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中国机械工程

中国机械工程

2025年08期

《中国机械工程》由中国科协主管、中国机械工程学会主办，是中国机械工程学会会刊，是中国机械工程领域的权威期刊。曾入选国家期刊方阵“双高”期刊，获三届国家期刊奖、三届全国百强科技期刊。

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机械基础工程 | 基于试验测试的超重力离心模拟环境下加载缸稳压方案研究

机械基础工程 | 基于试验测试的超重力离心模拟环境下加载缸稳压方案研究

摘要：为解决超重力离心模拟环境下装置在无外接油源时压力波动过大的问题，对引起压力波动的因素进行了分析，并针对各因素进行了试验测试，在对各因素进行分析的基础上提出蓄能器稳压方案，并通过超重力实验对比了不同试件变形工况下蓄能器工作参数、工作压力及工作介质等参数对稳压性能的影响。试验测试结果表明：油液测试温度 36～42.5^°C 范围内，温度变化引起的压力波动比小于4% ；试件变形量是影响压力波动的主要因素，样品 1mm 的变形量引起的压力波动比可达 47% ；超重力下蓄能器稳压时的波动比与工作压力及试件变形量成正比，采用2个 300mL 气体体积的蓄能器可实现20MPa 内压力波动小于 10% 的需求，且与理论计算结果较为吻合。研究结果为超重力环境下高温高压及其他装置的压力波动控制提供了技术支撑。
机械基础工程 | 基于CatBoost的航空齿轮本体温度预测方法与验证研究

机械基础工程 | 基于CatBoost的航空齿轮本体温度预测方法与验证研究

摘要：开展了齿轮胶合承载能力试验，开发无线测试装置以获取齿轮本体温度数据集，并在此基础上提出了基于CatBoost的航空齿轮本体温度预测方法。此外，辨识了润滑油添加剂、热导率、扭矩、表面硬度、表面粗糙度、润滑油密度、润滑油黏度等参数对本体温度的贡献度，提出了考虑材料和油品参数的航空齿轮本体温度预测公式。结果表明，所提的公式对航空齿轮本体温度的预测误差在 10% 以内，为航空齿轮抗胶合设计提供了新思路。
机械基础工程 | 爆炸0区风机关键技术研究进展及展望

机械基础工程 | 爆炸0区风机关键技术研究进展及展望

摘要：油气储运过程普遍存在可燃气与空气混合的爆炸0区环境，0区风机是保障O区环境安全的重要装置。针对O区风机关键技术，分类综述了狭小受限空间燃爆规律、流场优化计算、叶轮离心应力与振动、安全轴封技术和阻爆测试领域的研究进展，并提出了五点展望： ① 建立0区风机燃爆测试方法是首要目标，通过搭建循环回路测试系统来评价抗爆性能； ② 在较狭小受限空间，风机内部旋转结构爆燃转爆轰演化规律存在差异，应通过实验与计算来揭示； ③ 分析阻火器对流场的扰动规律，开展流场优化研究，以提升风机通气性能； ④ 研究高转速叶轮应力分布与振动规律，提出安全应力极限与提升方法；⑤ 研发抗爆、导静电耐磨型轴封材料及高效轴封结构。得出以下结论：通过关键技术研究，可实现国内O区风机零的突破。
机械基础工程 | 双圆弧刀具加工直齿锥齿轮的啮合性能分析及优化

机械基础工程 | 双圆弧刀具加工直齿锥齿轮的啮合性能分析及优化

摘要：提出了高效双圆弧刀具铣/磨直齿锥齿轮方法，以改善其啮合性能。采用双圆弧刀具模拟冠状产形轮，引入刀具修形系数、刀盘平均半径和刀刃角，建立考虑齿廓和齿向修形的直齿锥齿轮齿面模型。根据两啮合齿轮连续相切条件建立齿面接触分析模型，结合齿面间隙、法向柔度矩阵和数学规划建立轮齿承载接触分析模型。在此基础上，以几何传动误差对称性和承载传动误差波动量最小为目标，调整刀具修形原点位置和优化刀具参数，对比优化前后齿轮几何传动误差和承载传动误差。算例结果表明，刀具修形原点位置会影响几何传动误差的对称性，刀具修形系数越大，齿廓修形量越大，则几何传动误差幅值和承载传动误差幅值越大;随着刀盘平均半径的减小和刀刃角的增大，齿向修形量增大，则齿面印痕区域减小。优化后在工作载荷下，承载传动误差波动量减小 56.54% ，有效降低了齿轮副的振动激励。
机械基础工程 | 对称并联运动机构的无模型交叉耦合控制

机械基础工程 | 对称并联运动机构的无模型交叉耦合控制

摘要：并联机构驱动关节间的动力学耦合效应是影响其轨迹跟踪性能的关键难题，现有并联平台的多电机协同控制方法常常不考虑机构关节间的相互耦合关系及其关节协同关系，影响了机构末端的运动精度。针对上述问题，提出一种提高机构任务空间跟踪精度的无模型交叉耦合控制方法。通过引入表示相邻电机运动关系的电机协同误差，采用时延估计(TDE)技术间接地进行机构动力学闭环控制，解决动力学模型不确性问题；同时采用Lyapunov定理分析证明所提方法的稳定性，并在对称并联运动机构上进行所提方法的实验验证。结果表明，相比现有的时延控制（TDC)方法，所提方法可以通过并联机构的高效位置跟踪和稳定操作有效减小其末端运动跟踪误差。
机械基础工程 | 并联式混合驱动机构运动学和传递性能分析

机械基础工程 | 并联式混合驱动机构运动学和传递性能分析

摘要：为拓展并联机构的应用范围，提出了一种可实现高-中-低频混合驱动的3-RPRR(PRRRP）RS并联机构，基于旋量理论分析了其输入合理性。通过驱动锁定方法得到了一组可实现混合驱动的位姿解模型，基于广义旋量建立混合驱动单元的运动描述，进而推导出机构的一阶影响系数矩阵，再用一组数值算例进行理论和仿真的相互验证。阐明了机构在混合驱动下的全域传递性能指标，基于遗传算法进行了尺寸优化，结果表明，机构在低频、中频和高频驱动下的全域传递性能分别提高了 11.78% 、9.94%.9.44% 。
机械基础工程 | 考虑材料动态记忆特性的疲劳累积损伤模型

机械基础工程 | 考虑材料动态记忆特性的疲劳累积损伤模型

摘要：为了评估工程构件在变幅载荷下的疲劳寿命，提高疲劳寿命的预测精度，以应力-寿命曲线（S-N曲线)为基础，考虑工程结构件承受循环载荷导致材料内部晶界开裂、滑移挤入、挤出引起的损伤和不可逆退化，引入了一种新形式的材料记忆性能函数，建立了一种新型疲劳累积损伤模型。采用3ONiCrMoV12和30CrMnSiA两种材料的泵头体进行两级加载试验，以验证所提模型对疲劳寿命预测的准确性。结果表明：考虑材料动态记忆特性的疲劳累积损伤模型与其他模型相比，在高-低两级加载工况下的疲劳寿命预测结果在1.5倍的误差带内，预测误差均值小于0.1，具有较高的预测精度。
机械基础工程 | RV减速器主轴承试验台研制与实验研究

机械基础工程 | RV减速器主轴承试验台研制与实验研究

摘要：为获取RV减速器主轴承的倾覆刚性和疲劳性能，研发了主轴承试验台，可以准确测量RV减速器主轴承的倾覆刚度和疲劳寿命。重点介绍了该试验台的工作原理和详细结构，主轴承试验台由机械系统、电控系统和测量软件组成。测试了RV-125N减速器不同主轴承预紧量的倾覆刚性，并对主轴承预紧量为 0.06mm 的RV-125N减速器开展了疲劳试验，讨论了疲劳试验后主轴承的失效模式与失效原理。在Masta软件中建立基于实验状态的RV-125N减速器三维分析模型，仿真分析了RV-125N减速器主轴承的寿命，仿真结果表明其理论寿命是实际寿命的 89% 。该试验台的开发解决了主轴承倾覆刚度测试不准、疲劳寿命验证困难的问题，研究结果对RV减速器的设计与制造具有一定的理论价值与实际应用价值。
机械基础工程 | 大挠度变截面欧拉梁曲率参数化模型

机械基础工程 | 大挠度变截面欧拉梁曲率参数化模型

摘要：为了实现结构和性能的优化，变截面梁在柔顺机构中愈来愈受到重视，针对其大挠度分析难以兼顾精度和效率的挑战，提出了一种基于曲率逼近的参数化建模方法。采用Bermstein多项式表示挠曲线曲率，基于最小总势能原理建立静力平衡方程，应用高斯积分和牛顿-拉弗森迭代法进行数值求解。其优点是弯曲应变能及应力的计算简单而精确，且广义刚度矩阵是与截面惯性矩变化相关的常值对称方阵，因而建模精度高、数值计算收敛速度快。同时，基于曲率参数解，结果后处理简便快捷。多个算例的数值仿真结果充分证明了所提方法的有效性和优越性。
机械基础工程 | 柱塞泵缸体-主轴花键齿面修形及抗磨损研究

机械基础工程 | 柱塞泵缸体-主轴花键齿面修形及抗磨损研究

摘要：轴向柱塞泵在运行过程中，其柱塞腔内压力的变化易使缸体和主轴花键碰撞时产生应力集中现象，加剧齿面的微动磨损。为了延长其花键的使用寿命，结合有限元法和Archard模型，对柱塞泵缸体和主轴花键抗磨损设计进行了研究。首先利用有限元法建立了轴向柱塞泵缸体-主轴花键碰撞有限元模型；然后提出一种新的渐开线花键副修形方法，对比传统的齿向修形方法，对花键副修形前后的接触特性进行分析；最后结合Archard模型对花键副修形前后的齿面微动磨损进行预测和对比。结果表明：对花键齿面进行适当的修形后，其接触时的应力集中现象有所缓解，齿面的最大接触应力有所减小；四种修形法都可以降低花键两端的齿面微动磨损，精准齿面修形法的修形效果比传统的齿向修形法好一些。研究结果对柱塞泵花键运行的可靠性和抗磨损设计有一定的指导意义。
智能制造 | 基于SABO-VMD的数控机床元动作单元故障可诊断性评价

智能制造 | 基于SABO-VMD的数控机床元动作单元故障可诊断性评价

摘要：为了判断并量化元动作单元故障诊断的难度，提出一种元动作单元的故障可诊断性评价方法。利用减法平均优化算法(SABO)优化的变分模态分解(VMD)对元动作单元的故障信号进行分解，利用峭度准则筛选IMF分量，构建基于包络熵的元动作单元特征向量;以余弦距离作为相似性度量指标，将故障可诊断性定量评价问题转换为不同故障模式下振动信号特征向量的相似性度量问题；构建元动作单元故障可诊断性评价矩阵，从而建立元动作单元的故障可诊断性评价指标。最后以蜗轮元动作单元为例进行实验验证分析，结果表明所提方法能够实现元动作单元不同故障模式的可诊断性的定量评价。
智能制造 | 凸轮轴高速磨削烧伤机理分析与在线监测系统研究

智能制造 | 凸轮轴高速磨削烧伤机理分析与在线监测系统研究

摘要：凸轮轴非圆轮廓高速磨削过程容易发生磨削烧伤，导致表面质量和使用寿命下降甚至报废，因此开展了凸轮轴高速磨削烧伤机理分析与在线监测系统研究。探讨了工艺参数对磨削烧伤的影响规律,通过表面形貌和硬度分析提出了磨削烧伤量化评价方法；利用频域和时频域分析方法进行信号处理与特征提取，并分析了传感信号与磨削烧伤的关系；基于ReliefF提取了与磨削烧伤具有高相关性的AE信号特征，基于遗传算法-支持向量机(GA-SVM)建立了磨削烧伤监测模型并进行了实验验证。开发了凸轮轴高速磨削烧伤在线监测系统并实现了应用。
智能制造 | 基于改进候鸟优化算法的整车多关联车间协同排产方法

智能制造 | 基于改进候鸟优化算法的整车多关联车间协同排产方法

摘要：为了满足汽车整车焊装、涂装及总装车间不同的车身排产序列需求，以最小化产线停产时间和成本为综合优化目标，建立了整车多关联车间协同排产优化数学模型，并设计了一种基于改进候鸟优化算法的协同排产方法。为了快速获取候鸟个体对应的多关联车间协同排产方案，设计了基于启发式排产规则的解码策略；针对传统候鸟优化算法邻域结构单一导致算法收敛速度慢的缺陷，设计了基于多种邻域结构的领飞鸟进化策略；为了提升算法的全局寻优能力，设计了融合交叉与邻域搜索的跟飞鸟进化策略。最后以某新能源汽车生产线为实例，开发了整车多关联车间协同排产仿真分析平台以验证所提排产方法。仿真实验结果表明，与改进的遗传算法、改进的蚁群算法等方法相比，所设计的改进候鸟优化算法能够获得更优的解集。
智能制造 | 考虑有限AGV运输资源的柔性作业车间调度研究

智能制造 | 考虑有限AGV运输资源的柔性作业车间调度研究

摘要：针对智能制造环境中有限自动导引车（AGV)运输资源的柔性作业车间调度问题，以最小化最长完工时间、总能耗和工件的交货期惩罚值为目标，建立有限AGV运输资源的集成调度模型。提出一种改进的非支配排序遗传算法（NSGA-I），针对集成调度模型构建三段式编码方案，设计三种初始化规则提高初始种群的质量和多样性。结合关键路径，提出一种改进的变邻域搜索以增强算法的局部搜索能力。实验部分采用多种评价指标与其他算法进行对比，实验结果表明：在不同规模标准测试算例和航空企业实际生产案例下，所提算法均能有效求解有限AGV运输资源的集成调度问题。同时分析不同AGV数量下集成调度模型的有效性，得出柔性作业车间中AGV数量符合边际效应递减规律的结论，为实际制造车间配置AGV提供了参考。
智能制造 | 一种显式几何特征匹配的激光雷达SLAM方法

智能制造 | 一种显式几何特征匹配的激光雷达SLAM方法

摘要：目前多数LiDAR-SLAM系统采用前端里程计估计初始位姿和后端优化位姿的方法，缺少批量的后端优化方案。针对此问题，提出了一个完整的基于显式几何特征的激光雷达同时定位与建图(SLAM)系统。采用凝聚层次聚类方法实现平面特征点云平面分割并通过计算点云的局部曲率值筛选直线特征点;通过配准点云特征和特征子地图实现激光雷达运动的初始位姿估计；采用基于直线和平面基元的局部状态优化方法，基于因子图模型融合了直线因子和平面因子，通过最小化直线到直线和平面到平面的残差，实现了位姿、直线和平面参数的联合批量优化。实验结果表明，所提SLAM系统在其他场景下也能实现较高精度的定位和地图构建，满足SLAM的实时性要求。
智能制造 | 基于改进自抗扰控制的高空风机叶片打磨机器人被动柔顺控制方法研究

智能制造 | 基于改进自抗扰控制的高空风机叶片打磨机器人被动柔顺控制方法研究

摘要：为了应对高空中未知干扰，保持高空风机叶片修复机器人末端打磨接触力的恒定，提出了一种基于改进自抗扰控制（ADRC)的机器人被动柔顺控制算法。该算法结合死区补偿和重力补偿算法，充分考虑气动系统气体压缩性、电气比例阀死区特性、打磨过程中倾角变化以及高空作业时未知扰动等问题，采用跟踪微分器过渡输入信号，利用状态观测器观测系统扰动，通过状态误差反馈控制律进行补偿。通过建立控制系统的数学模型并进行仿真分析得出，相比传统比例积分微分(PID)算法，该控制算法在力控制性能和响应速度上均有提升;搭建实验平台进行多种工况实验，实验结果表明，该控制算法系统调节时间缩短 44.6%～51.4% ，最大误差绝对值减小 45.4%～69.4% ，误差均方值减小 56.5%～ 91.2% 。由此可得，所提算法具有更好的动态响应性能和力控制精度，具有较强的抗干扰能力和鲁棒性，为工程实际应用打下理论基础。
服务型制造 | 基于神经网络和稳健估计的风电机组状态监测

服务型制造 | 基于神经网络和稳健估计的风电机组状态监测

摘要：在风力发电机组的状态监测中，温度时序数据作为评估其运行是否稳定的关键指标，通常由数据采集与监视控制(SCADA)系统进行收集。提出了一种利用温度数据来实现更加稳健的风电机组状态监测的新方法。为了解决传统预测模型存在的收敛速度慢的问题，采用卷积神经网络(CNN)与双向门控循环单元(BiGRU)相结合的网络结构，并引入一种新颖的优化算法——长鼻浣熊优化算法(COA)，以改善温度预测模型的训练效果。此外，考虑到实际操作环境中传统控制图存在较高的假警报率这一问题，提出了一种结合中位数估计（MED)与最小正则化加权协方差行列式估计（MRWCD）的策略，用于残差向量的稳健性监测。基于上述改进，建立了一个多元指数加权移动平均控制图。在华东地区某一风电场的应用案例表明，相较于传统的监测手段，所提方法能够显著减少误报的情况，并且在风电机组的状态监测过程中，可靠性与稳定性更高。
服务型制造 | 基于POMDP模型的检修与备件库存联合优化

服务型制造 | 基于POMDP模型的检修与备件库存联合优化

摘要：在维修与备件库存联合优化时，已有的研究大多假设系统状态监测是完美的，忽略了实际应用中的误差。为了解决该问题，以包含不完美状态监测和固定检修周期的单部件系统为研究对象，考虑该系统的视情维修(CBM)与备件库存管理问题，采用部分可观测的马尔可夫决策过程(POMDP)对系统进行建模，并推导系统状态转移概率。为了处理复杂的信念状态空间，提高算法求解效率，采用了一种改进的Perseus算法。在数值案例部分验证了该算法的有效性，并对最优策略结构进行分析，结果表明：信念状态相比于观测值能相对合理地表示状态信息，同时也对比了有无备件库存的情况，证明了备件库存的有效性。
工程前沿 | 基于TCN-GAT与混合神经网络的汽车涂装烘干系统能耗异常检测

工程前沿 | 基于TCN-GAT与混合神经网络的汽车涂装烘干系统能耗异常检测

摘要：提出了一种基于时间卷积网络-图注意力网络(TCN-GAT)与混合神经网络的烘干系统能耗异常检测方法。首先引入多尺度TCN和多头GAT分别捕获温度、压力等数据的时间特征与空间特征；然后联合反向传播神经网络(BPNN)与变分自编码器(VAE)搭建异常检测模型;再次基于预测误差与重构概率构建能耗异常指标，并引入超阈值模型(POT)拟合Pareto分布建立异常阈值；最后在重庆某汽车工厂涂装车间开展案例验证，利用物联网设备(IoT)采集烘干系统能耗等数据，通过数据分析验证了所提方法的有效性和优越性。
工程前沿 | 基于外部实物标准的激光跟踪仪基站标定原理及方法研究

工程前沿 | 基于外部实物标准的激光跟踪仪基站标定原理及方法研究

摘要：设计了一种适用于激光跟踪仪基站标定的外部实物标准——基站标定仪。介绍了激光跟踪仪的基站标定原理；采用高精度三坐标测量机对基站标定仪重复定位精度进行测量，验证了其具有高精度重复定位的特点，验证了基站标定原理的可行性，可实现靶镜空间的精确定位；最后引入基站标定仪至数控机床定位误差测量实验，并与激光干涉仪测量结果进行对比，研究发现，两种测量原理误差值变化趋势基本一致，X轴定位误差测量最大偏差为 1.8μm . Y 轴定位误差测量最大偏差为 2.3μm 。结果表明，基站标定仪的标定原理是可行的，精度满足激光跟踪仪标定要求，测量结果与现有成熟设备一致性好，该方法为激光跟踪仪基站标定提供了一种新的思路。
工程前沿 | 船用柴油机机体主轴承孔镗削加工残余应力预测

工程前沿 | 船用柴油机机体主轴承孔镗削加工残余应力预测

摘要：船用柴油机主轴承孔作为船用柴油机机体的关键结构之一，其加工质量直接影响着船用柴油机的整体性能及长期的运行可靠性。为实现对残余应力的预测，采用有限元仿真、响应面模型与加工实验相结合的方法研究了加工参数对表面残余应力的影响规律，确定了以残余应力最小化为目标的切削参数。结果表明：所建的主轴承孔三维镗削加工表面残余应力仿真模型的计算结果和响应面模型预测结果与实际表面残余应力相一致；响应面模型预测精度高于有限元模型，平均预测误差从 15.6% 减小至 2.5% ;通过确定切削参数可以有效减小零件的加工残余应力，表面残余应力减小 50.6% ，切削残余应力减小 53.6% ，进给残余应力减小 46.2% 。
工程前沿 | 基于批次拆分机制的IMODE算法求解成品卷烟生产调度问题

工程前沿 | 基于批次拆分机制的IMODE算法求解成品卷烟生产调度问题

摘要：针对成品卷烟生产调度问题，结合卷烟企业生产实际，以承担成品卷烟生产任务的卷包车间为研究对象，将其转换为异构并行机分批调度问题，以卷包机组的总切换次数和同停综合评价时间为目标建立符合成品卷烟生产工况的仿真优化模型，并设计一种基于批次拆分机制的改进多目标差分进化(IMODE)算法进行求解。为满足分批生产特点，该算法采用一种不规则的矩阵编码方式表示可行解，基于反向批次学习策略生成初始种群，通过矩阵向量间的差分运算更新种群个体，采用批次拆分机制详细划分批次批量，并对子代个体进行邻域搜索，在选择操作中引入改进精英保留策略，以提高算法的寻优能力。最后基于不同订单量和车间规模的卷烟企业生产实例进行实验对比，验证了IMODE算法的性能及其在解决成品卷烟生产调度问题上的有效性。

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