中国机械工程

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2023, 34(06): 0.

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小轴交角面齿轮副齿面展成与啮合特性分析

周如传, 吴文敏, 冯曼曼, 郭辉, 蔺彦虎

2023, 34(06): 631-640. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.001

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为了增强直升机传动系统中小角度齿轮传动副的啮合性能，对小轴交角面齿轮副进行齿面几何与啮合特性研究。建立了小轴交角面齿轮副展成坐标系，并基于齿轮啮合原理推导了其齿面方程。基于蜗杆推导了拓扑修形的圆柱齿轮齿面方程，并将该圆柱齿轮应用到小轴交角面齿轮副中。进行了轮齿接触分析，并研究了安装误差对啮合的影响规律。为评价小轴交角面齿轮副的传动性能，进行了应力计算分析，并与锥形渐开线-圆柱齿轮副进行了对比。研究结果表明：相对于圆柱齿轮齿向修形，拓扑修形可有效避免小轴交角面齿轮副的边缘接触，减小接触应力和弯曲应力；相同参数下，小轴交角面齿轮副的接触应力和弯曲应力均比锥形渐开线齿轮-圆柱齿轮副小约27%。

两种典型六自由度支撑机构大迎角运动特性分析与对比

陈恒通, 王晓光, 江海龙, 林麒

2023, 34(06): 641-649. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.002

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为满足先进飞行器研制对大迎角多自由度耦合运动试验的要求，急需发展新型风洞模型支撑技术。重点研究了刚、柔两种典型六自由度并联支撑机构的大迎角运动特性。首先建立一种横式6-PUS刚性并联机构，根据运动学模型和约束条件，求解飞机模型的位置和姿态运动空间，并推导其刚度矩阵；针对一种八绳牵引并联支撑机构，利用凸多边形算法求解动态运动空间；对比分析两种机构的运动空间和固有频率，结果表明两种支撑机构均能实现较大范围的六自由度运动，但绳系支撑的横向位置空间更大，在俯仰方向也更具优势，且在大迎角下仍具有较大的固有频率；最后以大迎角运动实验为例，验证了绳牵引并联支撑方式的有效性。

磁场辅助剪切增稠流体抛光硬质合金刀片的仿真与实验研究

李鸿宇, 黄向明, 明阳, 李希扬, 曾清, 周东栋

2023, 34(06): 650-659. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.003

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为了提高硬质合金刀片磨削后的表面质量，提出了一种用于硬质合金刀片抛光的新方法——磁场辅助剪切增稠流体抛光。介绍了该抛光方法的基本原理，配制抛光液并进行流变特性的测试与分析，基于流变测试结果，获得了抛光液的优化配制方案。通过ANSYS FLUENT模块获得不同放置方式下工件表面的流场状态，分析在不同抛光速度与磁感应强度下工件表面的动压力与剪切应力分布情况，确定了工件的放置方式和加工参数。建立抛光实验平台，通过抛光实验探究了抛光速度、磁感应强度等工艺参数对表面粗糙度与材料去除率的影响规律。实验结果表明：刀片表面粗糙度Ra随着抛光速度的增大而降低，但磁感应强度对表面粗糙度影响不明显；工件表面抛光液的剪切应力和速度的乘积与材料去除率成正相关性。通过优化抛光工艺参数（工件竖直放置、抛光速度100 r/min、磁感应强度30 mT），可以获得刀片表面粗糙度Ra=15 nm的超精密加工表面，以及11.1 μm/h的高材料去除率。

连通式横向减振器在地铁车辆上的适用性分析

朱晨, 池茂儒, 赵明花, 代亮成, 陈仕祺

2023, 34(06): 660-667，676. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.004

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随着地铁车辆运行速度等级的提高，受安装空间与成本限制，未安装抗蛇行减振器的快速地铁将出现车辆运行稳定性不足的问题，针对这一问题，提出一种连通式二系横向减振器，该减振器既能够提供横向减振的功能，又能达到抗蛇行减振的目的。基于连通式横向减振器的工作原理，建立了连通式横向减振器的数学模型以及更为准确的AMESim仿真模型，并分析了不同车辆运动状态下连通式横向减振器的阻尼特征。最后采用MATLAB/Simulink对连通式横向减振器模型与地铁车辆动力学模型进行联合仿真，研究了连通式横向减振器对车辆系统动力学性能的影响。仿真结果表明，连通式横向减振器在保证车辆直线运行平稳性及曲线通过安全性的条件下，大幅提高了车辆非线性临界速度，改善了地铁车辆的运行稳定性。

基于Hertz接触理论的整体叶盘百页轮抛光材料去除深度建模研究

张军锋, 吴晓君, 史耀耀, 蔺小军

2023, 34(06): 668-676. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.005

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为了揭示复杂曲面百页轮抛光的材料去除机理，假设磨粒凸出高度服从正态分布，通过Hertz接触理论得到了接触区的抛光压力分布模型，然后基于弹塑性接触理论进行单颗磨粒受力分析，结合百页轮表面磨粒凸出高度分布函数建立了磨粒切入深度模型。在此基础上，综合主轴转速、进给速度和磨粒切削沟槽形状等确定了单颗磨粒的材料去除体积，并通过沿抛光轨迹积分的方法建立了材料去除深度模型。实验结果表明，材料去除深度的预测值与实验值的最大偏差和平均偏差分别为4.85%和2.95%，验证了所建材料去除深度模型的正确性和有效性。

超声纵扭铣削钛合金表面形貌特性及有效性分析

李凤琴, 赵波, 郝旺身, 王晓博

2023, 34(06): 677-684，693. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.006

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针对钛合金难加工材料在铣削加工过程中表面质量难以控制的问题，提出将超声纵扭复合振动与铣削加工相复合，搭建超声纵扭铣削系统试验平台。从切削速度、每齿进给量、切削深度、超声振幅4个方面进行单因素试验，对比分析超声纵扭铣削和普通铣削加工表面纹理和表面粗糙度，发现超声纵扭铣削产生的表面纹理规则均匀，而普通铣削存在明显的粘连现象并伴有鳞刺产生，超声纵扭铣削时表面粗糙度值明显低于普通铣削加工时表面粗糙度值，进而得出超声纵扭铣削时速度越大、振幅越大，表面粗糙度值越小的结论。重点对表面形貌影响比较大的每齿进给量进行了仿真与试验的对比及有效性分析，结果表明，试验结果与仿真结果趋势一致，与理论分析结果具有较高吻合度，超声纵扭铣削加工的相对误差低于普通铣削加工相对误差，表面加工质量明显高于普通铣削加工表面质量。

考虑热影响的永磁液冷缓速器制动力矩模型

郭文光, 王飞

2023, 34(06): 685-693. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.007

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针对传统液冷缓速器制动力矩热衰减的问题，提出了一种变速器前置式永磁液冷缓速器。基于等效磁路法和分段函数法建立了考虑缓速器漏磁影响的静/瞬态气隙磁场的计算模型，基于瞬态气隙磁场模型得到了永磁液冷缓速器制动力矩模型，并通过有限元分析方法进行了验证。基于建立的制动力矩模型并根据电热耦合理论，建立了考虑温度影响的涡流制动力矩迭代计算模型。台架试验结果表明：制动力矩模型计算值与制动力矩-转速特性试验吻合良好；考虑温度影响的制动力矩的迭代模型计算的力矩值与持续制动试验结果吻合良好，误差在7%以内。

基于仿真数据驱动和领域自适应的滚动轴承故障诊断方法

董绍江, 朱朋, 朱孙科, 刘兰徽, 邢镔, 胡小林

2023, 34(06): 694-702. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.008

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针对实际工业环境中较难获取大量的高质量滚动轴承故障数据，智能诊断模型泛化性能差的问题，提出了一种基于仿真数据驱动和领域自适应的故障诊断方法。首先，建立仿真数据驱动故障诊断所需的物理模型，并根据轴承的型号及相应工况模拟不同故障形式，获得丰富的仿真数据；其次，采用迁移学习的方法解决仿真与实际故障数据存在数据特征分布不一致的问题，通过残差通道注意力机制网络提取不同领域的迁移故障特征，采用考虑了源域与目标域数据特征的条件分布差异的条件最大均值差异度量准则进行网络训练过程中不同领域的自适应操作；最后，在人为损坏和加速寿命实验损坏的轴承数据集上进行了不同迁移模型的实验验证，结果表明所提方法能在目标域小样本监督情况下获得较高的识别精度。

树结构主干分枝层级化的部件装配单元聚类划分

成彬, 张松松, 王晓明

2023, 34(06): 703-711. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.009

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针对部件装配过程中装配工作并行度低和特征偏差分析难的问题，提出了一种树结构主干分枝层级化的部件装配单元聚类划分方法。首先，根据零件间的装配关联构建部件树结构，分析分枝零件间的装配特征关联指标，建立指标系统及其应用规则表达分枝间的亲密度并建立亲密度矩阵，完成部件树主干表达；其次，以分枝间亲密度为初始输入，引入改进Dijkstra路径规划算法，利用算法本身的优势获得主干与多分枝间的局部最短路径最优解，构建主干-分枝层级矩阵，以实现部件树结构主干-分枝层级化，进而合并分枝完成装配单元聚类划分；最后，以单元划分结果进行虚拟装配，分析在物理车间执行总装时是否存在干涉情况以优化最终的划分结果。以某车用差速器装配体的装配单元聚类划分过程为实例验证了所提方法的可行性和有效性。

基于力位混合导向的工业机器人顺槽运动控制策略

张俊鑫, 陈威, 黄斯凯, 吴海彬

2023, 34(06): 712-719，726. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.010

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针对工业机器人顺槽运动时受到多方向位置与力的混合约束问题，提出一种力位混合导向策略，并基于阻抗模型设计自抗扰控制器（ADRC）对该策略的力控制回路进行优化。在此基础上，基于双模糊结构对ADRC进行改进，得到一种开关式变论域模糊ADRC，以此增强工业机器人在进行力位混合控制时对未知环境的适应能力。最后，对所提出的算法进行性能仿真，并以手机射频线的顺槽装配为例进行实验。仿真和实验结果表明，相对于常规的控制方法，所提出的控制策略具备更加良好的力位混合控制性能，能够更好地应用于工业机器人的顺槽运动控制。

双级微结构对柔性压力传感器性能的提升

周丹砚, 黄汉雄, 罗杜宇

2023, 34(06): 720-726. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.011

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以2种不同的模板设计方案，采用注射压缩成型制备单级和双级微柱阵列的热塑性聚氨酯柔性薄片，经裁剪、喷金后得到微结构柔性传感基片。将单级和双级微结构柔性传感基片分别与平整柔性传感基片面对面封装成柔性压力传感器1和传感器2。模拟结果表明，受压后微柱顶面上边缘区域接触应力较大。单级和双级微柱受压后纵截面分别呈“碗”和“花苞”状结构；双级微柱在较小压力作用下即可发生形变，且其受压后与平整传感基片的接触形变和接触面积较大。因此，相比传感器1，传感器2具有较高灵敏度（0.53 kPa-1，0~1 kPa）、较短响应时间/松弛时间（100 ms/80 ms）和较低检测限（约58 Pa）。微柱较高的耐压性使传感器 2具有较宽的检测范围（0.058～600 kPa），能在4000次的循环压缩/释放测试（峰值压力约500 kPa）中保持较稳定的压阻响应。传感器 2可准确检测人体脉搏、发声和运动，表明其具有应用于智能可穿戴领域的潜能。

挖补修理平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧向压缩渐进失效机理

王轩, 马瑞云, 周春苹

2023, 34(06): 727-738. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.012

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针对单侧面板挖补、单侧面板加芯子挖补、双侧面板加芯子挖补3种修理方式，采用一维阶梯挖补模型代替三维模型研究挖补修理平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧向压缩渐进失效机理。建立能够模拟蜂窝壁损伤演化的有限元模型，利用内聚力模型模拟胶层损伤。试验和仿真结果表明，完好件和各种挖补方式试验件的破坏模式均为向非修补面板内凹的屈曲变形；各种挖补方式的侧压强度恢复率均在75%以上，大小排序为：单侧面板挖补、双侧面板加芯子挖补、单侧面板加芯子挖补；完好件和各种挖补方式试验件均未出现面板损伤，均出现蜂窝壁横向损伤和剪切损伤，且横向损伤均先出现，均在与发生大变形的蜂窝芯格相连的胶层处出现应力集中；蜂窝壁纵向损伤仅出现在单侧面板挖补件上，胶层损伤只出现在双侧面板加芯子挖补件上；芯子蜂窝壁损伤均发生在靠近替芯的母体芯材上。

基于蛟龙号载人潜水器的深海非接触磁力驱动式沉积物贯入强度测量装置设计

任玉刚, 刘延俊, 丁忠军

2023, 34(06): 739-745. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.013

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沉积物贯入强度探测是一种重要的深海沉积物强度原位测试技术。针对7000米级深海极端环境特点及精细化原位测量科学需求，开展了一种基于蛟龙号载人潜水器的深海非接触强磁式沉积物贯入强度原位测量装置研究，突破了原有贯入强度测量技术在7000米级深海结构复杂，无法实现原位、精细化测量的问题，提出了一种基于载人潜水器的永磁体力平衡传导非接触原理解决深海耐压与应变片形变传导的技术方法，并完成了样机研制及深海海上试验，取得了良好的测试效果。整套系统采用自容式工作方式进行数据的采集及存储，可与计算机连接实现数据原位读取，作业水深7000 m，贯入深度最大250 mm，测量量程 0～100 kPa，精度可达5%～10% FS。2021年3月在帕里希维拉海盆，搭载蛟龙号载人潜水器在181、185潜次中完成了5200 m及6650 m海试应用，成功获得土工力学数据。

软制动能量再生助力及其散热管理系统

周鑫, 雷贤卿, 李阁强

2023, 34(06): 746-755. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.014

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为提高矿用宽体车动力性能和液压系统温度管理水平，优化了液压系统设计。优化后的液压系统安装在某矿用宽体车上，与常规设计手段下为提高整车动力性能搭载更大流量发动机的同型号车型在矿区完成了满载驳运对比试验。同时利用AMESim和AVL Cruise对液压系统建立了物理模型，在经典工况下仿真了该系统各模块的动态特性以及整车的动力性能。仿真和试验结果均表明：该系统在重载下坡运输过程中可实现软制动，能量再生模块可提高整车动力性指标，与选用大流量发动机的同型号整车相近，但综合油耗降低约17%；能量再生模块能有效吸收轮边冲击以及液压系统模块切换瞬间压力冲击；液压系统中的热管理模块可实现矿用宽体车在-5~45 ℃的环境温度下作业，使系统热平衡温度保持在70±5 ℃，在极寒作业过程中使用箱体辅助加热作业提高了驳运效率，同时使液压系统能量利用率提高了19%。

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2023, 34(06): 756.

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