中国机械工程

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2024, 35(01): 0.

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超疏水表面加工技术及耐磨性能研究进展

黄云, 黄建超, 肖贵坚, 刘帅, 林瓯川, 刘振扬

2024, 35(01): 2-26. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.001

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当前制备的超疏水表面耐磨性能普遍较差，因而其在各领域的应用受到限制。研究表明微纳结构和低表面能是实现功能表面超疏水性能的关键因素，因此，首先基于超疏水表面作用机制，对超疏水表面织构进行了归纳，旨在通过优化表面织构来解决微纳结构易磨损难题；然后对超疏水表面加工技术进行了梳理总结，从成本和效率两个方面分析了降低表面能的措施，为拓展超疏水表面加工体系提供思路；进而详细总结了超疏水表面耐磨性的分析手段，并阐述了提高超疏水表面耐磨性的方法；最后，展望了耐磨性超疏水表面的未来发展前景，以期推动超疏水表面在工程中的大规模应用。

氢电-锂电通勤飞机分布式推进系统匹配设计

王宇, 伍庭佳, 李湘, 余雄庆,

2024, 35(01): 27-35. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.002

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针对通勤类飞机总体设计参数和飞行任务剖面需求，根据氢电锂电推进系统架构方案，提出了推进系统参数匹配方法和能源动态平衡管理策略。以19座级通勤飞机作为验证对象，对其动力装置和储备能源进行了选型和管理研究。根据选型的分布式推进气动布局方案，进一步采用全析因试验设计方法分析了螺旋桨转向对飞机气动特性的影响，获得了有利于飞机巡航状态的螺旋桨转向配置方案。

无传动间隙的3K行星齿轮减速器设计

王慰军, 杨桂林, 杜庆皓, 陈庆盈,

2024, 35(01): 36-44,55. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.003

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3K行星齿轮减速器的啮合齿轮副存在齿侧间隙，使得传动链中引入了传动间隙，导致传动精度降低以及换向冲击。为消除3K行星齿轮减速器的传动间隙，利用3K行星齿轮传动中行星架不参与力矩传递的特性，提出了一种柔性行星架以消除传动间隙，并通过仿真分析验证了所提消隙机构的有效性。通过配齿及效率优化实现了高效的正向和反向传动。研制样机并进行了传动精度、滞回特性、正弦响应误差、正向传动效率、反向传动效率以及反向启动扭矩测试，结果验证了所提柔性行星架对消除3K行星齿轮减速器传动间隙、提高传动精度和传动效率以及提高反向传动性能的有效性。

重复使用飞行器分布式连接结构振动及疲劳研究

沈民民, 史锐, 郭鹏飞, 杨旸, 杨晓东, 杨继厚

2024, 35(01): 45-55. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.004

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准确计算重复使用飞行器与发动机之间分布式连接结构的振动特性及疲劳寿命是确保航天运输系统安全运行的前提和基础。以分布式连接结构为研究对象，用实验验证了有限元仿真方法的可行性，从时域和频域探究了分布式连接结构的振动特性，计算了不同工况下分布式连接结构的疲劳寿命。研究结果表明，连接结构滞回曲线的有限元结果与实验结果吻合较好；在不同激励频率的循环载荷作用下，连接螺栓发生应力增长或应力衰减，出现疲劳效应；分布式连接结构在第1、第5阶固有频率处激发较大的响应；降低激励幅度能够极大延长连接结构疲劳寿命，增大螺栓预紧力也能够延长疲劳寿命，但增大激励频率只能够稍微缩短时间寿命，周期寿命仍在同一量级上；引入热和蠕变影响之后，分布式连接结构最多只能承受5次热循环载荷。

外肢体机器人驱动单元低速死区自适应补偿方法

陈重远, 陈珂, 刘浩, 欧阳小平,

2024, 35(01): 56-66. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.005

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为提高外肢体机器人高功率密度驱动单元的控制精度，提出一种低速死区自适应补偿方法。首先基于最小二乘系统辨识与阻尼辨识方法建立驱动单元模型，然后提出驱动单元的计算力矩控制方法，最后提出驱动单元的低速死区自适应补偿方法，并进行了实验验证。研究结果表明，与传统PID控制方法相比，采用计算力矩控制方法后驱动单元最大角度跟踪误差减小了约53%，平均角度跟踪误差减小了约38%；在计算力矩控制方法的基础上，采用低速死区自适应补偿方法后，驱动单元最大角度跟踪误差减小了约45%，平均角度跟踪误差减小了约60%，驱动单元的控制精度得到了显著提高。

镍基高温合金的热机械疲劳寿命预测模型研究

崔海涛, 钱春华

2024, 35(01): 67-73,82. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.006

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针对发动机热端部件常用材料镍基高温合金GH4169进行了200～450 ℃及400～650 ℃条件下的同相位热机械疲劳（TMF）试验,考虑TMF条件下多晶材料在弹性阶段产生的微观损伤应变能，提出一种适用于多晶材料的TMF寿命预测模型，并结合试验数据确定模型参数；采用GH4169、IN718、DD8三种高温合金对该模型的TMF寿命预测能力进行评估，结果表明，提出的寿命模型预测精度高于TMF寿命预测常用的Manson-Coffin模型和Ostergren模型。

小模数齿轮传动的时变啮合刚度计算方法

胡波, 安锦运, 尹来容, 周长江

2024, 35(01): 74-82. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.007

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小模数齿轮传动中心距较小，其动态性能对中心距误差非常敏感，且中间级齿轮常被设计在固定轴上高速旋转，齿轮中心孔与轴之间存在间隙,考虑这些特征，建立了中心距误差与轴孔配合间隙影响下的齿轮啮合特性参数与时变啮合刚度计算模型，研究了二者对啮合刚度的影响规律。研究结果表明：中心距误差会改变齿轮副的重合度与啮合刚度；轴孔配合间隙使实际中心距围绕理论中心距上下周期性波动，导致整个周期内啮合刚度强化区域与弱化区域共存；中心距误差与轴孔配合间隙的影响在不同的转角范围内存在既有相互叠加又有相互削弱的现象，这一现象使得各轮齿的啮合刚度有差异，存在诱发更大振动与不同噪声的风险。

一种基于自适应Kriging集成模型的结构可靠性分析方法

高进, 崔海冰, 樊涛, 李昂, 杜尊峰

2024, 35(01): 83-92. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.008

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基于Kriging模型的复杂结构可靠性分析结果高度依赖于Kriging模型的拟合精度，在构建Kriging模型的过程中，不同相关函数和回归函数的选择均会影响模型精度。为解决模型的不确定性对可靠性分析结果的影响，同时兼顾计算效率和精度，基于Kriging模型和蒙特卡罗模拟（MCS）方法，提出了一种结合自适应集成策略和主动学习函数的结构可靠度计算方法。该方法考虑Kriging模型的建模不确定性，将多种Kriging模型组合，构建了一种综合考虑样本点贡献和样本点距离的主动学习函数，通过主动学习函数迭代更新集成Kriging模型直至满足收敛条件，最后通过构建的集成Kriging模型和MCS方法进行结构可靠性分析。数值算例和工程算例结果验证了所提方法的有效性，该方法与其他主要方法相比稳健性更好，在保证计算精度的同时，计算效率更高。

采用径向转向架的大轴重内燃机车曲线通过研究

王波, 罗世辉, 马卫华, 王晨, 曲天威, 雷成

2024, 35(01): 93-101,143. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.009

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为探究径向转向架在33 t轴重内燃机车的可行性，从径向转向架的概念、结构和原理出发，为大轴重内燃机车提供了一种径向转向架方案。在多体动力学软件中建立动力学模型，对比研究了采用径向转向架和传统转向架的重载机车通过曲线时导向轮对的黏着系数、蠕滑率和磨耗功。通过计算分析发现,与传统转向架相比，径向转向架可以减少车轮的滑动量，提高机车通过曲线时的黏着利用率，降低轮轨磨耗和左右车轮的不一致磨耗，降低轮对镟修频率，该结论可为今后我国研制大轴重高黏着内燃机车提供一定参考。

单边双针双线摆动缝合轨迹设计及实验验证

高子乔, 董九志, 陈云军, 蒋秀明,

2024, 35(01): 102-108. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.010

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针对单边双针双线缝合头插刺机构无法缝制3 mm以上厚度预制体的问题，提出一种不对称的8字形运动轨迹并对插刺机构的运动轨迹进行了设计。首先，基于单边双针双线缝合工艺对插刺机构运动学进行分析，确定摆动插刺机构各构件的尺寸；其次，在ADAMS中构建机构模型并进行轨迹分析；最后，通过实验样机进行缝合实验。实验结果表明，设计的缝合机构可将实际缝合厚度不足3 mm提高到8 mm，并在缝合过程中形成稳定线环，验证了不对称8字形缝合工艺及摆动插刺机构的可靠性。

产品架构演化及开放式设计策略

程贤福, 章志宏, 王承辉, 潘逸飞

2024, 35(01): 109-124. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.011

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产品架构表征了物理组件间排列与组合的方式，可以促进产品的多样性和部件共享，更好满足客户个性化需求。开放式设计可以支持客户参与产品开发，开放式产品架构为个性化产品开发提供了平台策略。为了更加深入地研究产品架构理论及应用，阐述了架构的概念与作用及单一产品架构、产品族架构和开放式产品架构的特征、联系和区别，从架构开发模式、架构开发策略和架构组织管理等方面剖析了产品架构的演化历程及其内在动因。系统梳理了开放式产品架构的概念内涵、作用与机制，明晰了客户个性化需求、产品架构和企业开放式创新策略的相依关系，探讨了产品架构开放式设计策略。

仿真数据驱动的长期服役电梯导轨故障迁移诊断方法

肖刚, 顾海瑞, 董锦锦, 王琪冰, 陆佳炜

2024, 35(01): 125-135. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.012

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现有的电梯导轨故障诊断研究存在水平振动分类数据稀缺，训练和测试数据集分布差异较大等问题。提出了一种仿真数据驱动的长期服役电梯导轨故障迁移诊断方法。首先构建电梯轿厢的水平动力学模型，将不同类型的导轨故障激励作为系统输入进行仿真，获得丰富的轿厢水平异常振动数据；然后融合残差网络和卷积注意力机制来提取故障特征，采用子领域自适应方法实现无监督场景下源域与目标域条件分布的对齐；最后使用不同工况下的电梯水平振动数据作为目标域对所提方法进行验证。实验结果表明，所提方法在无监督跨域场景下具有较高的故障诊断精度，为解决长期服役电梯的故障数据稀缺问题提供了参考。

伪目标迭代生成的机器人误差补偿算法

叶伯生, 金雄程, 黎晗, 邵柏岩, 李晓昆, 李思澳

2024, 35(01): 136-143. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.013

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针对机器人误差模型建立后的误差补偿问题，提出一种改进的伪目标迭代算法。该算法用每次迭代中生成新的伪目标来修正关节角，从而不断减小机器人实际误差。完善了伪目标迭代算法流程，提出了5种新的不同的伪目标生成方法，分析了各种方法的特点和适用场景。结合多种伪目标生成方法提出了一种集成算法，进一步提高误差补偿精度。使用HSR-JR612机器人进行仿真实验，仿真结果表明，算法耗时在毫秒级别，补偿效果好，集成算法能进一步提高位姿补偿效果。最后使用UR10机器人与激光跟踪仪进行实验，实验结果表明，补偿后机器人末端位置误差可以减小到0.06 mm以内，姿态误差可以减小到0.025°以内。

基于增材制造技术的自修复结构设计及修复性能研究

张镇, 郭策, 胡财吉, 郑威

2024, 35(01): 144-151. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.014

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以轻质夹芯板类结构件为主要研究对象，根据结构的断裂破坏形式，开展了结构自修复设计和实现方法的研究。通过增材制造技术完成结构样件的制备，并进一步通过实验测试对比分析了修复后结构力学性能的恢复效果。研究结果表明所设计的夹芯板自修复结构对裂纹具有较好的修复能力，修复后结构的抗压力学性能恢复到原结构的85.6％。

鞘气辅助空气动力学透镜聚焦的干法气溶胶喷印实验研究

舒霞云, 王策, 常雪峰, 钟智东, 唐毅泉,

2024, 35(01): 152-159. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.015

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针对气溶胶喷印技术中油墨存储条件苛刻和溶剂、表面活性剂去除等问题，提出了一种鞘气辅助空气动力学透镜聚焦的纳米粉末气溶胶喷印装置，建立了气溶胶喷印系统，探究了喷印速度、鞘气/载气体积流量比值对系统喷印效率、线条形貌的影响。通过激光烧结实验及电化学性能测试实验，分析了激光处理对气溶胶喷印线条电阻率、微观形貌、氧化程度的影响。实验结果表明：当喷印速度为19.20 mm/min、鞘气/载气体积流量比值为2.65时，获得了最小宽度为56.52 μm的喷印线条；激光处理后，喷印线条中的纳米银粉末颗粒融化团聚并形成丝状物互相黏结，显著降低喷印线条的电阻率。

高性能高聚物黏结炸药压制成型研究进展与展望

孙海涛, 詹梅, 樊晓光, 郭靖, 韩超, 张君

2024, 35(01): 160-180. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.016

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压装型高聚物黏结炸药(PBX)因具有优异的爆轰性能和力学性能而被广泛应用于现代高效毁伤武器战斗部。未来作战环境和战略需求的不断变化，促使压装型PBX朝着高质量、高安全、高效率成型制造的方向发展。综述了压装型PBX在成型质量与性能调控、压制安全性、自动化制造三方面的相关研究现状及面临的问题。首先探讨了PBX在成型质量与性能调控方面的研究进展，包括炸药颗粒致密化演变规律与密度均匀性、损伤演化机制与界面性能调控、残余应力检测与调控；进而分析讨论了PBX的压制安全性以及在数字化和自动化制造方面的研究现状；最后基于对研究现状的分析，展望了PBX压制成型领域未来的发展趋势与面临的挑战。

液压支撑单点渐进成形临界角研究

尚苗, 李言, 杨明顺, 郑建明, 景张帅

2024, 35(01): 181-189. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.017

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单点渐进成形复杂形状的薄壁制件时，不均匀厚度分布是影响产品性能和成形质量的主要原因。将液压支撑引入单点渐进成形过程中，提出一种液压支撑单点渐进成形工艺，该工艺通过对悬空板材增加柔性支撑来促进厚度的均匀分布。在静压和变压的辅助支撑下，采用Al1060板材单点渐进成形不同壁角的圆锥台制件，通过数值模拟和实验研究定量分析静压参数与变压方案对厚度分布及厚度均匀临界角的影响规律。结果表明，对厚度均匀分布临界角的有利静压压力范围为0～0.18 MPa，最有利的静压压力值为0.17 MPa。与无支撑单点渐进成形相比，液压支撑单点渐进成形工艺可以使厚度均匀临界角增大7°，有效提升板材的厚度分布均匀性和成形性能。

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2024, 35(01): 190.

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