷且焊缝存在未熔合缺陷；通过改变吊架结构和材质，提高了焊接质量，达到了轮缘润滑装置在线运行的标准要求。

变工况下车辆燃油箱多孔挡板抑浪机理研究

孙船斌, 沈民民, 童宝宏, 黄虎, 张坤

2022, 33(11): 1377-1385. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.11.015

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车辆的变加速度工况会导致燃油剧烈晃动，发生供给中断甚至损坏燃油箱结构等现象。采用基于动网格耦合VOF的数值模拟方法和构建的水平激励试验平台，从数值与试验两个方面来分析燃油晃动过程。以某重载商用车辆燃油箱内多孔挡板为例，系统分析该挡板抑制燃油晃动的效果，探讨了多孔挡板抑浪的机理。研究结果表明：多孔挡板能够显著减小壁面压力、自由液面高度及液面轮廓起伏；燃油箱运动瞬间，挡板壁面出现瞬态局部高压，但对挡板结构的疲劳损坏程度较低；多孔挡板的孔隙将未被挡板实体部分阻碍的小部分流体分割成多股射流，急剧减缓行进波传递；多孔挡板附近流场产生涡旋，涡旋聚集和耗散能量，降低流体运动速度，达到抑制燃油剧烈晃动的目的。

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2022, 33(11): 1386.

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