中国机械工程

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2023, 34(10): 0.

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机器组成概念从近代到现代的演变

张策, 杨廷力, 刘建琴

2023, 34(10): 1135-1139. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.001

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随着生产力的发展，机器在发展，“机器组成”的概念也在演变。现代社会对机器的要求逐步提高，而复杂的机器来源于对传统机器的改造，了解机器的演变是对传统机器进行改造的必要过程。马克思在《资本论》中描述了机器的组成，当时适逢第二次工业革命开始，但其后不过数年，控制系统就加入到机器中，马克思的“机器组成说” 开始被突破；20世纪下半叶，在第三次科技革命中，机电一体化概念出现，电子技术、控制技术和传感器技术等被融入到机械系统中。通过机械的发展历史说明了机器组成概念的演变过程，并提出了更准确的现代机械系统的定义，从而给人以启发，增加对机器本身的了解，对现代机械产品设计者具有指导意义。

分子动力学模拟纳米颗粒添加剂对边界润滑的影响

潘伶, 林国斌, 韩雨晴, 余辉

2023, 34(10): 1140-1156. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.002

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通过试验和模拟的方法研究了不同压力条件下纳米铜颗粒添加剂在正十六烷基础油中的边界润滑行为。建立具有正弦曲面粗糙峰的边界润滑模型，采用分子动力学分别模拟了在25，50，100，200 MPa 4种压力下，含纳米铜颗粒与不含纳米铜颗粒时润滑油沿膜厚方向的密度分布。在润滑体系的上下固体壁面施加方向相反的剪切速度，计算出壁面原子与铜颗粒原子的应力、固液界面摩擦力、正压力和摩擦因数。采用微纳米划痕仪测量了含铜颗粒润滑剂的摩擦因数。结果表明：不同压力下两种润滑体系中的十六烷基础油均出现分层现象；纳米粗糙峰直接接触时，接触界面仍存在少量的正十六烷分子，且分子主链的排列方向与剪切方向相同；在200 MPa时铜颗粒使固体壁面的最大应力减小35.3%，提高了润滑体系的承载能力；不含铜颗粒润滑体系润滑油膜在50 MPa时破裂，含铜颗粒润滑体系润滑油膜在200 MPa时破裂；模拟计算的边界润滑状态下两种润滑体系的摩擦因数符合试验测量值。

摆线针轮多齿啮合特性与承载接触分析方法

王永强, 魏冰阳, 徐家科, 杨建军

2023, 34(10): 1151-1158. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.003

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采用包络法推导了摆线轮齿廓方程并进行了齿面接触分析，获得了齿面接触参数；提出侧隙几何学分析的精确算法，解决了传统侧隙算法只能针对等移距修形的缺陷；采用逐齿消隙法求解变形协调方程，避免了常规啮合分析的误差与不确定性，提高了承载接触分析的计算精度和计算效率。给出了齿面接触分析到承载接触分析的完整计算流程，获得了任意转角位置、不同修形方式的精确载荷参数。

高精度微球半径测量模型及圆度评定方法比较

李瑞君, 段刘辉, 赵文楷, 程真英, 范光照

2023, 34(10): 1159-1163,1171. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.004

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提出了一种基于回转轴法和两点法原理的高精度微球半径测量模型，实现了基于半径变化量的微球圆度评定。建立了可以分离主轴跳动误差和计算各测量点对应半径的模型。利用团队开发的基于高精度气浮转台和两个迈克尔逊干涉仪的微球圆度测量系统，对标称直径为300 μm、圆度为250 nm的红宝石球的赤道圆截面进行了扫描测量。将采用所建模型测得的微球半径与采用直径算得的半径进行对比，并通过最小区域法对所测微球圆度进行评定，结果表明：所建模型与传统直径评定方法得到的微球圆度分别为280 nm和403 nm，标准差分别为2 nm和23 nm，所建微球半径测量模型准确可靠，利用所建模型和最小区域法评定出的微球圆度更加准确可靠。所建模型可以方便准确地获得被测微球的半径，可应用于微球圆度准确评定。

电火花机械磨削修整粗粒度成形砂轮试验研究

袁尚勇, 陈根余, 戴隆州, 鲁恩昊

2023, 34(10): 1164-1171. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.005

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粗粒度金属基金刚石砂轮磨削效率高，面形精度保持性好，可以满足各种成形零件的精密加工，但存在因修整困难而难以推广的问题。针对该问题，提出采用电火花机械磨削法修整粗粒度金刚石砂轮。探究了放电参数对修整效率及刀具损耗量的影响规律，并以修整效率为优化目标选取粗修整试验放电参数，以修整精度为优化目标选取精修整试验放电参数。设计了半径为3 mm的凹圆弧、凸圆弧砂轮修整试验，粗修整后凹圆弧、凸圆弧半径分别为2867.510 μm、2919.254 μm，尺寸误差分别为4.43%、2.69%，轮廓精度PV值为54.34 μm；精修整后凹圆弧、凸圆弧半径分别为3005.107 μm、3001.588 μm，尺寸误差分别为0.17%、0.053%，轮廓精度PV值为17.28 μm。最后，磨削碳化硅陶瓷试件，获得凹圆弧、凸圆弧半径的尺寸误差分别为0.24%、0.045%，工件表面粗糙度Ra可达0.463 μm。

激光辅助水射流加工砷化镓晶片微槽的实验研究

段凌云, 黄传真, 刘盾, 姚鹏, 刘含莲

2023, 34(10): 1172-1183. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.006

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对干激光、低压水射流辅助激光和激光辅助水射流技术加工砷化镓晶片微槽进行了对比实验，结果表明，激光辅助水射流技术适合加工砷化镓材料，它能够加工出晶片表面无污染、大深度、小热影响区宽度、大深宽比的高质量微槽，加工表面微观形貌均匀、微裂纹少，优于其他两种加工方式。实验研究了激光辅助水射流加工砷化镓晶片微槽的切割性能，结果表明，加工参数（激光脉冲能量、水射流压力、加工速度、水射流倾斜角度、焦平面位置和加工次数）对微槽深度、微槽宽度和材料去除率具有显著影响。微槽深度、微槽宽度和材料去除率随着激光脉冲能量的增大而增大，随着水射流压力的增大而减小，材料去除率随着加工速度的增大而显著增大。

碳纤维增强碳/碳坩埚预制体柔性缠绕成形系统设计与实验研究

王征, 董九志, 陈云军, 蒋秀明,

2023, 34(10): 1184-1190,1198. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.007

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为解决目前手工增强缠绕碳/碳坩埚预制体无法保证产品一致性及生产效率低下的问题，设计了一种碳纤维增强坩埚预制体柔性缠绕成形系统。基于非测地线法提出了适用于一端平面封头一端椭球封头特殊回转体结构坩埚芯模的线型设计流程，介绍了计算机辅助线型设计的各个模块及实现方法，并对设计线型进行了仿真；根据缠绕特性设计了四自由度专用缠绕机运动机构，基于可编程控制器和触摸屏设计了四自由度缠绕机控制系统，并进行了碳纤维增强缠绕实验。实验结果表明：缠绕机运行稳定，纤维可连续稳定地缠绕在芯模表面，所设计的系统可实现碳纤维增强碳/碳坩埚预制体的自动化缠绕。

振动进给对表面小微结构电解加工流场的影响

王陈, 赵建社, 强智明, 张昌昊, 柳世豪,

2023, 34(10): 1191-1198. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.008

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为研究振动进给对表面小微结构电解加工流场的影响，以薄片表面小微结构为研究对象，建立了电解加工多场耦合仿真模型，对持续进给和振动进给条件下微结构电解加工过程进行仿真，并开展工艺试验，研究了振动进给对流场的影响规律。结果表明，耦合间断放电的振动进给可保证电源开通前电解液更新为电导率分布均匀的初始状态；随着加工深度的增加，振动运动对流场的扰动减弱，而沿程气泡分布趋于均匀；对于加工深度在0～0.5 mm的表面微结构，振幅为0.3 mm、频率为40 Hz的振动进给运动对流场条件改善效果较好，有利于提高薄片表面小微结构电解加工过程稳定性、表面质量以及尺寸一致性。

基于梯度结构的Al2O3/ZrO2陶瓷刀具材料的制备及其力学性能

周后明, 陈皓月, 李神贵

2023, 34(10): 1199-1207. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.009

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采用真空热压烧结方式制备了Al2O3/ZrO2梯度复合陶瓷刀具材料，并对ZrO2含量及梯度结构层厚比进行了优化。层厚比为2.0的AZE20梯度复合陶瓷刀具材料维氏硬度为（18.7±0.33） GPa，抗弯强度为（937±28.5） MPa，断裂韧性为（8.2±0.32） MPa·m1/2，相比最佳ZrO2含量的均质复合陶瓷刀具材料AZ20，维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性分别增加了22%、37.8%和43.8%。梯度结构的设计使表层形成残余压应力，晶粒得到一定程度的细化，更多的ZrO2晶粒因残余压应力尺寸稳定在t相ZrO2晶粒尺寸。在复合材料断口形貌中发现，其断裂方式为表层穿晶断裂和中间层沿晶断裂的结合，这种混合断裂方式使刀具整体力学性能得到提高。

光伏跟踪支架檩条结构高刚性轻量化设计

董小虎, 王士涛, 周德淳

2023, 34(10): 1207-1213. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.010

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在太阳能光伏跟踪支架系统中，冷弯型檩条结构被用于支撑光伏板，安装位置介于主梁与边框之间。首先构建以结构柔顺度最小为设计目标、单元相对密度为设计变量、体积与一阶固有频率为约束的拓扑优化数学模型，基于SIMP法获得檩条结构的最优布局构型，在此基础上，对拓扑优化构型进行工程化设计，并制造加工出相关结构。然后根据太阳能光伏跟踪支架实际服役于不同风速荷载下的环境，设计分步测试载荷工况，分别对优化前后的檩条结构进行静动态仿真分析，由仿真结果可知优化后的檩条结构在抗弯、抗扭性能以及固有频率方面均得到了提高，从而验证了优化设计方法的有效性。最后采用实验测试方法对优化设计后的檩条结构性能进行验证。研究结果表明，在机械性能明显增强的前提下，檩条结构实现了减重8.8%。

轻质铝合金轮毂分级淬火形性调控策略

池慧, 燕猛, 项鹏飞, 徐正琦, 安子军, 黄华贵,

2023, 34(10): 1214-1219,1229. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.011

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为实现轻质铝合金轮毂的热处理变形精准调控，提出了喷淋+入水的新型分级区域淬火新工艺，通过搭建铝合金轮毂分级热处理试验平台及设计轮毂端面变形检测装置，对轻质铝合金轮毂热处理变形特性进行了详细分析。研究结果表明，轮毂内/外轮缘端面变形特性受轮毂结构刚度的影响，内轮缘变形呈现与外轮缘随动的变形特征；受轮毂换热不均匀、内部组织缺陷等影响，整体变形呈现一定的随机特性。在喷淋+入水的新型分级区域淬火新工艺下，轮毂典型监测点力学性能、硬度指标满足国标要求，轮毂外轮缘端面变形最大减幅达41.5%，新工艺可有效改善轻质铝合金轮毂的热处理轮毂端面变形情况。

镀锌量对低合金钢/5052铝合金感应静压焊接头微观组织与力学性能的影响

高恺, 李坤, 顾红历,

2023, 34(10): 1220-1229. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.012

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运用感应静压焊接技术制备了三种不同镀锌量低合金钢与铝合金的搭接接头，研究不同镀锌量对感应静压焊接头界面连接状态、微观组织形貌以及力学性能的影响规律。结果表明，三种不同镀锌量搭接接头连接界面较平直，连接质量良好。接头中间界面区由靠近钢侧的Fe2Al5和靠近铝侧的FeAl3组成。对比三种不同镀锌量接头微观组织发现，Zn元素能改善钢铝界面初始润湿机制，强化低合金钢与铝合金之间的连接效果，提高搭接接头力学性能。当使用镀锌量为140 g/m2的低合金钢板进行焊接时，在焊趾位置发现了明显的富锌区缺陷，导致接头剪切性能急剧下降。低合金钢板与铝合金的搭接接头的剪切性能随着镀锌量的增加呈现出先提高后降低的趋势，挑选厚度适中的镀锌层对提高接头力学性能具有重要意义。

TA2/Q235B复合板去应力退火过程板形翘曲的机制及影响因素

王瑞, 赵志敏, 黄晶, 刘鑫, 冀相云, 苏春建

2023, 34(10): 1230-1240. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.013

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为探究TA2/Q235B复合板去应力退火过程板形翘曲的机制及影响因素，进行Gleeble热模拟实验，获得了TA2、Q235B材料在不同工况下的真实应力与应变。采用数值方法确定了TA2和Q235B的JC本构模型参数，并结合温度、外载荷等边界条件建立了去应力退火的有限元仿真模型，采用热处理实验验证了所建立模型的准确性。结果表明一定的张力载荷可改善应变分布状态，但过大的张力载荷会导致残余应变局部集中，复合比与总厚度均会影响应力分布进而影响应变状态。

一种新型商用车驾驶室多轴道路虚拟试验研究

周松, 陈宇, 董红亮, 高翔, 申娟, 周佳, 万鑫铭

2023, 34(10): 1241-1250. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.014

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为了提高商用车驾驶室多轴道路模拟试验台的控制精度，精确复现路谱采集信号，提出了一种基于运动学与动力学分析的驾驶室多轴道路虚拟试验台控制策略。依据机构学原理描述了试验台的结构，并进行了运动学分析和计算，利用位姿反解算法及含雅可比矩阵正解算法进行了闭环反馈的自由度解耦。实测驾驶室相关参数并与ADAMS软件相结合建立了驾驶室、部分车架及试验台的刚柔耦合多体动力学模型，创建Femfat-lab、MATLAB/Simulink和ADAMS软件接口进行自适应联合仿真计算，实现了试验台的自由度解耦控制。将多轴虚拟试验台与实车试验内部响应信号相结合，选择信噪比较高的信号为目标信号进行迭代分析，获取实车位置等效位移激励。选取典型的比利时路面载荷谱作为模型输入条件，从而重现与道路试验相结合的真实路谱。研究结果表明，与室内道路模拟试验台架及常规虚拟迭代结果相比，驾驶室采用多轴虚拟试验台的迭代次数明显减少，得到的时域、频域响应信号与目标信号的变化趋势相吻合，且各通道相对误差均方根值（RMS）均小于设定值，迭代精度高，从而验证了所提方法的可行性，为后续驾驶室疲劳寿命预测提供了可靠的载荷谱。

轮毂电机驱动越野车原地转向控制

付翔, 刘泽轩, 刘道远, 李东园,

2023, 34(10): 1251-1259. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.015

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针对基于阿克曼转向的越野车最小转弯半径大、转向机动性不足的问题，利用轮毂电机驱动车辆转矩独立可控的优势，开发了路面自适应的原地转向控制策略。构建整车七自由度原地转向动力学模型，阐释原地转向过程中纵横向耦合运动轮胎力的演变规律，建立原地转向阻力矩和横摆力矩随车轮滑转率、路面附着系数变化的量化模型。以转向动力响应性为优化目标设计了不同附着条件下的横摆角速度期望轨迹，并以各轮滑转率安全阈值作为稳定性约束以减小转向中心偏移量，执行层基于模型预测算法进行横摆角速度的跟踪控制，同时引入自适应滑模控制器反馈调节车轮滑转率以确保纵横向运动的稳定性。仿真测试与实车试验表明，开发的原地转向控制策略在高、中、低附路面下均实现了期望原地转向轨迹的精确跟踪，并将转向中心偏移量限制在500 mm以内，提高了越野车原地转向灵活性和横向稳定性，实现了“既快又稳”的原地转向。

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2023, 34(10): 1260.

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