中国机械工程

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2022, 33(20): 0.

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一类1T2R并联机构拓扑结构综合及优选

汪满新, 李兰彬, 李正亮, 刘海涛, 黄田

2022, 33(20): 2395-2402. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.001

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研究了一类1T2R并联机构拓扑结构综合和优选。应用平面机构的组成原理和约束特性，将1T2R并联机构拓扑结构视为由一条串接一转动副的1T1R平面并联运动链和两条空间无约束主动支链组成。统筹考虑机构位姿能力恰当性、支链结构力学合理性、机器人模块可重构性、位置逆解简易性和动平台结构紧凑性等准则，完成1T2R并联机构拓扑结构优选及性能验证。在此基础上，提出一种可继承Tricept机器人优点的新型五自由度混联机器人模块，该模块具有与Tricept机器人完全相同的运动学性能，且绝大部分部件可与Tricept机器人互换。

磁轴承转子跌落在保护轴承上的动力学研究

汪军水, 贾翔宇, 张剀, 徐旸

2022, 33(20): 2403-2413，2419. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.002

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调研了保护轴承-转子系统非线性动力学研究领域内近30年来的代表性成果。首先，梳理了局部碰撞模型的发展历史，分别从转子和保护轴承两方面对系统结构模型的发展进行了综述，并给出了各模型的特点；接着，从跌落响应形态切入，重点分析了保护轴承-转子系统损伤的最主要原因——后向涡动；然后，从转子结构、轴承结构和轴承参数三个方面，分析了跌落响应结果与系统结构及接触参数的关系；最后，通过总结归纳，给出了保护轴承结构和参数设计选用的通用准则，并提出了后续值得深入研究的几点问题。

单相压电电机驱动的高精度孔径光阑设计

曹腾, 李晓牛, 王柏权, 温智益, 吴大伟

2022, 33(20): 2414-2419. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.003

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为满足空间光学仪器小型化、轻量化、精密化需求，设计了一种单相压电电机驱动的孔径光阑。对压电光阑的整体结构进行设计，实现光阑结构与功能的一体化设计；以压电陶瓷和碳纤维为基体设计具有高强度和功率密度的压电定子；通过COMSOL有限元软件对复合压电定子动力学特性进行分析，以及进行模态频率一致性调节;最后对光阑动圈进行结构优化以及干扰模态分离设计。根据设计方案制作压电光阑样机，其质量仅为49 g，孔径可变范围为0.5~35 mm。实验结果显示：光阑完全放大与闭合时间分别为89 ms和92.4 ms，最小角分辨率为4×10-5 rad。该研究简化了光阑的组成和控制，使其在保证精度的同时，结构更紧凑，质量更小。

锥形缸体球面配流副润滑特性建模及试验验证

叶绍干, 赖伟群, 侯亮, 卜祥建

2022, 33(20): 2420-2428，2436. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.004

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配流副油膜的润滑特性对轴向柱塞泵的可靠运行有重要影响。建立了锥形缸体球面配流副油膜润滑特性仿真模型，并通过试验验证了模型的有效性。对锥形缸体进行受力分析，通过对柱塞滑靴组件运动学和受力的分析，求解得到柱塞滑靴组件对锥形缸体的作用力；通过对球面配流副油膜厚度分布和压力分布的分析，求解得到球面配流副对锥形缸体的油膜支承力；采用有限容积法对油膜进行离散化处理，通过牛顿迭代法数值求解球面配流副油膜润滑特性和锥形缸体运动方程；开展轴向柱塞泵高压稳态试验和轮廓扫描试验，获得不同稳态试验时长的球面配流盘磨损形貌，对比球面配流盘磨损轮廓与仿真得到的油膜厚度分布和压力分布。研究结果表明，仿真得到的油膜厚度较小区域与配流盘主要磨损区域相近，验证了锥形缸体球面配流副油膜润滑模型的有效性。

基于两杆三索张拉整体结构的可变径柔性步行轮设计

孙建伟, 栾亦鹏

2022, 33(20): 2429-2436. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.005

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为发挥轮式机器人移动速度快和腿式机器人机动性能强的优势，提出一种可实现轮式和腿式切换的新型张拉变径步行轮。通过对两杆三索平面张拉整体结构中拉压构件的等效替换，提出了一种新型张拉整体结构。在此基础上，给出了张拉变径步行轮的基本单元结构、单元连接方法和最优轮毂数。为克服由于自由度多导致刚性差的缺点，给出了张拉变径步行轮自由度约束的方法和弹性构件等效集成方式，从而使得张拉变径步行轮装配简单、运动平稳以及可负载支撑。结合最小势能原理对张拉变径步行轮张拉单元进行运动学分析，得到了张拉变径步行轮的结构参数和展收比。通过实验，对张拉变径步行轮各项功能的可实现性进行了验证。

匹配和不匹配干扰共存时电液伺服系统预设性能渐近跟踪控制

董振乐, 杨英浩, 姚建勇, 张政, 李阁强, 王帅

2022, 33(20): 2437-2443. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.006

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针对电液伺服系统匹配和不匹配干扰共存的特点，兼顾瞬态性能和稳态性能需求，提出一种新型高精度跟踪控制策略。以阀控电液位置伺服系统为例，建立了包含匹配和不匹配干扰的系统非线性数学模型，定义预设性能函数规划控制误差，基于规划后的转换误差设计反步控制器，并融合采用干扰上界估计的连续渐近控制技术处理匹配和不匹配干扰，获得了可预设的瞬态性能和渐近稳态性能，通过Lyapunov分析证明了稳定性。两种位置指令跟踪试验的结果表明，相比PID控制和反馈线性化控制，初始阶段跟踪精度提高超22.9%，相比仅引入预设性能函数的控制器，稳态跟踪精度提高超42.9%。

基于子域法的双励磁双调制轴向式磁场调制永磁齿轮磁场分析

葛研军, 刘放, 王大明, 马雪祺, 于涵

2022, 33(20): 2444-2449,2458. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.007

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轴向式磁场调制永磁齿轮（AFMPMG）存在轴向及切向漏磁严重及转矩密度偏低等问题。在AFMPMG基础上引入了一个外调磁环，使之构成一种双励磁、双调制的AFMPMG（DEM-AFMPMG）结构，由于DEM-AFMPMG低速永磁转子夹在内、外两个调磁环之间，因此可将AFMPMG轴向及切向漏磁通转化成有用谐波，从而增大DEM-AFMPMG输出转矩及转矩密度。虽然3D有限元法计及了永磁齿轮端部漏磁，具有计算精度高等优点，但同时也使计算机资源占用率过高且结构参数优化周期较长,针对此，提出了一种基于子域法的计算DEM-AFMPMG气隙磁场及电磁转矩数学模型，该方法可将3D模型等效为2D模型，但包括了3D模型的所有因素。算例计算结果表明，基于子域法模型的计算精度与3D有限元法的计算精度相当（气隙磁通密度及电磁转矩的计算误差均不大于5%，转矩密度的计算误差不大于1.5%），但子域法模型计算速度更快，且易于实现计算机程序化，更有利于DEM-AFMPMG的结构参数分析与优化。

深冷处理对PCBN刀具切削性能的影响研究

于良, 郑光明, 杨先海, 程祥, 常垲硕, 李学伟

2022, 33(20): 2450-2458. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.008

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针对PCBN刀具在硬切削加工中磨损严重、切削寿命短的问题，开展了PCBN刀具深冷处理试验和经深冷处理的PCBN刀具高速硬车削AISI 4340钢的试验，研究深冷处理对PCBN刀具表面完整性（包括微观形貌、粗糙度、显微硬度和残余应力）及切削性能的影响规律，探究提高PCBN刀具耐磨性和刀具寿命的方法。研究结果表明，经过深冷处理之后，刀具表面缩松缩孔等缺陷明显减少甚至消失，表面形貌得到改善，但刀具表面粗糙度增大；刀具表面显微硬度、残余应力均得到提高；表面形貌和表面残余应力对刀具寿命影响较大，其次是表面显微硬度，表面粗糙度对刀具寿命影响较小。深冷处理后，刀具黏结、氧化磨损减少，刀具寿命较未处理刀具提高24.78%，可见，深冷处理可有效改善PCBN刀具表面完整性，从而提高刀具寿命。

单晶硅的磨削辅助电火花线切割机理研究

贾祯, 李淑娟, 麻高领, 邵伟, 乔畅, 张晨

2022, 33(20): 2459-2467,2475. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.009

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针对目前磨削辅助电火花线切割（A-WEDM）微观切割机理尚不明确的问题，以单晶硅为加工对象，通过设计电路对最大放电间隙进行了测量。通过采集和分析加工中的放电波形、观测加工后工件表面形貌同时比较磨粒出刃高度与放电间隙的大小,研究了A-WEDM材料去除机理。考察了4个因素（脉冲宽度、占空比、进给速度和线锯速度）对A-WEDM切割单晶硅的材料去除率和表面粗糙度的影响。实验结果表明，A-WEDM切割单晶硅的最大放电间隙为57 μm，在加工的初始阶段先产生放电腐蚀作用；当加工处于稳定阶段时，在每个脉冲宽度内，工件材料在放电腐蚀与金刚石颗粒磨削的耦合作用下被去除;而在每个脉冲间隔内，放电腐蚀作用停止，金刚石颗粒的磨削作用仍然存在，从而去除了放电产生的部分重铸层与电蚀坑。

一种基于微流体制备的电阻电感式磨粒传感器

史皓天, 张洪朋, 谢雨财, 孙玉清

2022, 33(20): 2468-2475. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.010

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为了实现油液金属磨粒的高精度测量，基于微流体制备了一种可检测电阻电感参数的磨粒传感器。通过仿真获得了金属颗粒在时谐磁场中的磁化和涡流效应特征，并通过实验研究了电阻电感检测的电压特性和频率特性。高频激励可以增强金属颗粒内部的涡流效应，而激励电压对传感器检测结果的影响不大。研究表明电感参数对铁磁性金属的检测能力强，电阻参数对非铁磁性金属的检测能力强。采用2.0 V、2.0 MHz的激励，通过比较分析电阻和电感检测结果，该传感器可有效识别直径60 μm的铜颗粒和直径16 μm的铁颗粒。这种基于线圈电阻参数检测非铁磁性金属磨粒的方法为增强磨粒传感器的综合测量性能提供了新思路。

自适应带宽核密度估计在旋转机械劣质监测数据识别中的应用

倪泽行, 王琇峰, 徐波, 李睿

2022, 33(20): 2476-2482. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.011

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运行环境异常、人为因素干扰及采集设备故障等问题可能导致旋转机械监测数据中出现与设备健康状态无关的异常值或缺失数据，造成机械健康状态误判及维护策略制定不当等问题，为此，提出了一种基于自适应带宽核密度估计的劣质监测数据识别方法。通过对采集数据进行频域积分从而将零点漂移与局部噪声“冲击化”，计算积分后的峭度指标；采用局部均值误差进行高斯核带宽自适应选择，获得峭度指标的概率密度函数，并将95%置信区间的边界作为劣质数据识别阈值。通过车桥耐久监测全寿命数据对提取方法进行验证，结果表明，相比于固定带宽以及基于四叉树分割算法的核密度估计方法，所提方法对劣质监测数据具有较好的识别效果。

多通道多分量分解方法在变转速工况齿轮故障特征提取中的应用

张亢, 田泽宇, 陈向民, 廖力达, 吴家腾

2022, 33(20): 2483-2491. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.012

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齿轮故障振动信号在非稳态工况下，其分量可能存在跨时间尺度或不同分量重叠的复杂时频特征，传统的以局部时间尺度特征为依据的分解方法无法分解，为此，引入一种新的多通道多分量分解(MMD)方法。MMD方法创新性地将单分量信号看成具有不同权重系数的特征向量线性组合，通过迭代优化出权重系数，便可获得相应的分量信号。解决了MMD分析高采样率的实际振动信号时大数据量会导致其分解效率降低的问题，并将MMD方法应用于变转速工况下齿轮故障振动信号的分析，结果表明，该方法可以有效分解出在时频域发生重叠的故障分量信号，较传统的以时间尺度特征为依据的分解方法具有明显优势，结合阶次分析可以清晰准确地提取出齿轮故障特征信息。

掘进机截割臂自适应截割控制策略研究

王东杰, 王鹏江, 李悦, 郭明泽, 郑伟雄, 沈阳, 吴淼

2022, 33(20): 2492-2501. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.013

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针对井下掘进机截割智能化程度低、截割臂摆速不能根据煤岩硬度进行自适应调节的问题，提出了一种基于多传感器信息的掘进机截割臂自适应截割控制策略。以截割电机电流、截割臂驱动油缸压力、截割臂振动加速度作为煤岩截割载荷识别依据，采用径向基函数神经网络设计了截割载荷信号识别器，为截割臂摆速调控提供准确依据；针对复杂且具有时变性的截割臂摆速调控系统，设计了基于遗传算法优化的模糊PID智能控制器，实现对截割臂摆速的高效调控。建立了掘进机截割臂数学模型，在MATLAB/Simulink中搭建了截割臂自适应截割仿真控制系统，仿真结果表明，控制系统具有较快响应速度及较高控制精度。基于贝加莱Automation Studio软件搭建掘进机机载自适应截割控制系统，在石家庄煤矿机械有限公司模拟巷道中采用EBZ135型掘进机进行了模拟截割实验，实验结果表明，所提出的控制策略能够根据截割载荷变化实现对截割臂摆速的高效自适应调控。

航天器密封舱结构的安定分析与优化

王新, 陈耕, 刘峰, 余晨帆, 张乐乐,

2022, 33(20): 2502-2508. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.014

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壁板式密封舱结构是返回式航天器的主要金属部件，其载荷复杂、可靠性要求高、结构优化目标不易实现。由于以弹性极限为核心的传统设计方法难以在保证强度的前提下有效实现结构减重，提出了一种基于安定理论的密封舱结构设计与优化方法。使用Abaqus参数化建模方法对不同参数组合下的模型进行了批量化安定分析,在得到各种设计构型的安定载荷因子后进行了详尽的敏感度分析，综合考虑了各构型的质量强度关系并给出了效率较高的设计方案。研究结果表明，将安定分析用于密封舱结构，可以在保持质量不变的前提下，通过优化结构尺寸有效提高承载能力。

受电弓下沉对其气动和声学行为的影响

秦登, 戴志远, 周宁, 李田

2022, 33(20): 2509-2519. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.20.015

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为研究受电弓下沉对其气动行为和声学行为的影响，建立了考虑安装平台的高速受电弓计算模型，基于计算流体力学和声学类比理论，对受电弓的气动和声学行为展开数值模拟。受电弓下沉高度分别设为100、200、300、400和500 mm，通过风洞试验验证了数值计算方法的合理性。仿真结果表明：随着受电弓安装平台下沉高度的增大，绝缘子和底架迎风面正压减小，受电弓气动阻力减小；安装平台气动阻力先增大后减小，通过优化腔体过渡倾角可显著减小安装平台所产生的气动阻力；当安装平台下沉高度为300 mm、腔体倾角为30°时，受电弓开口、闭口运行时其气动阻力分别减小2.0%、1.8%，整车阻力分别减小1.4%和1.1%；受电弓气动噪声具有明显的主频特性，主要频率约为330 Hz，能量主要集中在400~2500 Hz范围内；安装平台下沉后，绝缘子和底架周围流体流速减小，绝缘子和底座的表面声功率显著降低；安装平台下沉300 mm时，受电弓远场气动噪声最大声压级减小2.02 dBA，平均声压级减小1.31 dBA；受电弓下沉可改善其气动和声学性能。

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2022, 33(20): 2520.

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