中国机械工程

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2023, 34(11): 0.

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采用曲面综合法的复杂齿面微分修形与拓扑结构设计

魏冰阳, 古德万, 曹雪梅, 杨建军,

2023, 34(11): 1261-1267，1279. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.001

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针对高减比准双曲面(HRH)齿轮空间曲面极端扭转、曲率修正难度大的问题，提出了刀具双向修形点接触齿面修正方法。利用ease-off曲面综合法、齿面微分修形、拓扑结构精益化设计，实现了点接触齿面啮合质量的精确控制。建立了曲面综合法齿面微分精益化设计计算流程，给出了轻修形、内对角重修形、内对角轻修形三种拓扑结构设计形式；利用齿面承载接触分析（LTCA）方法，对比了上述三种形式的齿面啮合刚度、传动误差及载荷分布特性，其中内对角轻修形方式的接触性能最好。进行了HRH齿轮动态啮合性能试验，齿面接触斑点检验了点接触齿面ease-off梯度特征。研究结果表明，实测振动特性变化规律与啮合刚度、承载传动误差（LTE）理论仿真分析一致。齿轮在较宽转速与载荷范围运转平稳，验证了所设计HRH齿轮的齿形关系正确，微分精益化修形控制良好。

接触式机械密封外圆周织构强化换热机理研究

余旻丰, 彭旭东, 孟祥铠, 梁杨杨

2023, 34(11): 1268-1279. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.002

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冲洗是强化机械密封换热的主要措施之一，但在一些特殊场合下冲洗量的大小往往是给定的，因此，需要采取一些强制换热措施来改善机械密封的运行环境。通过在密封环的外周面开设织构，针对冲洗量一定的情况，基于SST k-ω湍流模型，采用Ω方法分析了不同转速下织构深径比对端面温度、外周面局部努塞尔数Nu和织构区域流场的影响，对比研究了动环织构和静环织构的换热机理。研究结果表明：在相同工况、冲洗量和织构几何参数条件下，若动静环外周面单独开设织构，则动环的换热效果更佳。在相同转速下，动环外周面开设织构时，减小深径比会使织构内部换热效果差的区域增大，换热效果减弱，但对于静环织构，减小深径比会使织构流体流动下游侧换热效果差的区域减小，换热效果增强；随着转速的增大，较小深径比动环织构内部出现了新的差换热效果区域，单位面积换热强度显著下降。因此，为获取较优的换热效果，在低转速下宜选取小深径比织构，而在高转速下应选取大深径比织构。

纵向超声辅助螺旋磨削Ti3Al微孔的磨削力模型研究

高国富, 王得宇, 潘贤荣, 乔淮, 浮宗霞, 向道辉, 赵波

2023, 34(11): 1280-1286. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.003

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为建立超声辅助螺旋磨孔过程中磨削力的预测模型，充分发挥磨削力在Ti3Al微孔磨削工艺参数优化中的指导作用，基于切屑断面面积理论，分析了超声振动下切削变形力和摩擦力的变化，建立了超声螺旋磨孔的磨削力模型。搭建超声辅助螺旋磨削Ti3Al微孔实验平台，采集磨削力数据并与所建模型进行验证。研究结果表明，磨削力随着主轴自转速度的增大而减小，并随着进给速度的增大而增大；当超声振幅由0增大至1.6 μm时，平面磨削力和轴向磨削力分别减小了27.2%和28%。超声螺旋磨孔磨削力模型的预测结果与实验数据显示出良好的一致性，数值误差保持在20%以内，为超声辅助螺旋磨削Ti3Al微孔的工艺参数优化提供了理论依据。

磁气负载比对箔片磁力混合轴承支承特性及转子动力学特性的影响

雷新沛, 冯利博, 张航, 冯凯

2023, 34(11): 1287-1295,1305. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.004

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箔片磁力混合轴承是一种能降低箔片轴承起飞前的摩擦损耗且可改善磁轴承高速时的承载和动力学性能的新型高性能主动控制型轴承。提出了一种箔片磁力混合轴承的设计方法，设计并搭建箔片磁力混合轴承支承特性实验台和箔片磁力混合轴承转子实验台，实验探究了磁气负载比（即气体箔片轴承和主动磁轴承之间的载荷分配比）对箔片磁力混合轴承支承特性和转子动力学特性的影响。实验结果表明：箔片磁力混合轴承比箔片轴承的总体静态刚度和刚度变化率有所提高。箔片磁力混合轴承结构刚度随频率的提高而增大，等效黏性阻尼随频率的提高呈现先降后增的趋势。此外，合适的负载比可以降低起飞转速，改善摩擦损耗，抑制次频振，有利于提高转子的高速稳定性。

兼顾时频域特征量提取的非线性油气悬架参数识别

伍建伟, 孙蓓蓓, 江秋博, 陈林

2023, 34(11): 1296-1305. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.005

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针对完全基于时域或完全基于频域的非线性参数识别方法的局限性，提出了一种兼顾时频域特征量提取的非线性油气悬架参数识别方法。在建立含非线性油气悬架车辆动力学仿真模型的基础上，采用快速傅里叶逆变换法获得标准路面不平度等级的输入激励，结合小波分析和滤波处理提取实验结果的时频域特征量，构建非线性油气悬架参数识别的优化模型，通过最小化仿真结果与实验结果在时频域的特征量，实现了非线性油气悬架参数在实际工况下的准确识别。识别的定量与定性分析表明了识别结果的准确可靠。通过将路面时域建模技术、小波滤波技术和优化模型构造方法与模拟退火算法的有机结合，为非线性悬架系统的参数识别提供了一种有效可靠的方法。

线性液动压抛光加工的流场特性研究

傅远韬, 文东辉, 孔凡志, 淦作昆, 成志超,

2023, 34(11): 1306-1314. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.006

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分析了线性液动压抛光加工中液流对工件表面的作用形式，推导了黏性切应力和液动压力数学模型。对线性液动压抛光流场进行了数值模拟，剖析了抛光辊子尺寸以及抛光工艺参数对液动压和黏性切应力的数值及分布均匀性的影响规律。研究结果表明：液动压力和黏性切应力数值随辊子直径和辊子转速的增加而增加，与此同时其分布均匀性反而下降；抛光间隙值越小，液动压力和黏性切应力数值越大，且其分布均匀性越好。最后采用自制的线性液动压抛光实验平台，以K9玻璃为实验对象，探究了抛光加工表面形貌和表面粗糙度的创成过程。

精细广义复合多元多尺度反向散布熵及其在滚动轴承故障诊断中的应用

郑近德, 陈焱, 童靳于, 潘海洋

2023, 34(11): 1315-1325. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.007

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多尺度反向散布熵能够有效度量时间序列的复杂性，但在粗粒化构造上存在缺陷，且在表征滚动轴承非线性故障特征时缺乏对其他通道同步信息的有效利用。为了准确提取轴承信号的故障特征，结合精细化和广义复合多尺度的思想，将表征同步多通道数据多变量复杂度的多变量熵理论应用到轴承故障诊断中，提出了精细广义复合多元多尺度反向散布熵（RGCMvMRDE）。在此基础上，提出了一种基于RGCMvMRDE与引力搜索算法优化支持向量机（GSA-SVM）的滚动轴承故障诊断方法。首先，利用RGCMvMRDE全面表征滚动轴承故障特征信息，构建故障特征集；其次，采用GSA-SVM对故障类型进行智能识别；最后，将所提方法应用于滚动轴承实验数据分析，并将其与现有基于多尺度反向散布熵、广义多尺度反向散布熵和精细复合多元多尺度排列熵的故障特征提取方法进行了对比。研究结果表明，所提RGCMvMRDE不仅能够有效和精准地诊断轴承的不同故障类型和故障程度，且诊断效果优于上述对比方法。

关联规则挖掘驱动的盾构机刀盘健康评估方法

刘尧, 陈改革, 刘振国, 孔宪光, 常建涛

2023, 34(11): 1326-1334,1342. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.008

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传统机理建模研究与实际施工环境误差较大，而数据驱动建模多采用黑箱模型，不利于知识发现与理解，为此提出一种基于知识挖掘的盾构机刀盘健康评估方法。针对盾构掘进数据维数众多、海量异构、强噪声干扰等特点，结合盾构掘进领域知识与机器学习算法提出针对性的数据预处理、特征筛选以及连续特征离散化方法，以此建立知识挖掘数据集。在此基础上，利用关联规则挖掘算法提取关键特征与不同刀盘健康状态之间的映射关系，采用融合可靠度、完整度与简洁度的综合评价指标适应度准则对原始规则进行评价排序，最终实现盾构机刀盘健康评估。基于厦门地铁3号线某掘进区间的实际工程数据对所提方法进行了应用验证。研究结果表明，所挖掘的知识规则与实际数据分布具有良好的吻合度（平均值93%以上），验证了该方法的有效性。

基于摩擦补偿的两轴直驱伺服进给系统自适应非线性滑模轮廓控制

金鸿雁, 王磊, 赵希梅

2023, 34(11): 1335-1342. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.009

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为满足两轴直驱伺服进给系统的高精度加工要求，提出一种基于摩擦补偿的自适应非线性滑模轮廓控制(ANSMCC)方法，以兼顾加工精度和响应速度要求。建立适用于大曲率轮廓加工的等效轮廓误差模型，同时考虑系统中存在的不确定性动态的影响，建立准确且能实时补偿的改进LuGre非线性摩擦力动力学模型。为提升两轴直驱伺服进给系统轮廓性能，设计基于非线性滑模面的ANSMCC方法，其中非线性滑模面包含轮廓误差分量，通过改变非线性滑模面中增益矩阵值的大小可实时改变系统的阻尼比，从而协调轮廓误差与系统响应速度的关系。实验结果表明，所提方法可以克服系统运行过程中不确定性动态的影响，准确跟踪大曲率轮廓曲线，提高轮廓加工精度。

红外热源辅助开放空间工业机器人熔融沉积成形装备设计与成形性能研究

杨飞, 蒋威, 陈诚, 黄志高, 周华民,

2023, 34(11): 1343-1352,1385. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.010

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针对开放空间工业机器人熔融沉积成形（FDM）的关键问题，研发了基于6轴关节型机器人的FDM设备及控制系统。自主设计了可辅助加热的打印头，开发了打印控制系统和机器人控制系统。通过提出打印头挤出速度和机器人运动的同步匹配方法，实现了机器人FDM装备的稳定工作。然后提出了红外热源辅助工业机器人FDM成形方法，通过工艺试验研究了辅助热源参数对制件宏观力学性能和表面粗糙度的影响规律，通过微观结构表征分析了增强机理。研究结果表明：在开放空间环境下，红外热源可有效提高基材温度，显著增强分子链在股线界面处的扩散缠结、提高界面结合强度，使得层间结合强度增大17.6%、制件表面粗糙度降低58%，验证了红外热源辅助开放空间工业机器人熔融沉积成形方法的可行性和高效性。

电场驱动喷射沉积微3D打印高分辨率氮化铝陶瓷基电路

于志浩, 张广明, 李红珂, 段培开, 于尊, 台玉平, 李汶海, 许权, 赵佳伟, 兰红波

2023, 34(11): 1353-1363. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.011

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现有技术在高分辨率高密度电路的低成本批量化制造上仍然面临巨大挑战，无法满足陶瓷基电路对高频、高速、高密度集成的要求。提出了一种结合牺牲层的电场驱动喷射沉积微3D打印高分辨率氮化铝陶瓷基电路的新方法,该方法利用牺牲层克服了因陶瓷表面粗糙导致的射流不稳定问题，并借助牺牲层表面疏水特性进一步缩小线宽，实现了高分辨率电路的制造。实验研究了打印参数（电压、气压、打印高度、打印速度）、牺牲层以及烧结工艺对打印银线线宽和形貌的影响并优化了工艺参数。最后，使用含银量70%（质量分数）的导电银浆结合优化的工艺参数，在氮化铝基材表面实现了多种复杂电路图案制造，包括线宽/线距为2/3的高密度高分辨率电路图案以及目前已报道的最小线宽为8.1 μm的导电银线。研究结果表明，结合牺牲层的电场驱动喷射沉积微尺度3D打印氮化铝陶瓷基电路新方法可为小型化、高功率陶瓷基集成电路低成本批量化制造提供有效途径。

辐照环境下新型气动位置传感器压力响应特性研究

向柔潼, 王时龙, 周杰, 易力力

2023, 34(11): 1364-1371. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.012

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通用气动位置传感器敏感及转换元件涉及电子元器件，无法应用于辐照环境。针对辐照环境下位置传感器的应用问题，提出了一种新型气动位置传感器方案，通过监测对应部位内流场数值变化判断被测件是否达到预设位置。但该方案存在压力响应滞后的问题，导致被测件位置反馈出现滞后现象，因此准确预估滞后响应对传感器的位置补偿并提高位置检测精度至关重要。分析了气动位置传感器的内部流动，建立了压力响应预测模型，通过正交试验揭示了各工程变量对预测模型中系数和响应时间的敏感性，采用仿真对系数进行了进一步拟合。研究结果表明，建立的压力响应预测模型最大响应时间误差在0.01 s以内，当最大速度为100 mm/s时，重复定位误差在1 mm以内，预测模型能满足位置滞后量测量要求。

连续切换轮系下变尺寸物料的传输模型与路径规划

唐炜, 孙宇, 顾金凤, 陈远

2023, 34(11): 1372-1385. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.11.013

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传统物流设备大多存在传输方式单一、线路柔性调整困难等问题。面向一种呈蜂窝状布局形式的模块化物料传输平台，在三轮模型与牛顿欧拉动力学的基础上，基于全向轮系分别推导了适用于变尺寸物料传输的运动学通用模型与动力学通用模型，以确保传输的准确性和平稳性。将融合生成的改进势场蚁群(IACSPF) 算法用于物料传输路径规划，提高了算法收敛速度并能避免陷入局部最优。最后通过仿真及实验对不同尺寸物料的传输轨迹、速度及路径规划进行了验证分析。研究结果表明，变尺寸物料能以最优路径稳定地传输至目标点附近，轨迹与速度均值的相对误差分别小于4.27%和8.33%，规划路径的长度、时间及拐点数优化率分别为20.77%、55.39%、73.33%，且安全距离较大，验证了所建通用传输模型的合理性以及IACSPF算法的有效性。

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2023, 34(11): 1386.

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