中国机械工程

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2023, 34(23): 0.

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基于闭环辨识模型的永磁同步直线电机分数阶反馈控制方法

钟永彬, 高健, 冯富原, 张揽宇,

2023, 34(23): 2773-2780，2793. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.001

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为了提高永磁同步直线电机（PMLSM）的跟随精度，提出了一种基于闭环辨识模型的分数阶反馈控制方法，通过对反馈控制系统误差幅值特性进行特定分数阶次形式的精准调节来有效抑制PMLSM的跟随误差。该方法推导了PMLSM闭环辨识模型，通过误差幅值特性分析，确定了分数阶超前-滞后补偿器参数选定方法，以实现分数阶反馈控制系统对PMLSM控制频域特性的准确描述，进而提高PMLSM辨识精度及控制性能。采用所提方法在PMLSM龙门运动平台上进行辨识方法和不同运动规划的跟踪实验及圆轨迹运动实验的验证，实验结果表明，该闭环辨识方法能有效抑制外界对辨识信号的干扰，所建立的闭环辨识模型准确性高；相较于PID控制方法，所提分数阶反馈控制方法能够大幅减小PMLSM跟随误差，对于不同运动规划，跟随误差的均方根误差值减小至少82.47%，验证了所提方法可有效提高PMLSM跟踪精度。

碳玻混杂复合材料单钉单剪螺栓连接结构失效模式及渐进损伤分析

朱福先, 仇刚, 朱兴民, 徐先宜, 周金宇

2023, 34(23): 2781-2793. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.002

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采用试验和数值模拟相结合的方法，研究碳玻混杂复合材料螺栓连接结构的失效载荷、失效模式及其渐进损伤过程。基于ABAQUS平台建立了36种不同宽径比（W/D）、端径比（E/D）连接结构的有限元模型。根据三维Hashin失效准则和三维Chang-Chang失效准则，结合连接结构的拉伸试验，分析了结构尺寸E/D、W/D对失效载荷和失效模式的影响，探讨了不同失效模式下的渐进损伤过程。研究结果表明，一定混杂比的碳玻复合材料螺栓连接结构的失效主要有挤压失效、剪切挤压混合失效、拉伸失效三种模式;连接结构的结构尺寸E/D、W/D对结构的失效载荷和失效模式影响较大;连接结构的挤压失效模式是层合板在螺栓孔挤压边轴线位置发生基体挤压损伤，并沿轴线方向呈扇形向外扩展至结构失效；剪切挤压破坏模式是层合板在螺栓孔至端面处发生大量纤维和基体的拉伸损伤，伴随螺栓孔受压边基体挤压损伤，形成豁口至结构失效；拉伸失效模式是层合板在螺栓孔上下位置发生纤维和基体拉伸损伤，并沿横向扩展至层合板上下边缘至结构失效。

四点接触球轴承钢球-沟道多点接触成因分析

王亚涛, 邱明, 张家铭, 王会杰

2023, 34(23): 2794-2804. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.003

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针对四点接触球轴承钢球与沟道间发生多点接触引起轴承过早失效的问题，以QJ214四点接触球轴承为研究对象，建立了钢球-沟道接触模型，分析了结构参数及工况参数变化时钢球-沟道发生多点接触的成因。研究结果表明，内外圈沟道曲率半径系数或内外垫片厚度的增大可使钢球-沟道接触状态由三点接触转变为两点接触，再转变为三点接触；恒定转速时，轴向载荷的减小可使钢球-沟道接触状态由两点接触转变为三点接触；转速及轴向载荷均恒定时，径向载荷的增大可使部分钢球-沟道接触状态由两点接触转变为三点接触，再转变为四点接触。研究成果为避免四点接触球轴承在运转过程中发生多点接触而引起的猫眼圈磨损失效提供了参考。

动压辅助非牛顿流体抛光工具设计与工艺研究

张其聪, 姜晨, 叶卉, 申岭鑫, 矫梦蝶

2023, 34(23): 2805-2811，2823. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.004

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针对非牛顿流体磨盘抛光材料去除率较低且不均匀的问题，开展动压辅助非牛顿流体抛光工具设计与工艺研究。通过增加压力可控的中心供液，形成动压液膜，实现动压辅助非牛顿流体抛光工具设计；分析填充材料Silly-putty力学特性，对传统磨盘抛光工况进行数值仿真；基于FLUENT分析动压辅助后抛光工具供液压力对加工区域液膜动压场、总压场和速度场的影响；基于Preston假设构建材料去除函数模型。对304不锈钢工件展开抛光工艺验证实验，结果表明：通过压力可控中心供液，可有效提高材料去除率及其均匀性；当供液压力为0.8 MPa、转速为1200 r/min、进给速度为6 mm/s时可获得最佳表面粗糙度（Ra=19 nm）和材料去除率（2.431 mg/min）。实验结果证明，动压辅助非牛顿流体抛光工具可有效提高抛光质量与效率，改善材料去除均匀性。

齿面摩擦和几何偏心对含变位直齿轮啮合刚度的影响研究

郝壮壮, 张庆春, 胡云波, 郭宜斌, 王东华, 李玩幽

2023, 34(23): 2812-2823. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.005

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以含变位的渐开线直齿轮副为研究对象，基于能量法建立了包含非线性赫兹接触刚度、真实的齿廓型线和基体刚度耦合效应的齿轮啮合刚度计算模型。考虑齿轮变位的影响，修正了啮合刚度计算中齿廓型线、基圆半角和齿根圆半角的计算公式；修正了考虑齿面摩擦时的基体耦合刚度模型；推导了考虑几何偏心的齿轮啮合点压力角模型。研究了变位、齿面摩擦和几何偏心对啮合刚度的影响规律。结果表明，变位齿轮副的中心距、啮合刚度幅值、重合度都有着较大变化；由于变位，一对相互啮合的齿轮齿面摩擦力方向改变的时刻不再是发生在单齿啮合区间，进而影响齿轮啮合刚度特征；几何偏心会使啮合刚度峰-峰值增大，同时啮合刚度频域中出现以转频为间隔的边频，当主从动轮都存在偏心时会出现以转频之差为间隔的边频；综合考虑三种因素作用，可显著影响齿轮啮合刚度特性。研究结果为进一步研究变位齿轮动力学提供了参考。

阵列变截面球槽结构电解加工流场设计及试验研究

严丁虎, 赵建社, 张昌昊, 高伟正, 朱寅,

2023, 34(23): 2824-2831. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.006

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变截面球槽结构表面硬度高、三维形状复杂，采用电解加工具有较好的技术经济优势，但其加工精度和加工稳定性受流场影响比较明显。为提高电解液流场均匀性，基于流场仿真分析探讨了通液方式、流道结构对流场分布的影响规律，并开展了电解加工试验研究。仿真和试验结果表明：采用定向流道供液的分域通液方式有利于提高流场稳定性和流速分布一致性，可以有效提高工艺稳定性；优化出入口流道结构可以进一步提高球槽表面质量，能够满足加工稳定性和加工精度要求。

动力学仿真数据驱动的域自适应智能诊断方法

于树博, 刘占生, 赵辰

2023, 34(23): 2832-2841. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.007

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高质量标记数据是基于深度学习的故障诊断方法有效性的重要保障，然而在实际中难以获取大量工业标记故障案例，导致模型的泛化诊断能力弱。针对该问题，提出了动力学仿真数据驱动的域自适应智能诊断方法，该方法考虑仿真数据与实际数据的本质差异，引入了一种特征分离网络域自适应诊断模型，在传统的域自适应模型基础上增加了目标域独有特征提取器以显式分离实际数据中的环境噪声等特征，增强域不变故障特征表示和聚类能力。提出了将域共享特征提取器诊断结果用于域独有特征提取器模型参数的训练策略，进一步提高模型的训练稳定性。采用凯斯西储大学轴承数据集测试了所提方法的诊断性能，结果表明诊断准确率和特征提取及聚类能力均优于其他对比迁移方法，并经验性地分析了模型超参数敏感度。

基于集成学习和改进粒子群优化算法的流程制造工艺参数优化

刘孝保, 严清秀, 易斌, 姚廷强, 顾文娟

2023, 34(23): 2842-2853. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.008

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针对流程制造过程中工艺过程复杂、多工序耦合严重、工艺参数优化困难等问题，提出一种基于长短期记忆（LSTM）神经网络、极限梯度提升（XGBoost）算法和改进粒子群优化（IPSO）算法的多工序工艺参数融合优化方法。基于LSTM神经网络建立了数据预处理模型，通过LSTM神经网络提取流程工艺数据的时序特征，进而实现了对工艺数据中异常值的处理。在此基础上，通过XGBoost算法拟合工艺参数与质量指标间的非线性关系，并结合粒子群算法构建了PSO-XGBoost质量预测模型，再将预测模型的输出作为适应度，调用改进粒子群算法反向搜索全局最优工艺参数，得到各工序的最优工艺参数组合，从而实现了流程制造加工质量的融合优化。以某企业的一条流程生产线为例，验证了多工序工艺参数融合优化模型的有效性。

基于位错叠加法和改进概率神经网络的离心泵故障诊断方法

陈剑, 许畅, 徐庭亮,

2023, 34(23): 2854-2861. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.009

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提出了一种基于位错叠加法和改进概率神经网络的离心泵故障诊断方法以解决现场强背景噪声下基于离心泵声辐射信号的在线故障诊断问题。首先利用位错叠加法对采集的离心泵声辐射信号进行降噪处理，增强声辐射信号中的故障信息，提高信噪比；然后提取声信号时域特征以构造时域特征矩阵，通过主成分分析法对获得的时域特征矩阵进行降维处理，将降维后的信号作为机器学习概率神经网络的输入；同时用哈里斯鹰优化算法来优化概率神经网络参数得到诊断模型，继而用改进的概率神经网络对离心泵故障进行模式识别，并与多种诊断方法进行比较。实验结果表明：位错叠加法能够突出信号特征、实现信号增强，改进的概率神经网络具有良好的离心泵声辐射信号在线故障诊断能力。

TC11钛合金整体叶轮铣削加工表面完整性研究

吴泽刚, 侯永峰, 苗清, 李靖, 张定华, 罗明,

2023, 34(23): 2862-2872. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.010

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考虑叶轮真实加工参数，探究了切削速度、每齿进给量、行距、切深、冷却液对整体叶轮叶片的表面完整性（包括表面粗糙度、表面形貌、表面显微硬度、金相组织、残余应力）的影响。结果表明：行距和每齿进给量对叶片表面粗糙度影响最大，行距和每齿进给量越小，叶片表面粗糙度越小，当行距从0.3 mm减小至0.16 mm时，平均粗糙度Ra从0.64 μm减小至0.48 μm，当每齿进给量从0.1 mm减小至0.06 mm时，平均粗糙度从0.62 μm 减小至0.4 μm；行距和每齿进给量对表面形貌影响最为明显，随着行距和每齿进给量的增大，叶片表面的残留高度增大；切削参数选取相对合理，叶片表面没有产生划痕、划伤和毛刺等缺陷；在合理的参数条件下，叶片表面的力热水平较低，使得叶片表面的显微硬度变化不明显，各切削参数下表面平均硬度在335HV左右浮动，同时也没有产生区别于基体的变质层；叶片表层残余应力均表现为压应力，行距、切深对残余应力的影响较小；随切削速度和每齿进给的增大，表层压应力先增大后减小，沿深度方向表现出先微弱减小再增大到峰值最后到达基体的趋势，平行和垂直进给方向上最大残余应力分别可达275 MPa和400 MPa；水基冷却液在加工表层达到远大于油基冷却液的残余压应力，但残余应力在深度方向下降明显。

面向航空航天的薄壁锥形筒件轧制成形过程几何状态综合控制方法

谢涵, 汪小凯, 韩星会, 华林, 张科, 郑戈飞

2023, 34(23): 2873-2880. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.011

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针对航空航天薄壁锥形筒件轧制过程几何变形状态难以控制的问题，研究了薄壁锥形筒件轴线偏移、轴线倾斜、小端拉缩三种典型异常变形状态及形成机理，提出了基于筒件线速度反馈的锥辊运动协调控制方法，建立了锥形筒件轧制过程锥辊运动控制模型；提出了薄壁锥形筒件坯料优化设计方法，并建立了相应的芯辊倾斜进给控制策略，保证了锥形筒件直径长大速度的一致性，消除了因金属轴向和周向流动不匹配导致的小端拉缩现象；基于ABAQUS软件和VUAMP子程序开发，建立了集成所提控制方法和策略的薄壁锥形筒件轧制有限元模型。对比分析了常规规划控制、上述方法独立控制和综合控制下的筒件轧制成形效果，结果表明，综合控制方法下的轴线偏移量、圆度误差、同心度误差和倾斜角误差等指标相比于常规规划控制在整圆阶段内分别降低了93.6%、75.3%、95.1%、97.2%。

考虑轮胎载荷转移影响的复合式胎压监测补偿修正方法

唐先智, 张晓壮, 郝少澎, 王波, 张宇

2023, 34(23): 2881-2888. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.012

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车辆在加速和爬坡时会产生载荷转移，导致胎压监测结果受到干扰，针对该问题，提出了基于轮胎载荷的胎压监测结果补偿修正方法。基于双重无迹卡尔曼滤波对车辆质量和质心位置进行了双重估计，采用递推最小二乘法（RLS）进行了坡度识别。利用轮胎转毂试验台进行试验，得到载荷、车速、胎压和轮胎下沉量的数据，拟合了载荷、车速、胎压与轮胎下沉量的关系表达式。利用坡度识别，通过车辆质量和质心位置的估计，计算四轮独立载荷，修正相应的轮速脉冲。试验结果表明：没有载荷修正的胎压计算值存在20%的稳定误差和大幅度波动；加入载荷修正，虽有一定的迟滞性和波动，但会很快收敛到真实值，稳定误差在5%以内，解决了因载荷变化导致胎压估算不准确的问题。

基于反馈线性化与非线性扰动补偿的液压型风电机组有功功率控制研究

陈立娟, 吴蝶, 高伟, 魏龙正, 曹晟维, 艾超, 李景彬

2023, 34(23): 2889-2897. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.013

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液压型风电机组并网后不能直接发电，需要对有功功率进行控制，而风能具有随机性和波动性，导致该系统具有时变性和非线性，故需解决外部扰动下风机有功功率的精准控制。采用反馈线性化解决液压主传动系统非线性问题，采用非线性扰动观测器快速精准观测外部扰动对系统输出功率的影响，设计了不匹配扰动下的有功功率补偿控制器，精确补偿扰动对系统输出功率的影响，最终得到了液压型风电机组有功功率控制策略。基于30 kV·A液压型风电机组半物理模拟实验平台，使机组输出有功功率能够精准跟随目标转速变化，有功功率绝对误差为±0.05 kW，稳态误差在3%～5%范围内。

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2023, 34(23): 2898.

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