中国机械工程

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2023, 34(09): 0.

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重型磁悬浮转子跌落保护轴承失效机理

李子麟, 时振刚, 铁晓艳, 杨国军, 任文亮, 姚佳康, 王玉明, 王子羲

2023, 34(09): 1009-1018. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.001

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国家重点研发计划《高速精密悬浮轴承》对保护轴承跌落承载能力的要求是：转子质量不小于3000 kg，跌落转速不小于3000 r/min，抗跌落次数不小于10。基于此开展了对保护轴承设计研发及跌落失效机理的研究。提出了两种适用于跌落工况的陶瓷球混合保护轴承方案：满装球无保持架方案和非满装球带保持架方案。搭建了包含动力学、热学在内的转子跌落仿真模型，对不同方案跌落过程的受力和发热过程进行了仿真。将保护轴承安装到试验台架中进行测试，验证了仿真模型的有效性。在测试中发现无保持架保护轴承发生严重失效。对失效轴承的损伤情况进行观察和检测，发现由于滚动体间摩擦因数大，滚动体发生卡死现象，使滚动体与滚道、内圈与转子间发生持续干摩擦，造成内圈严重烧伤与磨损。

超硬磨粒可控排布砂轮研究进展

陈冰, 郭烨, 邓朝晖

2023, 34(09): 1019-1034. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.002

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在磨削加工过程中，砂轮上磨粒的分布、排布方式影响着磨粒与工件材料的相互作用形式、磨削痕迹分布次序及材料去除特性等，进而决定着磨削表面形貌、亚表面质量、磨削力等。相对于磨粒随机分布的砂轮，通过合理调整有序化砂轮表面上磨粒的位置和分布方式，有助于使砂轮表面磨粒受力均匀、容屑空间大小合理，从而减小加工过程中的磨削力，降低磨削温度，提高磨具的寿命及磨削性能。目前，相比磨粒簇和结构化等有序砂轮，磨粒有序化砂轮的研究是发展较早、相关理论较多、相对成熟的研究方向。综述了超硬磨粒可控排布砂轮制备的研究现状，探讨了磨粒定向排布、叶序排布与其他排布超硬磨粒可控排布砂轮的理论及应用现状，展望了超硬磨粒可控排布砂轮未来的研究方向。

融合稳定性的分布式驱动电动汽车路径跟踪控制策略研究

王姝, 张海川, 赵轩, 宋函锟

2023, 34(09): 1035-1044. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.003

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提出了一种融合车辆稳定性的路径跟踪控制策略，以提高分布式驱动电动汽车在高速、低附着等危险行驶工况下的路径跟踪精度和车辆稳定性，该控制策略包括路径跟踪控制层、稳定性控制器决策层、驱动轮转矩分配层。针对LQR路径跟踪控制器在高速大曲率工况下跟踪精度不足的问题，采用闭环PID矫正驾驶员模型补偿车辆前轮转角，并设计稳定性控制器用以跟踪车辆理想参考模型，基于模型预测控制算法决策出附加横摆力矩，同时以轮胎负荷率最小为目标优化车轮驱动转矩分配。利用自主开发的分布式驱动电动试验车分别在高速高附着和高速低附着双移线工况进行试验。结果表明：相对于只运用闭环PID矫正的LQR路径跟踪控制器进行路径跟踪，车辆在干燥的混凝土路面以90 km/h速度行驶时，融合车辆稳定性的路径跟踪精度的横向均方根误差降低了29.7%；车辆在潮湿沥青路面以70 km/h速度行驶时，均方根误差降低了10.3%。所提控制策略能够提高车辆的路径跟踪精度，满足车辆在危险行驶工况下的横摆稳定性。

多层介质内部缺陷远聚焦成像方法研究

杜文杰, 郑慧峰, 张凯胜, 唐佳玄

2023, 34(09): 1045-1051. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.004

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针对常规超声成像方法在多层介质内部缺陷检测中存在的缺陷成像不清晰、定位不准确的问题，开展基于远聚焦像素成像算法的多层介质内部缺陷成像研究。对多层介质引起的声传播特性变化进行分析，以三层介质模型为例，通过仿真分析，将基于时间最短原理的射线追踪法和斯涅尔定理的声传播路径计算结果进行对比，仿真结果表明，在计算的耗时及计算结果的精度上，射线追踪法都高于斯涅尔定理。通过理论推导建立多层介质传播衰减模型，确定透射补偿系数、扩散衰减补偿系数及指向性校准系数，实验结果表明，衰减补偿后缺陷中心的成像幅值提高了6.3 dB，优化后的成像方法能够实现对多层介质内部缺陷的检测，缺陷的定位误差小于0.4 mm，尺寸测量误差小于0.35 mm2。

基于放电修锐的粗金刚石砂轮干式镜面磨削技术

鲁艳军, 关伟锋, 孙佳劲, 莫睿, 伍晓宇

2023, 34(09): 1052-1060. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.005

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为解决超硬金刚石砂轮修锐效率较低以及环境友好性等问题，采用干式接触放电修锐(ECD)技术对粗金刚石砂轮进行修锐，获得较高的磨粒出刃，可以实现硬质合金和模具钢等高强高硬材料的高效精密镜面磨削加工。对46#金属结合剂粗金刚石砂轮进行机械修锐和干式ECD修锐，再利用修锐后的粗金刚石砂轮对硬质合金和模具钢进行干式轴向磨削加工，对比分析两种修锐条件下磨削工艺参数对硬质合金干磨削力、磨削表面粗糙度和磨削力比的影响。实验结果表明：硬质合金的干式轴向磨削力及其表面粗糙度随砂轮速度的增大而减小，随进给速度和切削深度的增大而增大；与机械修锐相比，干式ECD修锐能够获得更高的磨粒出刃和更好的表面质量，以及更小的磨削力和磨削力比；硬质合金和模具钢的干磨削表面粗糙度Ra分别可达0.058 μm和0.022 μm。

运动链基本环路集新的定义及其生成方法

孙亮波, 洪熙熙, 刘小翠, 刘新

2023, 34(09): 1061-1066，1076. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.006

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环路是运动链结构的固有特征，已有研究和应用多集中在基于环路的构型综合、同构判定、刚性子链消除等方面。给出了基本环路集的新定义，提出了运动链的树状结构表达及相关理论，以及基于此的基本环路集提取原则，方便快捷地获得各种运动链的基本环路集。案例分析证明，所提方法规则简单，便于计算机程序化实现，可快速地获得结构复杂、对称性高的运动链的基本环路集。通过实例证明了上述理论的正确性和有效性。

考虑测量误差的两阶段Wiener建模与可靠性分析

高新, 叶楠, 周坤, 陶友瑞,

2023, 34(09): 1067-1076. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.007

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针对现有的多阶段Wiener退化建模与可靠性分析中，大多忽略测量误差且未考虑退化过程中变点差异性的问题，建立了一种考虑测量误差的两阶段Wiener模型。将极大似然估计法和多维搜索算法相结合求出测量误差的估计值。考虑到变点的差异性，基于BIC最小准则估计出变点区间，同时根据变点位置确定漂移系数和扩散系数的估计值，再利用SSE最小准则求出变点的估计值，给出了基于变点分布区间的可靠性评估方法。最后，基于所建模型对RV减速器传动精度退化数据进行了实例分析。考虑测量误差及变点位置对退化建模的不确定性影响，进一步提高了产品的可靠性评估精度，能对产品的寿命做出更精准的预测。

磨粒流加工壁面效应研究

汤炉滨, 文东辉, 孔凡志, 袁巧玲,

2023, 34(09): 1077-1085. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.008

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数值模拟了圆柱内表面的初始粗糙度、入口流速和内孔直径对壁面流场压力、局部压差及剪切力的影响规律，分析了入口处流场速度和剪切力的形成过程，从磨粒切削作用角度剖析了圆柱内表面入口处过抛现象的形成原因，结合磨粒流加工试验揭示了各参数对壁面效应的影响规律。理论分析和试验结果表明：增大圆孔直径或减小入口流速能有效改善磨粒流流场压力的均匀性，初始表面粗糙度对流场压力数值及其局部压差有微弱影响；入口处圆孔壁面速度突变引起剪切力突变，从而导致磨粒流加工过抛现象；初始表面粗糙度Ra=0.296 μm时有利于减弱磨粒流加工的壁面效应，而Ra=4.273 μm时有利于提高材料去除速率。

抑制磨削振纹的多目标磨削工艺参数优化

李国龙, 朱国华, 蒋林, 陶一杰, 贾亚超

2023, 34(09): 1086-1092. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.009

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针对蜗杆砂轮磨削齿轮经常出现振纹的问题，采用某型新能源汽车用斜齿轮，通过正交设计实验的方法，探究了磨削工艺参数（砂轮线速度、砂轮轴向进给速度、砂轮径向进给量）对加工振动和齿面粗糙度的影响。采用多元二次回归的方法建立了以减小振动和齿面粗糙度为目标的多目标优化数学模型，采用遗传算法优化了磨削工艺参数。结果表明，优化后的工艺参数可在保持稳定的齿面粗糙度精度的同时大大削弱磨削中的振动，有效防止了振纹的产生，延长了机床的使用寿命。

基于NDO的永磁同步电动机自适应分数阶滑模控制

赵希梅, 王超, 金鸿雁

2023, 34(09): 1093-1099,1119. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.010

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针对永磁同步电动机（PMSM）驱动的高档数控机床进给系统易受参数变化、外部扰动等不确定性因素影响的问题，设计了一种基于非线性干扰观测器（NDO）的自适应分数阶滑模控制（AFOSMC）方法。建立了含有不确定性的PMSM动态数学模型。将自适应控制与分数阶滑模控制（FOSMC）相结合，抑制了整数阶滑模控制的抖振现象，且能实时调整切换增益，提高了系统的控制精度。然而，外部干扰会对系统产生极大的影响，因此采用NDO实时辨识外部干扰，将观测值作为前馈补偿引入AFOSMC中，以提高控制器的抗干扰能力。实验结果表明，基于NDO的AFOSMC方法有效地削弱了抖振现象，提高了进给系统的跟踪性能和抗扰能力。

基于强化学习算法的水下滑翔机路径跟踪研究

石晴晴, 张润锋, 张连洪, 兰世泉,

2023, 34(09): 1100-1110. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.011

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针对洋流影响下水下滑翔机实际路径与预定路径偏差较大的问题，在传统的长短期记忆网络模型的基础上引入注意力机制，建立了具有长短期记忆与注意力机制的神经网络洋流预测模型；利用深度神经网络生成水下滑翔机运动的动态Q表，并通过强化学习算法选择最优运动姿态，同时考虑洋流的影响，构造了基于深度强化学习的水下滑翔机路径跟踪算法。结果表明，基于注意力机制的长短期记忆网络相较于传统的整合移动平均自回归模型与长短期记忆网络，其洋流预测具有更小的均方误差与均方根误差，具有良好的预测能力；相较于传统的PID控制，深度强化学习模型可使水下滑翔机轨迹均方根误差降低50.9%，显著提高了路径跟踪精度。

智能轮胎开发平台专用轮辋总成设计与试验

陶亮, 张大山, 张小龙, 潘登, 占庆良

2023, 34(09): 1111-1119. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.012

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针对专用轮辋总成进行了设计与试验研究，包括专用轮辋、弹性体和专用滑环三个主要部件。首先明确智能轮胎开发平台的功能及其对专用轮辋总成的设计要求，从气密性、动平衡、安全性等方面进行结构设计；然后用ABAQUS软件构建专用轮辋总成有限元模型，以某乘用车转向紧急制动工况前轮轮荷的2倍进行加载，专用轮辋强度和刚度校核满足要求。最后，采用7075航空铝合金锭材料对专用轮辋进行整体加工与气密性、动平衡和信号传输等验证试验。专用轮辋总成胎压为0.24 MPa时静置5天，胎压下降约0.8%，密封性良好；将专用轮辋总成安装在Flat Trac台架上进行不同车速的测试，同步采集滑环定子端运动图像和胎内传感器输出信号；利用图像亚像素匹配方法处理得到滑环定子端挠动量约0.5712 mm（车速50 km/h），满足轮辋动平衡和滑环使用条件；不同测试速度下胎内多个传感器信号通过专用轮辋总成实现稳定输出，信号能够有效表征轮胎接地特征。设计的专用轮辋总成满足智能轮胎开发平台的构建要求，为轮胎接地机理等研究提供了有效手段。

基于2D激光位移传感器的舱段自动对接测量方法

孙露萍, 张文昌, 王志华, 王振文, 任志墨, 张倩,

2023, 34(09): 1120-1125,1133. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.013

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针对舱段对接装配需求，结合舱段对接工艺过程,提出一种基于2D激光位移传感器的舱段自动对接测量方法。首先将待对接舱段调整至相距基准舱段约50 mm待装位，采用2D激光位移传感器检测两舱段对接处三个点位的2D轮廓偏差，计算得到待对接舱段除自转角外的5个自由度位姿；然后根据两舱段法兰端面上的豁口特征，通过扫描两个舱段法兰豁口位置，计算得到待对接舱段自转角；最后将结果反馈至控制系统，驱动执行机构进行位姿的调整。通过引入误差的仿真并结合对接实验对所提方法进行了验证，结果表明，所提方法测量精度高，对接效果良好，能够满足舱段自动对接需求，有效提高了自动对接系统的效率、稳定性和一致性。

水空两用推进器齿式超越离合器接合特性研究

徐龙, 胡志强, 杨翊, 王超,

2023, 34(09): 1126-1133. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.014

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从水空两用推进器对离合器的应用需求出发，设计了一种齿式超越离合器。通过仿真对离合器在不同结构参数下的接合特性进行优化分析，讨论了轮齿端面倒角和变位系数对接合过程、脱开速度和接触冲击力的影响规律。仿真结果表明，增大端面倒角度数和变位系数，可加快接合、脱开速度，减小接触冲击力；当倒角度数和变位系数分别为44°和0.84时，接合特性最优。继续增大倒角度数和变位系数，则接合、脱开速度变慢，接触冲击力变大。最后得到了接合特性指标最优的轮齿结构参数，并通过实验验证了仿真分析结果的正确性和有效性，仿真与实验的接合特性指标相对误差小于10%，证明了优化设计过程的有效性，设计结果满足推进器使用要求。

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2023, 34(09): 1134.

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