中国机械工程

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2022, 33(24): 0.

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全海深宏生物保压采样培养系统设计与实验研究

刘广平, 金永平, 彭佑多, 刘德顺, 万步炎

2022, 33(24): 2899-2907. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.24.001

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提出了一种新型的全海深（作业水深11000 m）宏生物保压采样培养系统的设计方法。该系统能够实现全海深环境下宏生物保压采样，同时满足实验室无压降转移和原位培养。详细介绍了全海深宏生物保压培养系统的基本结构及工作原理，对全海深宏生物保压采样培养系统进行了设计与分析。利用研制的全海深宏生物保压采样器工程样机开展了全海深宏生物保压采样器保压性能和样品转移试验。试验结果表明，全海深宏生物保压采样器能够承载127 MPa的压力，压力越大，采样器保压性能越好，且在超高压环境下实现了无压降转移,为深渊海底科学研究提供了高质量的宏生物保压样品。

往复运动速度规划算法对曲线磨削的影响研究

谢朝珑, 许黎明, 王昆梓, 周超, 赵达

2022, 33(24): 2908-2916. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.24.002

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往复加工常见于磨削和刨削等金属切削中，加工过程的平稳性直接影响到产品的加工质量、能源效率乃至机床的寿命。首先探究往复（冲程）运动速度规划对运动过程平稳性的影响，在分析了常见速度规划运动学性能的基础上，针对磨削冲程运动的特点，提出通过改变急动度空间分布来降低柔性冲击对加工表面质量的影响，并设计了两种基于急动度连续的速度规划算法。在此基础上，研究了速度规划算法和磨削力平稳性、加工表面粗糙度和加工能耗间的关系，提出了通过改变加速度空间分布来降低加工能耗的方法。试验结果表明，往复运动速度规划和磨削力平稳性、加工表面粗糙度以及加工能耗均相关，通过改变急动度和加速度空间分布提高了磨削力平稳性和加工表面质量，降低了加工能耗。所提出的Ⅱ型速度规划综合表现优于其他规划，与梯形速度规划相比，切削力波动、加工表面粗糙度和电机驱动能耗均有较为显著的下降。

变胞机器人重构及转向时足着地柔顺性控制

刘俊, 阮小栋, 杨鹏亮, 吴迪, 郑敏毅

2022, 33(24): 2917-2926. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.24.003

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变胞机器人能够根据外界环境变化在轮式行驶和足式行走两种运动模式间自然切换，因此兼具在平整结构路面上快速行驶和在崎岖山地越障行走的能力。基于广义坐标法建立了变胞机器人转向重构过程的运动学模型，考虑到重构过程中摆动腿与环境接触时存在较大冲击，提出了利用阻抗控制方法实现摆动腿着地柔顺控制。在传统阻抗控制的基础上，基于李雅普诺夫渐进稳定性定理设计了自适应阻抗控制器，并利用粒子群优化算法对阻抗控制参数进行了优化。通过在不同环境刚度下仿真分析，证实了经过参数优化后的自适应阻抗控制器能够很好地实现对期望接触力的跟随，提高了变胞机器人对未知多变环境的适应性。最后针对变胞机器人转向重构过程中足着地进行了路面实验，进一步证实了优化后的自适应阻抗控制方法的优越性。

一种基于增强型最大二阶循环平稳盲解卷积的齿轮箱复合故障诊断

齐咏生, 单成成, 贾舜宇, 刘利强, 董朝轶,

2022, 33(24): 2927-2941,2952. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.24.004

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针对齿轮箱复合故障振动信号易受到背景噪声干扰，使得传统方法对复合故障冲击特征难以准确分离的问题，提出一种自适应最大二阶循环平稳盲解卷积(ACYCBD)与1.5维导数增强谱相结合的复合故障诊断方法。首先，利用循环谱分析检测复合故障振动信号中与故障特征相关的循环频率成分，构建不同目标类型的循环频率集；之后，根据不同类型的循环频率集，提出一种以三阶累积量稀疏度（TCS）为指标，自适应地选取最大二阶循环平稳盲解卷积（CYCBD）的最优滤波器长度的改进算法，从而更好地获得包含不同故障冲击成分的CYCBD最优滤波信号；最后，提出一种新的1.5维导数谱进行特征增强，提高信噪比，并分析谱图中突出的故障特征频率进而判别故障类型。通过仿真信号与故障实验平台数据对算法进行验证，结果表明该方法能够实现齿轮箱复合故障的准确分离与诊断。

海水液压柱塞泵中新型滑盘副的设计及其润滑特性研究

郭明, 聂松林, 纪辉, 尹方龙

2022, 33(24): 2942-2952. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.24.005

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传统海水液压柱塞泵中，滑靴的固有结构形式使其易发生偏磨、烧靴等问题。提出了一种新型滑盘结构，从根本上消除了因离心力产生的滑靴倾覆问题，并减小了柱塞所受的侧向力。建立了滑盘副润滑数学模型，并分析了温度和工况参数对滑盘副的润滑特性及能耗特性的影响。结果表明:随着介质温度的升高，滑盘副的动压效应减弱，水膜厚度减小，导致泄漏量降低；同时，黏度随温度升高而降低，滑盘所受到的摩擦力减小，黏性摩擦功率损失降低；随着泵工作压力的升高，水膜厚度变大，泄漏量增大，相反黏性摩擦功率损失降低；而随着泵的工作转速的增大，滑盘副的泄漏量功率损失和黏性摩擦功率损失均有所增加。

多孔挡板影响液体晃荡冲击压力特征的研究

沈民民, 孙船斌, 童宝宏, 侯童珅

2022, 33(24): 2953-2960. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.24.006

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船舶波浪中航行激励液舱内液体晃荡产生的激振力会导致液舱结构局部失效，从而影响船舶运动姿态，而多孔挡板可以有效避免该问题。构建了大振幅水平激励试验平台以探讨冲击压力对频率的响应规律，分析了多孔挡板在不同激励频率下冲击压力的时域和频域特征，并从挡板结构和涡旋强度方面解释冲击压力特征产生差异的原因。结果表明，大振幅激励下的波浪翻卷、破碎等非线性特征会导致共振频率偏离固有频率；多孔挡板能够降低液体晃荡冲击压力的峰值与峰宽，且在一阶固有频率处压力峰值降低率更显著；多孔挡板不改变幅频中的主频成分，时频谱中仅有能量较低的低频成分；多孔挡板的固体结构阻碍行进波中大部分流体运动，剩余小部分流体通过孔隙会产生涡旋运动，从而耗散能量，减缓流体对液舱壁面的冲击。

跳跃机器人能量转换的主动控制与试验测试

王建, 缪龙, 张文祥, 王树坤

2022, 33(24): 2961-2970. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.24.007

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针对现有跳跃机器人能量转换效率低的问题，设计了一种新型跳跃机器人，以实现利用非圆齿轮的啮合主动控制能量的有效存储和释放。基于机器人机构学原理，设计了跳跃机器人的主体结构，分析了其运动原理，给出了其弹跳运动流程。根据预先给定的机器人能量转换曲线中的关键参数，以能量转换曲线研究非圆齿轮节曲线，以非圆齿轮共轭啮合特性研究跳跃机器人的能量转换特性，建立了非圆齿轮传动的数学模型，并通过具体实例详细说明了非圆齿轮的设计过程。使用3D打印技术制作了跳跃机器人原理样机，开展试验测试研究。研究结果表明，跳跃机器人可以实现稳定跳跃，且能量转换效率的测量值与预先给定的理论值较吻合。

电弧微铸锻增材制造AlMgSc合金纵扭复合超声振动干铣削加工特性研究

韩光超, , 杨家凯, 叶泽玖, 徐林红, 张海鸥, 杨海涛

2022, 33(24): 2971-2979,2989. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.24.008

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对电弧微铸锻增材制造AlMgSc合金进行纵扭超声复合干铣削加工特性试验研究，探讨超声铣削工艺参数对切削力、表面形貌、加工硬化及刀具磨损等AlMgSc合金干铣削成形特性的影响规律。结果表明: 与锻造和常规电弧增材成形铝合金相比，微铸锻增材制造AlMgSc合金由于具备更加致密的微观组织、更高的强度和硬度而在超声干铣削成形过程中会产生更大的铣削力，更容易发生加工硬化。与常规干铣削相比，采用纵扭复合超声干铣削可以获得更小的表面粗糙度，并有利于减轻刀具磨损。

高鲁棒性两阶段激光雷达惯性测量单元外参在线标定算法

林鑫, 张捷, 冯景怡, 孟杰, 王书亭

2022, 33(24): 2980-2989. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.24.009

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针对车辆在近似平面上运动时，退化的传感器数据难以标定外参的问题，提出了一种高鲁棒性两阶段激光雷达惯性测量单元(LiDAR-IMU)外参在线标定算法。标定算法包括剔除外点的解析解初值计算和非线性滑窗在线迭代优化两个阶段。第一阶段剔除预数据集中的外点，以滑动窗口的形式多次求解只包含旋转分量的手眼标定模型，并改进解析解筛选的条件，求解出多解加权旋转外参的SVD解析解。第二阶段最小化包含外参的残差函数，以旋转解析解为初值滑动窗口迭代优化六自由度外参，使外参快速收敛，并在退化运动和错误历史约束过大时固定外参，避免外参退化。与原始算法对比，该算法对退化的传感器数据具有鲁棒性，可在无外参初值的情况下实现精准鲁棒地在线标定外参。

基于shapelets时间序列的多源迁移学习滚动轴承故障诊断方法

李可, 燕晗, 顾杰斐, 宿磊, 苏文胜, 薛志钢

2022, 33(24): 2990-2996,3006. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.24.010

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针对滚动轴承故障诊断在工程实际中故障数据稀缺的问题，提出一种基于shapelets时间序列的多源迁移学习滚动轴承故障诊断方法。首先利用典型故障信息丰富、标记样本充足的滚动轴承数据构建多源域数据集，使用不同源域的数据对源域特征提取器与分类器进行预训练；然后利用基于动态时间规整的shapelets学习算法提取源域与目标域的shapelets作为判别结构，通过度量判别结构优化源域数据，对源域网络进行微调以得到诊断模型；最后根据每个源域与目标域的shapelets之间的差异，利用自适应域权重对各分类器的结果进行聚合得出诊断结果。实验结果表明，该方法在小样本与强噪声的情况下具有较高的故障诊断准确率。

基于障碍Lyapunov函数的双臂空间机器人捕获卫星柔顺控制

朱安, 艾海平, 陈力

2022, 33(24): 2997-3006. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.24.011

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空间机器人捕获卫星操作过程中不可避免地会与卫星接触、碰撞，此过程中若未对其关节进行有效的保护，很容易造成捕获操作失败，因此提出在各关节电机与机械臂之间添加一种弹簧阻尼机构，该机构不仅能够实现碰撞冲击能量的吸收及柔性振动的抑制，还能配合设计的柔顺策略实现捕获操作的柔顺化。分别利用含耗散力Lagrange方程与Newton-Euler方程导出了碰撞前的双臂空间机器人与卫星分体系统动力学方程；结合Newton第三定律、捕获点的速度及闭链几何约束获得了捕获完成后的混合体系统动力学方程，且通过动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力；基于障碍Lyapunov函数设计了一种状态约束控制方法，实现了轨迹的高精度跟踪；采用模糊自适应控制器对系统的不确定项进行拟合，解决了系统参数不确定的影响。通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性，并利用数值模拟验证了缓冲机构的抗冲击性能及所提柔顺策略的有效性。

基于支持向量回归积和改进粒子群算法的特定区间盾构机作业参数选取

许哲东, 侯公羽, 杨丽, 黄小军

2022, 33(24): 3007-3014. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.24.012

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为实现特定区间盾构机作业参数更准确的选取，提出了基于支持向量回归积(e-SVR)和改进惯性权重降低速度粒子群优化（IIWDSPSO）算法的盾构机作业参数选取模型。基于e-SVR构建掘进参数、地层参数、几何参数与地表沉降值之间的非线性关系模型，并基于实际盾构施工数据与人工神经网络模型、随机森林模型进行性能对比分析；通过10组仿真实验分析惯性权重降低速度对算法性能的影响，基于分析改进的粒子群优化算法优化特定地层参数和几何参数区间的掘进参数。结果表明，e-SVR模型对盾构施工数据样本具有更好的拟合和泛化能力，所提出的IIWDSPSO算法具有更好的准确性、稳定性和收敛概率。实际工程应用结果也验证了所提模型求解出的特定区间掘进参数能使地表沉降值相对更小，得到的掘进参数能够为实际工程提供更准确和可靠的参考。

多域融合的高速列车维修性设计知识图谱构建

郭恒, 黎荣, 张海柱, 魏永杰, 戴钺滨

2022, 33(24): 3015-3023. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.24.013

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为了实现非结构化高速列车多域数据的知识抽取、融合及结构化存储，研究了多域数据融合的高速列车维修性设计知识图谱构建方法，详细分析了高速列车维修性设计知识图谱模式层本体模型概念要素组成、数据层构建及知识融合过程，展示了基于Neo4j图数据库开发的转向架知识图谱平台及知识检索系统。所研究的知识图谱构建技术不仅有效地实现了高速列车领域多源、多域数据知识的融合，还能很好地辅助设计人员进行产品可维修性设计，提高产品质量。

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2022, 33(24): 3024.

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