中国机械工程

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2022, 33(19): 0.

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钢轨打磨关键装备及磨石技术发展现状与展望

章武林, 樊小强, 朱旻昊, 段海涛

2022, 33(19): 2269-2287. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.001

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概述了钢轨打磨策略、钢轨打磨技术，并对国内外砂轮式打磨（主动打磨、高速被动打磨）、铣磨等关键装备进行了综述。同时，对于与砂轮式打磨车相配套且起关键切削作用的磨石（砂轮），从组分、成形工艺、结构设计、磨削性能评价方法等方面进行了详细评述，总结出精细的配方设计、科学的评价体系标准等是高性能磨石研制所面临的主要挑战。最后，从绿色化、智能化、标准化等方面对未来磨石技术的发展方向进行了展望。

Si3N4/TiC/ZrSi2陶瓷刀具裂纹愈合性能研究

张帅, 陈照强, 肖光春, 衣明东, 张静婕, 周婷婷, 许崇海

2022, 33(19): 2288-2297. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.002

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针对陶瓷刀具对裂纹敏感的问题，在Si3N4/TiC陶瓷刀具材料基体中添加ZrSi2裂纹愈合剂，使陶瓷刀具具有了裂纹自愈合能力。当ZrSi2的体积分数为10%时，Si3N4/TiC/ZrSi2陶瓷刀具材料具有较好的综合性能，其抗弯强度为815 MPa，断裂韧性为8.06 MPa·m1/2，维氏硬度为15.91 GPa，并且其相对密度可以达到99.72%。通过维氏硬度计在陶瓷刀具材料表面引入裂纹，研究了以ZrSi2为愈合剂的Si3N4/TiC基陶瓷材料裂纹的最佳愈合参数和愈合机理。研究表明：添加ZrSi2体积分数为10%的Si3N4/TiC/ZrSi2预制裂纹试样，在空气气氛中800 ℃热处理60 min后，其抗弯强度可以恢复到光滑试样的92.02%，试样表面长度为300～350 μm的裂纹完全愈合，并且试样表面形成了一层以ZrO2和SiO2为主要成分的氧化层。分析陶瓷刀具材料的裂纹愈合机理表明：在空气热处理过程中，部分在裂纹处和材料表面的愈合剂ZrSi2优先与氧气发生反应生成ZrO2、SiO2，这两种氧化物愈合了材料表面的裂纹，恢复了裂纹试样的强度。同时在切削过程中，部分在裂纹处和材料表面的愈合剂ZrSi2的氧化产物ZrO2和SiO2 可以及时修复裂纹，提高刀具的耐磨性。

浅层卷积神经网络融合Transformer的金属缺陷图像识别方法

唐东林, 杨洲, 程衡, 刘铭璇, 周立, 丁超

2022, 33(19): 2298-2305，2316. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.003

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针对金属缺陷识别领域中传统深度学习方法存在参数量多、计算量大的问题，提出了一种浅层卷积神经网络融合Transformer模型的金属缺陷识别方法。利用浅层卷积神经网络学习图像局部信息与位置信息，通过Transformer学习图像全局信息，同时引入通道注意力模块SE关注重要特征通道，实现缺陷图像识别。通过引入公开缺陷数据集验证该方法的有效性，同时利用自建缺陷超声数据集验证所提方法的通用性。实验结果表明，在中小规模数据集上，该方法通用性较强，能够对金属缺陷图像进行有效识别。

新型涡流槽密封泄漏特性与动力特性研究

姜金裕, 孙丹, 赵欢, 张国臣, 李玉, 温帅方

2022, 33(19): 2306-2316. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.004

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提出一种密封入口周向均匀设置有涡流槽的新型密封结构，建立了传统迷宫密封与新型涡流槽密封泄漏特性及动力特性求解模型，在实验验证数值计算方法准确性的基础上，通过比较分析了传统迷宫密封与新型涡流槽密封在不同进出口压比、预旋比工况下的泄漏特性与动力特性，研究了新型涡流槽结构对密封泄漏特性及动力特性的影响机理。研究结果表明：随着涡流槽数量的增加，涡流槽密封的泄漏量逐渐降低；在同一压比下，不同涡流槽数新型密封的泄漏量之间差值随着压比的增大而增大。当压比为6时，64涡流槽的新型密封较传统迷宫密封，泄漏量下降了3.37%；在高预旋比的工况下，不同涡流槽数量密封的切向气流力均与转子涡动方向相反，起到抑制转子涡动的作用，且随着涡流槽数量的增加，切向气流力也随着增大；随着转子涡动频率的增大，三种不同涡流槽数量密封的交叉刚度先减小到负值然后增大到正值。涡流槽密封的有效阻尼均高于传统迷宫密封，新型涡流槽密封可以提高转子系统的稳定性。

谐波减速器加速寿命试验方法研究

王巧, 杜雪松, 宋朝省, 朱才朝, 孙健铨, 廖德林

2022, 33(19): 2317-2324. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.005

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目前，工程中亟需一种谐波减速器加速寿命试验方法来替代全寿命试验，以减少试验周期和成本。基于加速寿命试验原理，提出了一种基于谐波减速器失效特性的恒定应力加速寿命试验方案，以谐波减速器最易发生失效的柔轮为对象，给出了确定失效判定、加速应力、加速系数、加速模型的方法。在小样本试验数据处理中，通过采用极大似然法和马尔科夫蒙特卡洛法得到了更为准确的威布尔分布参数估计。样机的实验结果表明该方案能有效描述谐波减速器的寿命，其基本额定寿命的可靠度评价标准比中位寿命的评价标准高出62%，有效地评估了谐波减速器的寿命指标，研究结果具有一定的工程应用价值。

基于机器学习的石油装备用大截面高强韧马氏体钢智能设计与性能研究

李方坡, 路彩虹, 赵靖宵, 李秀程, 尚成嘉

2022, 33(19): 2325-2330. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.006

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为了满足超深层油气资源开发需求，针对石油装备用强度等级最高的低碳马氏体钢，结合成分性能大数据，基于四种不同机器学习方法分别建立了大截面高强韧低碳马氏体钢成分强度和成分硬度预测模型，分析表明，神经元层数为4、层深为64的人工神经网络模型的性能预测精度和拟合程度最好。采用遗传算法对材料成分进行智能最优化设计，获得CrNiMo和SiMnCrNiMo两种材料系中屈服强度大于1100 MPa、硬度大于42HRC、碳含量小于0.22%的最优成分，材料的端淬硬度分布曲线与预测值基本一致，最大误差小于3HRC。依据优化设计成分进行多批次产品生产制造后结果表明，150 mm直径的构件全截面获得95%以上的细小针状马氏体组织，屈服强度大于1100 MPa，低温冲击吸收能大于45 J，满足服役性能要求，预测结果与生产实验结果具有较高的一致性。将材料大数据与机器学习相结合实现了材料的智能化设计开发，为高性能材料的开发提供了新途径。

基于运动性能分析的仿人机械臂尺度优化

孙鹏, 李研彪, 张聪, 单晓杭, 岳义, 韦宝琛

2022, 33(19): 2331-2340. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.007

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针对多关节串联机构耦合影响末端执行器运动性能的问题，分析了串并混联机构的运动特性，提出了实现可视化设计的多参数平面模型。基于旋量理论，分别建立了串联、并联关节的运动传递矩阵，并设定了相应性能指标。在此基础上，根据多参数平面模型，通过三维可视化图形，进一步揭示了参数尺度、关节转角空间、性能指标之间的耦合关系，最终确定了参数取值、关节的优质转角范围和指标分布情况。优化结果表明：肩关节、腕关节的全域性能指标分别为0.78、0.67，肘关节的全域条件数为2.38。该混联构型具有与人体手臂关节相类似的功能，可充分发挥串联、并联机构的综合优势。

多维动态贝叶斯网络及其重要度分析方法

陈东宁, 胡彦龙, 姚成玉, 王宽通, 马雷,

2022, 33(19): 2340-2346. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.008

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贝叶斯网络分析方法是可靠性分析的重要方法，但传统贝叶斯网络分析方法局限于分析单因素影响，当系统可靠性受多因素影响时会产生较大分析偏差。为此，提出多维动态贝叶斯网络分析方法，借助单位阶跃函数与冲激函数进行贝叶斯网络时间连续化构造，建立根节点受多因素影响时系统的失效概率分布函数。在此基础上，对传统重要度分析方法进行多维扩展，提出多维动态贝叶斯网络重要度分析方法。通过对斗轮机张紧机构液压系统进行工程实例分析，并与离散时间贝叶斯网络分析方法分析结果对比，验证了多维动态贝叶斯网络及其重要度分析方法的可行性和优越性，为系统改进与薄弱环节识别提供了更为准确的量化依据。

基于改进卷积生成对抗网络的少样本轴承智能诊断方法

郭伟, 邢晓松

2022, 33(19): 2347-2355. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.009

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轴承样本较少会使模型学习不充分，导致诊断准确性不高。为解决这一问题，构建了一种改进的卷积生成对抗网络，借助生成对抗网络的数据生成能力和改进深层卷积网络的特征提取能力，提高复杂工况下少样本轴承故障诊断准确性。首先，构建了一种深度卷积对抗生成网络，通过生成器和判别器的对抗学习挖掘真实数据的深层特征，用以生成相似的模拟数据，以弥补少样本的不足；其次，将密集块与扩容卷积引入卷积神经网络中，从深度和广度两个方面提升网络的学习能力，挖掘多类别数据中细微差距，增强复杂数据的故障特征提取性能；最后，采用定工况和变转速两种少样本轴承数据进行方法验证与对比分析，结果表明新构建的对抗网络在少样本、含噪声等复杂情形下仍然具有较高的诊断准确率。

基于最大重加权峭度盲解卷积的风电故障诊断

吴磊, 王家序, 张新, 刘治汶

2022, 33(19): 2356-2363. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.010

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受噪声以及复杂传递路径等影响，风电机组齿轮故障特征信号通常比较微弱。为有效诊断齿轮故障，提出一种新的盲解卷积方法——最大重加权峭度盲解卷积方法。重加权峭度对故障信号中单个或少量强冲击干扰具有很好的鲁棒性，且无需待恢复故障冲击序列先验知识。最大重加权峭度盲解卷积方法能有效地解决经典的基于峭度最大化方法倾向于恢复单个主导冲击而非齿轮故障冲击序列的问题，同时相较于常见非全“盲”（依赖故障特征频率先验）方法在工业装备齿轮故障诊断方面具有更强的适用性。仿真信号分析结果表明所提方法在恢复故障冲击序列方面效果显著，在风电机组故障诊断中的应用案例证实了所提方法对齿轮故障诊断的有效性。

选区激光熔化梯度多孔支架力学性能和能量吸收研究

曾寿金, , 李传生, 刘广, 许明三, 李涤尘

2022, 33(19): 2364-2371. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.011

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基于三周期极小曲面设计梯度Ti6Al4V多孔支架，并采用选区激光熔化打印成形，分析边缘孔隙率Pout、中心孔隙率Pin和平均孔隙率P-对力学性能和能量吸收的影响。研究结果表明：相同P-的梯度多孔支架弹性模量、抗压强度和单位体积的总吸收能量WV都随着Pout的增大而减小，随着Pin的增大而增大；不同P-的梯度多孔支架弹性模量、抗压强度和WV随着P-的增大而减小；P-对其弹性模量、抗压强度和WV的影响大于Pin、Pout的影响。打印成形的梯度多孔支架能够满足股骨和胫骨的弹性模量、抗压强度要求，建立的力学性能模型可为面向骨科医学多孔支架的应用提供参考。

基于增材制造各向异性的强度约束拓扑优化

何智成, 杨丁丁, 姜潮, 伍毅, 江和昕

2022, 33(19): 2372-2380，2393. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.012

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增材制造工艺的特殊性导致制造结构展现出各方向不同的力学性能，为满足其所带来的更加严苛的结构强度设计需求，提出了一种基于双向渐进结构优化法的各向异性强度约束拓扑优化策略。推导了描述增材结构强度的各向异性Tsai-Hill失效系数，通过权重因子构建了包含失效系数约束的目标函数。详细求解了优化灵敏度公式，并采用敏度归一化等数值方法稳定优化历程。典型算例表明，所提方法可有效抑制高失效风险区域以保证结构强度，且在材料各向异性强度假设下可获得更优于von-Mesis应力相关设计的结果。此外，优化结果高度依赖于各向异性程度与材料堆叠角度参数的变化，因此合理的调整将有助于优化结构性能。

基于多传感器信息融合的车辆高精度定位技术

师小波, 赵丁选, 孔志飞, 倪涛, 赵小龙, 郭庆贺

2022, 33(19): 2381-2387. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.013

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为解决多轴应急救援车辆在复杂环境行驶时的定位误差问题，设计了一种基于多信息融合的组合定位系统，该定位系统主要由前端里程计和后端优化模型组成。首先完成三轴车运动学建模，推导出基于惯性测量单元的运动学预测方程和基于全球定位系统的运动学观测方程，通过Kalman滤波器进行状态更新，完成前端里程计的构建；然后设计了基于迭代最近点匹配算法的外参标定工具，并构建了特征点云匹配模型，完成后端模型优化；最后进行了仿真与实验，研究结果表明，该系统定位误差为±3.45 cm，角度误差为±0.10°，准确性、稳定性均得到了很大的提高。

汽车副车架安装螺栓碰撞断裂的数值模拟研究

李伟, 郑颢, 刘彦梅, 范松

2022, 33(19): 2388-2393. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.014

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针对10.9级M14高强螺栓碰撞断裂，设计了三种不同受力状态的螺栓强度试验，采用有限元逆向参数方法获得不同应力三轴度下的断裂极限应变，建立了螺栓材料的CrachFEM剪切断裂模型。基于副车架总成试验的数值模拟研究了变直径螺栓的抗剪切强度，为考虑碰撞要求的设计提供了可靠的模拟方法，同时也表明CrachFEM模型能够很好地预测高强螺栓的断裂失效行为。

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2022, 33(19): 2394.

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