中国机械工程

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2024, 35(10): 0.

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大功率风机主轴滑动轴承研究现状及发展趋势

朱才朝1, 张荣华1, 宋朝省1, 谭建军1, 杨亮2

2024, 35(10): 1711-1721. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.001

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风电机组大型化步伐加快，核心零部件的可靠性对风机运行的影响越来越大。滑动轴承具有高承载、长寿命、易维护、可扩展、小体积等优点，对风机主轴承关键零部件的国产安全可靠替代水平提高具有显著作用和很大潜力。分析了大功率风机主轴滚动轴承存在的问题与主轴应用滑动轴承的优势，并详细论述了风机主轴滑动轴承设计、材料、润滑、试验验证等多方面的技术方法和应用现状，总结了大功率风机主轴滑动轴承存在的问题及未来的发展趋势，为大功率风电主轴承数字化设计与产业发展提供参考。

摆轮活齿传动系统的几何参数约束研究

卫锐1, 金贺荣1, 2, 3, 杨泽宇1, 陈涛1, 宜亚丽1

2024, 35(10): 1722-1731,1739. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.002

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针对传统摆动活齿传动存在的尺寸链长、关键构件结构薄弱等问题，提出了一种摆轮活齿传动构型及其齿形设计方法和参数选取策略。将摆轮活齿传动机构进行等效化处理，采用拓扑分析构建等效连杆矢量传递模型，基于共轭啮合原理推导出激波器和中心轮共轭齿廓矢量方程，以避免运动干涉、齿廓顶切为约束条件，将传动压力角作为评判依据，制定摆幅系数及激波器基圆半径参数选取策略，并依据优选参数和两组对比参数分别进行齿形设计与性能分析。研究结果表明：设计的摆轮活齿齿形连续、运转无卡顿；相比于两组对比参数，采用优选参数的摆轮活齿在相同负载工况下激波器活齿啮合力峰值分别降低37.09%和28.28%，验证了设计策略的有效性。研究成果可为摆轮活齿齿形设计及参数选取提供理论参考。

矿用钢丝绳捻向攀爬轮式巡检机器人设计

唐超权, 佟秉航, 唐玮, 张岗, 王思远, 汤洪伟, 刘贝, 周公博

2024, 35(10): 1732-1739. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.003

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针对矿用钢丝绳无人巡检需求，设计研制了一种沿钢丝绳捻向攀爬的巡检机器人。该机器人所需的驱动力约为传统沿轴向攀爬机器人的0.915倍，携带负载3 kg时，其越障高度比轴向攀爬机器人的越障高度大0.6 mm，障碍物高度为3 mm时，它携带的最大负载比轴向攀爬机器人大0.4 kg。模拟深井环境开展了钢丝绳振动工况下的巡检机器人攀爬实验。研究结果表明：在钢丝绳静止状态下，攀爬机器人展现出稳定的攀爬性能，最大攀爬速度达到8.25 m/min，可连续攀爬500 m；在低频大幅振动工况下，机器人攀爬速度高于静止时的速度；在高频小幅振动工况下，钢丝绳振动会导致攀爬速度小幅度波动。

复合润滑结构改善滑动导轨表面爬行现象研究

樊玉杰, 陈俣哲, 郝梦杰, 王苏扬, 杜宇辰, 夏晶, 管小燕

2024, 35(10): 1740-1746,1761. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.004

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滑动导轨在低速重载时产生爬行现象，严重影响机床的加工精度。为了改善滑动导轨的爬行现象，对滑动导轨表面复合润滑结构的设计和摩擦力分阶段表征进行了研究。在激光烧蚀微织构的基础上，采用高温高压镶嵌法制备了复合润滑微织构，基于摩擦试验，提出了摩擦力分阶段表征方法，探索了不同复合润滑结构对各阶段摩擦力特征参数的影响规律，建立了复合润滑结构改善爬行现象的理论模型，找到抑制爬行现象性能最优的复合润滑结构。研究结果表明：表面微织构仅影响摩擦力的严重黏滑和爬升阶段，而复合润滑结构对整个启动阶段都有显著影响。填充二硫化钼(MoS2)的正弦沟槽与六边形凹坑组合的多级复合润滑结构（SF-3）改善表面接触状态和抑制爬行现象的效果最好。与光滑表面(SS)试样相比，SF-3试样爬行时间缩短了72%，第Ⅰ阶段失稳力减小了69.83%，第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段的摩擦突跃力分别减小了75.91%和80.17%。

负载口独立双阀芯电液阀的结构优化

陈俊翔1, 2, 齐钒羽1, 姜宏达1, 2, 孔祥东1, 2, 金振林1, 艾超1, 2

2024, 35(10): 1747-1761. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.005

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为研究负载口独立电液阀系统结构参数对主阀微动特性的影响，基于功率键合图理论，建立了电液阀系统状态空间方程，采用一阶灵敏度方法，分析了系统参数对主阀微动特性的影响规律；反馈控制系统的先导结构参数对主阀运动特性至关重要，以系统不产生自激振荡与最佳阻尼比为约束条件，对先导级死区宽度、阀口形式、进回油阀口匹配系数进行研究，实现了先导级主级最佳匹配。研究结果表明，对主阀微动特性影响较大的因素依次为主阀芯所受摩擦力、非弹簧控制腔液容、导阀入口到主阀控制腔管路液容（非弹簧侧）、主阀弹簧预紧力，对上述影响参数进行优化的同时，当导阀死区宽度δ≤0.25 mm，阀口形式为U形阀口，进回油阀口匹配系数η=0.53时，系统综合性能可得到有效提高。

粗粒度金刚石砂轮的放电赋能磨削修整试验研究

戴隆州1, 毛聪1, 张明军1, 陈根余2

2024, 35(10): 1762-1773. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.006

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针对粗粒度金刚石砂轮磨粒出刃形貌难以控制的问题，提出了放电赋能磨削修整技术，旨在实现出刃磨粒的等齐性。系统研究了该复合修整技术的材料去除机理，建立脉冲放电传热数值模型，以金刚石热软化深度作为磨削深度，最大限度发挥放电赋能磨削的修整优势。探究了机床运动参数（待修砂轮转速、刀具轮转速、进给速度、磨削深度）对砂轮修整精度和刀具轮损耗深度的影响规律，并优化了工艺参数以实现粗粒度砂轮的高效高精修整。磨粒粒度为180目的金刚石砂轮修整后轮廓误差PV值为11.97 μm。修整砂轮表面形貌检测结果表明，放电赋能磨削修整可将磨粒部分去除，使得砂轮表面磨粒具有较好的等齐性。磨削的碳化硅陶瓷工件表面粗糙度达412 nm，表明了修整砂轮具有优异的磨削性能。

织构化盘式摩擦副性能及优化设计研究

徐平, 罗晶, 于英华, 沈佳兴, 黎文利

2024, 35(10): 1774-1782. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.007

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为探索提高盘式摩擦副抗摩擦磨损性能的有效途径，以斜盘柱塞泵配流副为研究对象，综合运用仿真分析及试验研究方法对比分析了面积织构率和截深形状相同条件下，椭圆开口和圆形开口离散凹坑微织构及沟槽形微织构配流副的摩擦因数随织构形貌、转速和压力的变化规律。研究结果表明：摩擦因数随转速的增大而显著降低，随压力的增大而降低，椭圆开口离散凹坑微织构为三种微织构中提高配流副性能最优者。对椭圆开口离散凹坑微织构进行多目标参数优化，得出的最优参数为：椭圆开口长轴半径为452 μm、短半轴为187 μm、径向中心距为0.7 mm。试验结果表明，优化后的织构在不同工况下较优化前摩擦因数和磨损量均有不同程度的降低。

气动人工肌肉驱动的可变瞬心外骨骼设计与研究

黎朝阳1, 罗天洪2, 马翔宇2, 方尚晨1, 王珂3

2024, 35(10): 1783-1792. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.008

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针对现有下肢外骨骼结构与躯体匹配度较低的问题，通过在现有反四边形关节的基础上引入额外的自由度，提出了一种气动人工肌肉驱动的新型可变瞬心人工膝关节。结合可变瞬心外骨骼的运动学分析对其瞬心轨迹方程进行了求解，并采用粒子群算法对膝关节结构进行了优化设计；采用模糊PID控制器对其运动进行了仿真与分析，并进行了实验研究。研究结果表明：提出的新型可变瞬心人工膝关节的瞬心轨迹与人体关节理想瞬心轨迹具有更好的匹配度，为具有人机相容性结构的优化设计提供参考与经验支持。

采用空间和通道激励注意力机制优化ResNet-50的CFRP/TC4叠层材料钻削刀具磨损状态监测

聂鹏1, 杨程越1, 彭新月1, 于家鹤2, 潘五九1

2024, 35(10): 1793-1801. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.009

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针对碳纤维增强复合材料(CFRP)与钛合金组成的叠层材料在制备装配孔时存在刀具磨损严重的问题，提出了一种空间和通道激励注意力机制(scSE)优化深度残差神经网络(ResNet-50)的刀具磨损监测方法。开展钻削实验，采集钻削过程中的力和温度信号，信号经连续小波变换转换为小波尺度谱。搭建ResNet-50网络结构，从空间和通道双维度对卷积提取的特征图进行权重标定。研究结果表明，scSE可以从空间和通道两个维度做到增强有用特征，抑制无用特征，经scSE优化的网络结构识别准确度达到96.15%。

融合发明问题解决理论与可拓学的多冲突网简化与求解策略

许辰辉1, 2, 张建辉1, 2, 郭向东1, 2, 丁照琪1, 2, 张顺1, 2

2024, 35(10): 1802-1814. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.010

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针对因产品系统功能复杂程度高而导致的多冲突网络求解过程繁琐的问题，研究了多冲突网的简化与求解策略。首先，通过可拓基元模型对冲突进行描述，结合基于功能模型的因果分析法构建多冲突网络，从冲突在网络中的拓扑特性和客户需求程度两个方面应用优劣解距离法（TOPSIS）构建综合评价体系，挖掘网络中的关键冲突。然后，提出了关键子冲突网络的拆解方法，将与关键冲突相关的冲突提取出来形成子冲突网。最后，提出了多冲突网简化规则，通过可拓变换对冲突间相关关系进行解除，将简化后的子冲突网进行整合，运用TRIZ工具对关键冲突进行求解，从而提出了多冲突网简化与求解策略。以爬楼轮椅为实例进行分析，验证了该策略的可行性和有效性。

柔性关节弹性组件的设计和试验分析

李琦, 高宏

2024, 35(10): 1815-1823,1844. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.011

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设计了一种用于柔性关节的弹性组件，提出交叉弹簧片型弹性组件的设计思路、设计方法和设计理念。首先，设计规划柔性关节结构组成，基于梁约束条件和本构关系对弹性组件进行力学建模，确定柔度矩阵和刚度矩阵具体项，同时对柔性关节运动端进行动力学建模；然后，对弹性组件进行实例设计，通过有限元分析进行设计验证，对运动过程中柔性关节的模态频率和振型位移进行仿真；最后，搭建试验系统，对弹性组件实例设计进行试验，计算其旋转刚度。通过交叉验证，并取三组数据样本进行分析，结果显示，设计的弹性组件理论值、仿真值和实验值三者之间的一致性较好，第一组三者之间最大误差为7.59%，第二组最大误差为4.32%，第三组最大误差为6.70%，由此表明了利用梁约束理论和本构关系设计弹性组件的可行性。提出的柔性关节弹性组件有一定的通用性，不仅能应用于关节式机械臂，还能应用于康复机器人、仿生机器人领域，为机器人柔性关节的设计提供了一种新的思路。

复合材料尾门结构的拓扑参数一体化轻量化设计

成艾国1, 王超1, 陆日进2, 何智成1, 于万元3

2024, 35(10): 1824-1833. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.012

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以某新能源车型的尾门为研究对象，结合注塑长玻纤增强复合材料，提出了一种结构拓扑参数一体化轻量化设计方法，并为尾门性能仿真和优化设计分别建立了联合仿真和常规仿真模型，提高了仿真精度和优化效率。首先，基于常规仿真模型通过三步式结构概念设计优化并重新设计了复合材料尾门结构。然后，建立了用于后续多目标优化的联合仿真模型，并通过样件试制和性能试验进行了验证。最后，利用带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）对尾门的筋条厚度、关键位置厚度、截面尺寸进行了详细优化。优化后的复合材料尾门质量比原钢制尾门减小了27.2%，同时尾门扭转刚度、横向刚度、弯曲刚度及自由模态满足应用要求。

考虑切削能耗和表面质量的碳纤维增强树脂基复合材料加工工艺参数优化决策

鄢威1, 3, 王欣怡2, 3, 张华3, 朱硕2, 3, 江志刚2, 3

2024, 35(10): 1834-1844. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.013

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碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）二次加工能耗与质量的影响要素相比于传统材料加工更为复杂，导致现有相关经验公式难以适用。基于此，以CFRP二次加工的切削力分析为切入点，对考虑能耗和质量的CFRP加工工艺参数优化决策问题开展研究。首先分析纤维方向角对CFRP加工形式的影响，推导了切削力模型；然后建立了以切削三要素和纤维方向角为变量，以切削能耗和表面粗糙度为目标的多目标优化模型，并提出了多样化突变驱动的粒子群优化算法(DM-PSO)与层次分析法(AHP)集成的工艺参数优化决策方法；最后通过铣削试验设计验证了上述模型和方法的可行性和优越性。

数控铣床低碳高质建模及工艺参数优化

李泽亚1, 罗敏1, 张超勇2, 徐金瑜1

2024, 35(10): 1845-1851. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.014

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针对数控铣床生产过程中工艺参数不合理导致碳排放量高、表面质量差等问题，提出了一种面向低碳高质的数控铣床工艺参数优化方法。分析了铣削过程碳排放因素，给出碳排放效率、表面粗糙度和加工时间的目标函数，构建基于灰狼算法改进支持向量回归的数控铣床碳排放效率和表面粗糙度预测模型。以主轴转速、进给速度和切削宽度为优化变量，采用改进白鹭算法进行切削参数优化，获得了低碳高质高效工艺参数Pareto前沿解，通过熵权逼近理想解排序法选择合适的工艺参数。搭建了数控铣床碳排放监测实验平台，实验结果验证了所提方法的可行性和有效性。

基于应变梯度理论的切削加工 SiCp/Al 表面创成机理分析

范依航, 楚星雨, 郝兆朋

2024, 35(10): 1852-1861. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.015

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为了深入研究颗粒增强铝基复合材料的切削过程，对45%体积分数的SiCp/Al复合材料通过多相建模的方法建立了基于应变梯度的本构模型，并对软件ABAQUS进行了二次开发，用程序语言将所建本构模型以及描述断裂的B-W断裂准则编入用户子程序VUMAT，并导入ABAQUS进行仿真分析。结合切削实验和仿真分析结果，研究了在相同切削速度及不同切削深度下SiCp/Al复合材料加工表面温度、材料内部应力应变和位错的变化情况。研究结果表明，相较于传统Johnson-Cook模型，修正后的本构模型所得到的结果与实验结果更加吻合；切削深度增大会引发高温梯度；材料内部应力会在颗粒附近形成应力集中；在加工表面应变较大的区域出现大量位错，导致加工颗粒增强金属基复合材料的难度上升。

整型对辊弯成形产品精度的影响机理研究

邢刚1, 韩飞1, 黄宏江2

2024, 35(10): 1862-1870. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.016

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为研究整型工艺对辊弯成形产品精度的影响，采用试验与有限元的方法分析不同整型方案对产品精度的影响；对不同整型方案下辊弯成形过程中的成形力、扭矩、应力应变进行分析，揭示整型对辊弯成形产品精度的影响机理。研究结果表明，整型可以降低型材的残余应力；降低端头效应对成形件精度的影响；对回弹的影响随成形角度的增大而增大，角度越大，整型工艺对其影响越大。

重卡桥壳轴向环向补料液压胀形内压加载路径的确定

张家旗1, 2, 王连东1, 2, 王晓迪2, 宋希亮2

2024, 35(10): 1871-1880,1889. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.017

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轴向环向补料液压胀形变形过程复杂，合理的加载路径确定困难，成形时易发生失稳起皱及胀裂。通过变形分析，揭示了轴向环向补料液压胀形两个阶段各典型位置发生变形所需内压的变化规律，确定了线性增压—恒压—线性降压的加载路径，推导出各阶段的内压计算公式，给出了上控制模平面高度与最大扩径量的关系。针对某载荷10 t重卡桥壳，通过有限元模拟及工程试验验证了加载路径的正确性，揭示出加载路径线性降压段的降压系数、上控制模高度系数对管坯成形质量的影响，确定了二者的合理范围，消除了失稳起皱及开裂的隐患。

数据驱动的混凝土泵车臂架疲劳载荷谱编制

李鹏1, 2, 3, 4, 王一棠1, 4, 王佳茜2, 3, 周佩泉2, 3, 杨亮亮1, 4, 宋学官1, 4, 郑跃滨5, 6

2024, 35(10): 1881-1889. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.018

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为对混凝土泵车进行疲劳分析，利用大数据分析技术，提出了一种数据驱动的混凝土泵车臂架疲劳载荷谱编制方法。通过分析臂架倾角和夹角定义了混凝土泵车典型作业姿态。根据所选取的典型作业姿态进行载荷信息采集，并对采集到的原始信号进行了数据预处理，以提高数据质量，令之后的疲劳载荷谱编制更具可靠性。采用参数法对测试载荷谱的幅值分布进行了参数估计和外推，以获得全寿命周期下的载荷谱，并用强化后载荷谱进行了疲劳验证。通过对300多台某型号混凝土泵车所采集到的大量数据进行试验验证了所提方法的可靠性和工程实用性。该研究成果为混凝土泵车多关节臂架结构疲劳载荷谱编制提供了参考。

计及叶轮不平衡的差动调速风电机组变桨距控制

张文华1, 尹文良1, 张祯滨2, 刘琳3, 彭克1

2024, 35(10): 1890-1899. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.019

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为保证差动调速型风电机组在全风速区间内运行的能量效率及稳定性，在考虑叶轮不平衡、风剪切及塔影效应的影响下，提出了一种基于径向基（RBF）神经网络的滑模变结构控制（SMVSC）方法，以完成差动调速型风力机桨距的准确、快速调节。该方法将滑模误差引入其控制的自适应率中，通过在线调整RBF神经网络的权值和中心值来有效地抑制抖振效应。搭建了1.5 MW差动调速型风电机组仿真模型，在利用物理试验平台对仿真模型进行原理验证后，对所提RBF-SMVSC方法的控制效果进行了对比验证。研究结果表明：相较于PI和传统滑模控制独立变桨方法，在不同的风速条件下，所提控制方法不仅可以更加快速、精确地调节风力机转速和功率输出，还可以有效提高机组的能量捕获效率，减小不平衡载荷。

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2024, 35(10): 1900.

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