最新刊期
      2023 年 第 47 卷 3 期
      本期电子书

        理论研究

      • 张全清,王三民,赵春阳,马耀辉,任鸿飞
        2023, 47(3): 1-7. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.001
        摘要：针对某大功率舰船中常用的二分支人字齿轮传动系统，计算其固有频率的参数灵敏度数值，分析了啮合刚度、转动惯量、制造误差等结构参数的变化对传动系统固有频率的影响；建立分支传动的扭转动力学模型，利用有限元分析验证了分支传动的振动模态特性；采用模态法推导出多元激励下的参数灵敏度表达式，并将其应用于二分支人字齿轮传动系统的平稳性分析。基于理论计算的灵敏度数值和实际工作条件，对传动系统结构进行了优化设计。实例验证发现，由此获得的修改方案明显改善了轮系的抗振性能；该分析方法获得的关键参数对系统实现抗振降噪效果明显。该分析方法同样可用于其他类型分支传动的减振降噪设计。  
        关键词：二分支人字齿轮传动;灵敏度;固有频率;结构优化   
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        发布时间：2023-03-29
      • 周源生,岳会军,武湘凯,石照耀
        2023, 47(3): 8-14. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.002
        摘要：渐开线齿廓含有大量的波度信息，将其拓展应用，与齿轮传动性能间建立联系，具有重要的工程价值。研究带波度渐开线方程的构建原理，拟合基于实测齿面数据的波度曲线；构建不同正弦波度渐开线齿廓，基于啮合原理在时域和频域范围内分析了波度的波长、幅值和相位与传动误差的关联性，并采用实际齿面数据进行了验证；建立带波度渐开线齿面有限元模型，对齿轮传动过程中波度的波长、幅值和相位与接触应力的关联性进行了仿真分析；开展齿轮传动误差试验，验证了传动误差计算的正确性。结果表明，齿轮传动误差波动幅度大小对齿廓波度的幅值变化较敏感；齿廓波度的周期性与传动误差阶次成分相关；波度波动周期数增加，齿数对应倍数的阶次幅值显著增大；齿面接触应力的大小主要受齿廓波度幅值的影响；渐开线齿廓波度的波长、幅值和相位的变化与齿轮的传动误差、接触应力具有较强关联性，可以基于齿廓波度信息预报齿轮啮合传动性能。  
        关键词：渐开线波度;传动误差;接触分析;有限元模型   
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        发布时间：2023-03-29
      • 巩杭,胡光晖,胡荣丽
        2023, 47(3): 15-21. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.003
        摘要：针对磁流变液在高温下传动性能下降等缺点，提出一种形状记忆合金与磁流变液交替的传动方法。基于形状记忆合金的热力学效应，推导了弹簧挤压力与温度的关系式，并通过实验验证了方程的正确性；对传动装置的磁场进行有限元分析，得出了工作间隙沿径向的磁场分布；基于形状记忆合金弹簧热驱动特性，建立了摩擦转矩与挤压力、结构尺寸等参数的关系。结果表明，形状记忆合金弹簧产生的挤压力随温度升高而增加；温度低于40 ℃时，主要由磁流变液传递转矩，转矩可达9.14 N·m；温度在40 ℃~60 ℃之间时，磁流变液与形状记忆合金共同传递转矩，转矩可达13.24 N·m；温度高于60 ℃时，主要由形状记忆合金传递转矩，转矩可达9.40 N·m。随着温度升高，形状记忆合金能代替磁流变液传递转矩，装置能感知温度变化，实现交替传动。  
        关键词：形状记忆合金;磁流变液;转矩;交替传动   
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        发布时间：2023-03-29
      • 张金龙,王少兵,李威,张晨辉
        2023, 47(3): 22-32. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.004
        摘要：齿轮在高速重载条件下工作时，摩擦磨损造成的影响是不容忽视的，而修形可以降低齿轮的磨损及表面温度，对提高齿轮胶合承载能力有显著作用。为此，根据齿轮啮合原理、齿轮修形原理等基本理论，对齿轮的热变形以及齿廓修形进行了研究。利用有限元仿真软件建立齿轮热力耦合参数化模型，确定轮齿各面的稳态热平衡方程，利用仿真软件对齿轮各点施加对流边界条件和摩擦热流量，求解得到了齿轮的温度场；分析齿轮温升对齿轮变形的影响规律，对齿轮修形技术进行研究，推导了弹性变形、热变形、热力耦合变形的计算公式。结果表明，修形能够降低齿轮温度，提高齿轮抗胶合强度。  
        关键词：齿轮传动;热力耦合;齿廓修形;热变形   
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        发布时间：2023-03-29
      • 刘军,张艳霞,潘洁宗,王学松
        2023, 47(3): 33-38. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.005
        摘要：为了研究端曲面齿轮传动系统的非线性动态特性以及参数对系统动态特性的影响，建立了端曲面齿轮系统的非线性动力学模型；选取无量纲啮合频率为控制参数，通过分岔图、相图、时间历程图、Poincaré映射图，研究了系统的动力学特性。研究表明，系统经跳跃分岔由无冲击状态转迁为单边冲击状态，随后经连续的倍化分岔通向混沌运动；当增大综合传动误差或减小转矩时，系统无冲击状态区域逐渐收缩，跳跃分岔值和倍化分岔值发生超前，使系统提前发生跳跃现象；无冲击—单边冲击的转迁方式发生改变，亚谐运动区域逐渐扩展并发生前移，系统运动类型增多，运动周期数增大，混沌运动区域逐渐扩大，系统稳定性下降。  
        关键词：周期运动;分岔;混沌   
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        发布时间：2023-03-29

        设计计算

      • 刘子谦,孙宇,周朝东,姜艳军,冯楠,赵林燕
        2023, 47(3): 39-48. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.006
        摘要：在势能法的基础上，提出了一种斜齿轮啮合刚度修正算法。该方法考虑了齿轮真实加工时产生的齿根过渡曲线，齿根过渡曲线是刀具展成运动时齿顶尖角所形成的轨迹线，且齿根过渡曲线与渐开线的交点为渐开线的起始点。在刚度计算时，齿根到渐开线起始点用齿根过渡曲线方程来计算，渐开线起始点到齿顶用渐开线方程来计算，运用该方法计算的啮合刚度与实际更加接近。通过与有限元法的对比，验证了该修正算法的准确性，提升了斜齿轮啮合刚度的计算精度。基于该方法，分析了渐开线形状、啮合位置以及重合度对斜齿轮啮合刚度以及传递误差的影响。结果表明，当压力角增大时，渐开线曲率半径会变大，从而提高了齿轮的端面刚度；同时，端面重合度会先增大后减小，在端面刚度与端面重合度的综合影响下，平均啮合刚度与端面重合度变化趋势相同；当啮合位置更靠近节点时，啮合刚度会提高；增加重合度会使平均刚度增加，并使传递误差峰峰值趋势整体下降；但当重合度接近0.5的奇数倍时，传递误差峰峰值会出现极大值。  
        关键词：齿根过渡曲线;势能法;斜齿轮;啮合刚度;重合度   
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        发布时间：2023-03-29
      • 孙学斌,俞成涛,潘澳,顾铖,黄光铭
        2023, 47(3): 49-56. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.007
        摘要：为提高可分离式护理床椅的舒适性与稳定性，设计了一种新型单自由度八杆起背机构。首先，结合人机工程学，以背部滑移量及滑移速度为参数，验证了腰背结合型背板相比传统单板型背板的起背运动更加符合舒适性的要求；其次，建立起背机构的运动学模型，并基于Adams软件对机构进行参数化建模，分析了各部件对起背过程中背板最大角加速度变化的灵敏度，以背板角加速度最大值最小为目标对机构关键尺寸进行了优化；然后，根据优化结果，应用SolidWorks建立机构的三维模型，并使用Adams与Workbench联合仿真，验证了机构的强度合理性；最后，制作实物样机，验证了机构的可行性。  
        关键词：起背机构;八杆机构;参数优化;Adams软件;有限元分析   
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        发布时间：2023-03-29
      • 黄显升,蔡毓,李启,刘斌
        2023, 47(3): 57-64. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.008
        摘要：设计了一款机翼对称拍打的X翼扑翼机构。采用曲柄滑块机构，将曲柄的圆周运动转化为直轴的直线往复运动，直轴再通过摇杆带动两侧机翼，从而实现机翼的对称拍打。制作了一台扑翼机构的样机，运用光学运动捕捉系统和风洞对该扑翼机构进行了运动测试，从扑翼机构的拍打角度幅值、拍打频率、产生的升力以及电机的运行状况方面分析了该扑翼机构的可靠性。通过对比试验，确定了一组合适的拍打角度幅值和翼面面积，使得该扑翼机构能够产生12.9 g的升力，验证说明clap-fling机制能够有效提高该扑翼机构的升力。  
        关键词：扑翼机构;X翼;曲柄滑块机构;运动测试;参数优化   
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        发布时间：2023-03-29
      • 母慢,陶孟仑,刘斌,陈定方,吴俊峰,张慧明,胡群飞
        2023, 47(3): 65-70. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.009
        摘要：波发生器的形状直接影响柔轮的受力特性。柔轮是谐波减速器中最薄弱的部分，为提高其寿命，介绍了一种基于圆锥曲线组合的凸轮波发生器的设计。组合曲线凸轮波发生器轮廓由抛物线、连接圆弧和偏心圆弧组合而成；将抛物线与连接圆弧、连接圆弧与偏心圆弧平滑过渡作为约束条件，通过正交实验确定组合曲线凸轮波发生器各段曲线参数，分析了各参数对柔轮最大等效应力的影响程度；利用有限元软件，分别对标准椭圆凸轮和组合曲线式凸轮作用下的柔轮进行了瞬态动力学分析，并基于分析结果，利用nCode-Designlife软件，对柔轮的疲劳寿命进行了研究。结果表明，组合曲线凸轮波发生器作用下的柔轮最大等效应力比标准椭圆凸轮波发生器作用下的低；组合曲线凸轮波发生器作用下的柔轮啮合区的齿圈前后端应力明显降低，应力分布更加均匀，疲劳寿命也有所提高。  
        关键词：组合曲线凸轮波发生器;圆锥曲线;正交实验;柔轮应力;疲劳寿命   
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        发布时间：2023-03-29
      • 李靖靖,韩春杨,徐振邦
        2023, 47(3): 71-77. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.010
        摘要：为了保证踝关节康复训练的效果和安全性，设计了一种基于3-UPRU/S并联构型的踝关节康复机构及其脚部固定与快放组件，并对其运动性能与训练规划进行了研究。考虑到踝关节生理回转中心与机构转动中心不重合的影响，应用Adams软件建立了康复机构的脚踝虚拟模型，并利用角速度规划的方法对S型与T型角速度曲线进行优化，得到了一种更优的训练规划；通过逆运动学仿真，得到机构各促动器的位移数据，并使用样条拟合确定了各促动器的驱动函数；通过原理样机试验，进行了实际工作角度与训练规划的验证。结果表明，优化后该康复机构1个周期内增加了约12%的匀速训练时间，并减少了约47%的角速度波动；该训练规划能够提高踝关节康复的效果以及安全性。  
        关键词：踝关节;康复机构;逆运动学;Adams软件;训练规划;样条拟合   
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        发布时间：2023-03-29

        试验分析

      • 李胜甲,马雅丽,赵永生,蒲大君,颜世铛
        2023, 47(3): 78-85. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.011
        摘要：针对在多工况、多不确定性参数所形成的大数据下齿轮传动系统啮合接触特性分析困难的问题，提出了一种基于数据挖掘技术的齿轮传动系统啮合接触特性分析方法。基于多维高斯分布原理与齿轮传动系统有限元模型，构建了系统啮合接触特性数据集；采用最大信息系数分析了各系统参数与啮合接触特性之间的相关性，为预测模型提供了候选特征子集；采用支持向量机和随机森林算法建立了系统啮合接触特性预测模型，实现了对系统啮合接触特性的高效预测。结果表明，基于支持向量机算法的预测模型的预测误差最小，平均绝对百分比误差为3.87%，远小于理论计算误差。其中，在最优特征子集下，基于支持向量机算法的预测模型的各项接触特性预测误差指标显著下降，其平均绝对百分比误差降至3.03%，比优化前的接触特性预测误差减小了21.71%，验证了所提方法的精确性与有效性。  
        关键词：齿轮传动系统;啮合接触特性;最大信息系数;数据挖掘;预测模型   
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        发布时间：2023-03-29
      • 陈卓,师陆冰,冯盼盼,李学飞,陈林,刘忠明
        2023, 47(3): 86-93. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.012
        摘要：三峡升船机齿轮齿条属低速重载开式硬齿面齿轮传动，一旦润滑不良极易产生齿面胶合等损伤，影响升船机运行的安全性和可靠性。根据三峡升船机的实际运行数据，采用油膜厚度准则系统分析了各种典型工况下齿轮齿条的润滑情况，推导了匀速工况时船厢误载水深与膜厚比之间的关系，计算了典型误载水深下润滑状态最危险啮合点的膜厚比；确定了船厢变速时齿轮齿条最差的润滑状态，分析了变速运行典型工况下的润滑状态与船厢水深的相关关系，进一步确定了较易产生胶合损伤的位置。结果表明，升船机匀速运行时，厢内水位处于最佳水位时，齿轮齿条的润滑状态最好；偏离最佳水位时，膜厚比随误载水深呈λ∝±Δh-0.13的幂函数形式下降；齿轮齿条处于最危险啮合点时，齿轮齿根与齿条齿顶相接触且在大误载水深下齿面间的润滑状态更为恶劣；升船机变速运动时，润滑状态较差的工况为船厢水深为3.6 m时的上行加速和下行减速；因齿条上齿面接触频率高、润滑状态较差，发生胶合损伤的风险更高。  
        关键词：三峡升船机;齿轮齿条;胶合;油膜厚度;润滑状态   
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      • 贾山虎,林栋,张二亮
        2023, 47(3): 94-99. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.013
        摘要：为开展基于动态响应的齿轮箱状态评价，通过自行搭建斜齿轮箱测试平台，对斜齿轮箱开展了多物理量（包括转速、传动误差、轴心轨迹、振动加速度、声压和转矩）的测试与分析。通过调节齿轮箱的运行状态（转速和负载），揭示了齿轮箱各部件之间的配合状态以及不同物理量之间的关联性。结果表明，齿轮箱运转时，输入轴与电机轴存在不对中，输出轴存在动不平衡；传递误差峰峰值与转速呈正相关，且在不同转速下与加速度的均方根值、输出轴轴心跳动水平分量的峰峰值呈显著相关趋势。  
        关键词：斜齿轮箱;多参数测试;动态性能;角度域;相关性   
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      • 穆晓彪,邵洙浩,郝春辉,高明艳,张朝磊
        2023, 47(3): 100-104. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.014
        摘要：通过观察显微组织、测定力学性能以及观察断口形貌，对比分析国产失效谐波减速器和日本谐波减速器关重件柔轮和柔性轴承的显微组织和力学性能，并分析了国产谐波减速器过早失效的原因。结果表明，失效谐波减速器柔轮显微组织与日本相同，均为回火屈氏体，失效柔轮平均晶粒尺寸为8.2 μm，比日本柔轮平均晶粒尺寸高了1.5 μm；失效柔性轴承和日本柔性轴承显微组织均为回火马氏体，失效柔性轴承平均晶粒尺寸为13.1 μm，比日本柔性轴承平均晶粒尺寸高出6.9 μm。失效谐波减速器柔轮断口呈脆性断裂，无明显裂纹源，但失效的柔性轴承断口存在明显断裂走向，在裂纹源中有大尺寸、聚集性分布的夹杂物。失效轴承钢质洁净度差，存在大尺寸夹杂物，且显微组织晶粒粗大，阻碍裂纹扩展的能力差，导致国产谐波减速器过早失效。  
        关键词：柔轮;柔性轴承;晶粒尺寸;夹杂物   
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        开发应用

      • 高云端,田野,朱永波,李贺,张进杰
        2023, 47(3): 105-112. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.015
        摘要：在齿轮故障诊断领域中，对齿轮早期磨损故障实现有效诊断具有重要意义。然而，早期磨损故障特征弱，诊断难度大。针对该问题，提出了一种基于稀疏注意力机制的齿轮早期磨损故障诊断模型，采用一种新的稀疏注意力机制结合卷积神经网络，改进传统分段序列注意力机制，实现了具体故障频率定位。应用齿轮箱故障模拟实验数据进行测试验证，相比其他诊断方法，所提方法能够在同等样本条件与计算代价下，实现更为准确全面的诊断，降低分析成本，获得敏感故障特征频率，为齿轮维护提供数据支撑。  
        关键词：齿轮磨损;故障诊断;卷积神经网络;注意力机制   
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      • 张搏文,庞新宇,关重阳
        2023, 47(3): 113-119. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.016
        摘要：基于数据驱动的故障诊断方法已被广泛应用于旋转机械零部件故障诊断领域。目前，大多数诊断方法主要依赖于定长数据分割产生的大量数据，但分割的数据通常为短周期的小片段信号，而实际长周期冗余信号由于数据尺度不匹配，无法直接作为测试样本进行故障识别。针对以上不足，提出了一种新的基于数据概率密度与一维卷积神经网络（Data Probability Density and One-Dimensional Convolutional Neural Network，DPD-1DCNN）的故障诊断方法，其具有两个特点：①提取信号的密度特征可抵抗数据的冗余；②适应不同长度的冗余信号可作为诊断模型的输入。该方法采用DDS试验台产生的行星齿轮箱故障数据进行了验证；其在保证高诊断精度的同时，又增强了诊断模型的适应性。  
        关键词：行星齿轮箱;数据概率密度;一维卷积神经网络;故障诊断   
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      • 徐永帅,雷妍,张少龙
        2023, 47(3): 120-123. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.017
        摘要：提出一种类RV减速器。以该减速器为模型，根据其结构原理得出其单环路XP系统类型；以单环路XP系统为基础，建立了减速器转速、转矩及功率矩阵，得出减速器输入输出功率矩阵；分析了各构件的功率流向，并将该功率流向映射到单环路XP系统上，建立了减速器功率流模型；得出该减速器无内循环功率，减速器整体传动效率相对较高的结论。最后，以该减速器为实例计算了其传动效率，得出整体传动效率理论上可达0.821 0。  
        关键词：类RV减速器;单环路XP系统;功率流;传动效率   
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        发布时间：2023-03-29
      • 瞿铁,信稳,骆文泽,王重阳,胡龙,黄智泉,邓德安
        2023, 47(3): 124-132. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.018
        摘要：以直径为7 160 mm的大型开式锻焊齿轮为研究对象，采用集成计算方法预测了齿轮在焊接制造过程中产生的变形。基于MSC.Marc通用有限元软件平台，从齿轮结构中抽取了3个典型焊接接头，采用热-弹-塑性有限元方法计算了各个接头在多层多道焊接条件下的固有变形，即纵向收缩、横向收缩和角变形；将各个焊接接头的固有变形转化为固有应变，采用基于固有应变的弹性有限元方法计算了开式锻焊齿轮的整体焊接变形。数值模拟结果表明，大型锻焊齿轮在焊接制造后，直径方向收缩量约为11 mm，周向收缩量约为3 mm。  
        关键词：开式锻焊齿轮;多层多道焊;焊接变形;固有应变;数值模拟   
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        发布时间：2023-03-29

        综述

      • 张建超,陈湘松,郝如江,顾晓辉,任彬
        2023, 47(3): 133-140. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.019
        摘要：齿轮箱是高速动车驱动系统的重要组成部分，由于长期处于高速重载的工作环境，易受到损伤和出现故障。因此，快速准确地对高速动车齿轮箱的故障进行诊断具有重要意义。从分析动车齿轮箱的结构型式和常见故障入手，阐述了国内外用于动车齿轮箱故障诊断的振动分析、噪声分析、温度场分析、油液分析及声发射等典型技术的应用现状，对这些技术作了适用性分析并提出了重点研究方向建议。分析结果表明，当前应用于高速动车齿轮箱的多种故障诊断技术均有其各自不同的优缺点和应用场合，单种诊断技术受限于其局限性，均不能较好地精确诊断出动车齿轮箱的多类故障；应用基于先进智能算法的多种技术融合，有望是今后该领域故障诊断的研究重点之一。  
        关键词：铁路运输;动车齿轮箱;检测技术;综述;故障诊断   
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        发布时间：2023-03-29
      • 郭骐源,胡志刚,付东辽
        2023, 47(3): 141-155. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.020
        摘要：简述了在当前疫情灾情多发、劳动力资源短缺的情况下开发上肢助力外骨骼的重要意义，介绍了外骨骼的发展历程、分类方式以及上肢助力外骨骼的特点、适用人群、应用场景等。详细介绍了国内外上肢助力外骨骼相关研究成果和产品，包括其基本构造以及评估实验结果，并对其中的关键技术（如驱动和传动、人机交互中所涉及的人体运动意图识别、人机协同运动等）进行了阐述和分析。总结了当前研究中仍存在的问题，并对上肢助力外骨骼未来的发展趋势进行了展望。  
        关键词：上肢助力外骨骼;评估实验;人机交互;人体运动意图识别;人机协同运动   
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        发布时间：2023-03-29
      • 范志锋,张融,王婷,张巍
        2023, 47(3): 156-164. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.021
        摘要：行星轮系是重要的旋转机械部件，对其早期故障进行诊断是避免重大事故发生的重要手段。行星轮系早期故障诊断已经成为学者研究的焦点。分析了行星轮系早期故障信号的特点，梳理了行星轮系早期故障机理、信号获取方法、故障特征提取与识别的研究现状；归纳总结了早期故障诊断研究存在的主要问题，提出了开展基于动力学模型的早期复合故障机理研究、基于多传感器的早期故障信号获取方法研究、基于多域分析的早期故障特征指标研究、基于数值模型驱动的早期故障诊断研究等方面的建议；为进一步开展行星轮系早期故障诊断的研究提供依据。  
        关键词：行星轮系;早期故障;动力学建模;信号分析与识别;现状与发展   
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        发布时间：2023-03-29
      • 李兆飞
        2023, 47(3): 165-176. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.022
        摘要：轴承早期故障的实时诊断，是实际工程应用需求和基础科学问题研究的交汇点，是轴承故障诊断的发展方向之一。首先，阐述了轴承故障及演变过程；其次，根据轴承早期故障实时诊断的需求，总结了轴承早期故障诊断难点问题；之后，重点论述了轴承早期故障诊断3个关键环节所采用的各种技术：微小监测信号增强技术、监测数据的融合表示技术以及早期故障智能诊断技术；最后，总结展望了轴承早期故障诊断技术的发展趋势。  
        关键词：轴承;微小故障;早期故障诊断;盲源分离;深度迁移学习   
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        发布时间：2023-03-29
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