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      2023 年 第 47 卷 9 期
      本期电子书

        理论研究

      • 韩江,李大柱,田晓青,夏链
        2023, 47(9): 1-9. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.001
        摘要：非圆齿轮节曲线各位置的齿廓具有等模数、不等曲率半径和极径的特点，在滚切过程中形成的各齿廓的包络线分布特性不同，导致不同位置的齿廓具有不等的包络误差。对此，以滚切基本联动模型为运动约束，构建滚刀断续切削齿廓的几何仿真方案，给出包络线分布与节曲线曲率半径和极径之间的关联特征；引入当量滚刀概念，建立了包络误差与当量齿轮齿数和当量滚刀槽数的关系模型；研究整周不同齿廓最大包络误差的计算和位置分布，提出了一种改善包络误差的滚切模型。该模型通过窜刀运动实现非圆节曲线不同位置当量滚刀槽数的改变，进而抑制包络误差的最大值及不均分布。研究工作为非圆齿轮滚切齿廓包络误差分析提供了理论支撑，可对包络误差进行预判并指导合理加工方案的制订。  
        关键词：非圆齿轮;滚齿;包络误差;误差抑制;窜刀   
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        发布时间：2023-09-18
      • 张钰忻,潘旭东,李跃峰,王广林,张庆豫
        2023, 47(9): 10-17. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.002
        摘要：将航空航天等领域中使用过一次后不再重复利用的机械设备称为一次性机械。柔轮的失效是影响一次性谐波减速器性能的最主要因素，而啮合刚度的变化又可以反映谐波传动的故障特征。以一次性谐波齿轮为研究对象，从应用环境和结构区分一次性谐波齿轮与常规谐波齿轮，分析了一次性谐波传动中柔轮的裂纹萌生位置；基于扩展有限元法，建立了一次性谐波齿轮传动的损伤模型，观察了柔轮裂纹的扩展路径，并据此建立了一次性谐波齿轮传动的裂纹刚度模型；最后，分析了裂纹对一次性谐波传动啮合刚度的影响。研究结论可为一次性谐波齿轮的故障诊断和寿命预测提供理论支撑。  
        关键词：一次性谐波齿轮;裂纹扩展;啮合刚度;扩展有限元法   
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        发布时间：2023-09-18
      • 杨超君,杨凡,彭志卓,朱继伟,杭天,丁逸飞
        2023, 47(9): 18-24. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.003
        摘要：针对开槽盘式涡流耦合器调速特性，运用安培定律推导出感应涡流产生的感应磁场的表达式；将感应磁场引入等效磁路模型，结合基尔霍夫定律推导出电磁转矩的计算公式；并将电磁转矩公式分别与恒转矩负载和二次方率负载表达式联立，得到相应负载工况下的调速关系理论公式。运用三维有限元仿真和实验对所提出的调速理论模型进行验证，结果证明，所提出的理论模型在气隙长度较小的情况下具有较好的准确性。  
        关键词：开槽盘式涡流耦合器;等效磁路模型;感应涡流;电磁转矩;调速关系模型   
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        发布时间：2023-09-18
      • 梁栋,李明,江鹏,徐向阳,何泽银
        2023, 47(9): 25-30. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.004
        摘要：针对双点接触内啮合齿轮传动副齿面接触问题，提出双点接触内啮合齿轮传动副齿面成型方法；基于Hertz接触理论，建立共轭齿面瞬时接触椭圆数学模型，推导了齿面接触迹线求解方程；利用数值分析方法计算双点接触内啮合齿轮传动副齿面接触椭圆面积，探究了齿轮副基本参数以及齿廓参数对接触椭圆的影响规律；利用有限元分析方法，对比了单点接触齿轮与双点接触齿轮的接触椭圆面积和齿面接触应力。研究结果表明，合理选取齿廓接触夹角、名义压力角、法向模数和螺旋角参数，能够实现对齿面接触区域位置和大小的有效控制；在基本参数相同的情况下，双点接触比单点接触接触区域面积大，接触应力小。相关研究对于提高新型内啮合齿轮传动副的接触特性和力学性能具有重要的理论意义和参考价值。  
        关键词：双点接触;内啮合齿轮;接触区域;齿面接触分析;接触应力   
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        发布时间：2023-09-18
      • 董怀玉,何立东,贾兴运,侯启炀
        2023, 47(9): 31-36. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.005
        摘要：考虑到齿轮箱箱体结构的复杂性，使用单点激励-多点响应模态识别技术对其前6阶模态进行识别，模态置信度即模态识别精度高。以试验获得的齿轮箱箱体前6阶模态为指标，提出了兼顾计算精度和计算效率的模态有限元计算方法；使用拓扑优化方法对齿轮箱箱体结构进行优化设计，优化后齿轮箱箱体在不同固有频率处的变形均得到了减小。研究为齿轮箱箱体结构优化设计提供了新思路。  
        关键词：齿轮箱箱体;模态分析;结构优化设计   
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        发布时间：2023-09-18

        设计计算

      • 邢静忠,陈亮,陈晓霞,姚云鹏
        2023, 47(9): 37-43. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.006
        摘要：为评价齿廓方案的负载传动性能，提升负载传动能力，建立有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）仿真模型，揭示了输出端扭转刚度与负载啮合特性的关系。构造三圆弧柔轮齿廓，调整柔轮齿廓的径向变位系数，使柔轮齿廓啮合运动的外包络重叠量最小化，并基于外包络用包络法设计了三圆弧平面齿廓刚轮；在多个横截面内构造径向变位的三圆弧柔轮齿廓，在有限元环境下轴向放样生成柔轮空间齿廓，建立了包含平面齿廓刚轮、空间齿廓柔轮和波发生器外圈的有限元仿真模型；固定刚轮，对柔轮杯底法兰施加不同幅值和转向的负载转矩，仿真计算了啮合力分布与扭转刚度滞回曲线；通过建立啮合齿数与刚度特性的关系，揭示了扭转刚度特性与齿面啮合特性之间的关系。仿真结果表明，啮合齿数与扭转刚度成正相关；使用可测量的扭转刚度迟滞曲线，可以估算啮合齿数等不可测量的啮合特性。  
        关键词：三圆弧齿廓;空间齿廓;啮合特性;有限元仿真;扭转刚度   
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        发布时间：2023-09-18
      • 陶祝同,王国志,李荣铎
        2023, 47(9): 44-51. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.007
        摘要：针对铁路接触网人工拍照检查劳动强度高、危险系数大、检查时间长、效率低、范围广等问题，提出了一种带有伸缩结构的接触网检查机器人，可代替人工完成接触网拍照检查。确定了机器人整体结构、核心部件选型；运用旋量理论和现代矩阵指数积公式建立了运动学模型；利用Matlab Robotics工具箱建立仿真模型，并验证了运动学方程；运用蒙特卡洛法求解机器人工作空间，并绘制点云图；最后，利用Ansys Workbench软件对关键部件进行有限元分析，对强度、刚度进行了校核验证。所设计的机器人减轻了工人工作量；采用轻型材料及关节模块化设计，质量减轻25%；且其末端的多自由度结构使拍摄角度、范围较传统方式增加了2倍，伸缩结构使机器人可以获得较大工作空间，满足工作要求。  
        关键词：7自由度机器人;指数积;工作空间;运动学分析;有限元分析   
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        发布时间：2023-09-18
      • 肖子涵,石志新,罗玉峰,高波
        2023, 47(9): 52-57. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.008
        摘要：基于方位特征集并联机构拓扑设计理论及弯曲平移理论，设计了一种新型3自由度低耦合度的具有圆球面平移和一转动（2T1R）的并联机构。对该机构进行了拓扑特性分析，主要包括方位特征集、自由度以及耦合度计算；对机构进行了运动学分析，求解机构位置的正逆解，并对该机构进行了数值验证；基于机构的位置正逆解方程，分析了机构的工作空间以及转动能力分布。本文的工作为该机构后续的尺度优化、误差分析以及动力学分析奠定了基础。  
        关键词：并联机构;弯曲平移;运动学分析;工作空间   
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        发布时间：2023-09-18
      • 包威,宋梅利,白冰,陈思露,赵一丞
        2023, 47(9): 58-65. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.009
        摘要：为了提高轮式机器人的越障能力、改善机器人平地运动的平稳性，设计了柔性轮-爪变形机构及机器人运动模式转换传动方案。详细介绍了变形轮的变形原理，并对变形轮的变形过程进行了运动学分析以及Adams运动学仿真，仿真结果与理论结果基本一致。通过理论与仿真相互验证，确定了准确的舵机脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）波控制范围的设置。为验证所提出方案的可行性，以变形轮半径80 mm为例，通过Adams虚拟样机仿真及样机平台实验，验证了所提出变形轮的越障能力。结果表明，在平地运动时，机器人采用柔性结构具有更强的平稳性。  
        关键词：轮-爪变形机构;机器人;运动学;平稳性分析   
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        发布时间：2023-09-18
      • 曹东江,尚鹏,崔宏涛,席文宇
        2023, 47(9): 66-73. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.010
        摘要：针对当前内啮合齿轮参数化设计和开发过程中普遍存在的建模精度不足及设计校验计算效率低的问题，使用Matlab GUI开发了基于精确齿廓建模的内啮合齿轮参数化设计系统。依据齿轮展成原理，生成内啮合齿轮渐开线齿廓；应用齿廓法线法，建立内齿轮齿根过渡曲线方程，实现了内啮合齿轮的全齿廓精确建模；计算内啮合齿廓过渡点压力角αM、αN，通过参数化设计程序完成内啮合齿轮设计参数的几何计算及干涉校验等工作，其中，过渡曲线干涉校验部分，利用齿廓过渡点压力角αM、αN，在加工刀具任意齿顶圆角（或非特定圆角）情况下，计算出内啮合齿轮副过渡曲线干涉的校验公式。最后，将设计目标齿轮副全齿廓数据导入Catia界面中，建立了齿轮副三维实体模型，为后续齿轮系统的应力分析及动力学性能检测等研究奠定基础。  
        关键词：内啮合齿轮;参数化设计;精确齿廓建模;齿根过渡曲线;过渡曲线干涉;齿廓过渡点   
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        发布时间：2023-09-18
      • 王汝贵,金聪,杨泽慧
        2023, 47(9): 74-80. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.011
        摘要：基于象鼻卷起及伸展两种姿态，设计了一种多模块组成的螺旋形空间折展机构。分析模块间的几何关系，通过D-H法算得模块端点位置；探讨了螺旋形受模块夹角、长度、数量及缩放系数的影响；通过尺度优化，从整体上设计螺旋形状，以太阳翼的设计为算例，将最大展开长度作为目标函数，以螺旋形范围、间距和杆件尺寸为约束条件，计算得出尺度参数；给出了太阳翼、抓手等应用的三维模型，并针对每个应用简要说明了合适的驱动方式。该机构具有广泛的应用前景，可为螺旋形机构的设计提供些许参考与借鉴。  
        关键词：象鼻;螺旋形;折展机构;尺度优化   
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        发布时间：2023-09-18

        试验分析

      • 王毅,陈勇,代青林,张浩南,武一民,田乃利,贺伯林
        2023, 47(9): 81-88. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.012
        摘要：以一款纯电动车两挡双离合自动变速器（2DCT）为研究对象，首先，开展变速器壳体模态仿真与试验，验证了壳体有限元模型的准确性；然后，考虑电动机工作效率因素，利用建立的变速器传动系统动力学模型，得到不同转矩工况下的齿轮副传递误差变化规律；分析轴承动态力，并将其作为边界条件，研究了壳体的振动特性；通过分析模态参与因子（Modal Participation Factor，MPF），确定对壳体振动贡献较大的模态阶次；最后，对振动明显区域进行多工况的振动加速度仿真和试验测试，验证了传动系统动力学模型的准确性，进一步明确了2DCT壳体的振动特性。  
        关键词：电动汽车;两挡变速器;壳体;传递误差;模态参与因子   
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        发布时间：2023-09-18
      • 舒红宇,赵亮,余义杰
        2023, 47(9): 89-95. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.013
        摘要：在行星牵引传动的行星轮轮廓线轴端构建圆弧，并使该圆弧与外圈和太阳轮轴端面接触点保持在径向牵引接触线上；巧妙地替代推力轴承，设计出一种更为紧凑的新型轴承式减速器。结合装配过盈量、接触线的全圆弧素线修型及接触线边缘倒角的影响，对其径向接触应力与两端凸缘应力进行了分析；建立了多组3D理想模型，并采用Abaqus软件对其进行分析。结果表明，轴承式减速器外圈、行星轮、太阳轮接触线均存在边缘应力集中现象；合理的接触线素线修型和边缘倒角能使接触应力均匀且改良边缘效应；改善牵引传动的接触应力的最好方法是接触线素线修型和边缘倒角同时进行；凸缘处接触应力在不同凸度修型时分布及大小基本相同，且行星轮与外圈、太阳轮的接触线与凸缘的轴向和径向接触能保持在一条牵引线上。  
        关键词：行星牵引传动;接触应力;轴承式减速器;素线修型   
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      • 王浩,张丰收,蒋闯
        2023, 47(9): 96-102. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.014
        摘要：针对成形法铣齿加工弧齿锥齿轮大轮，对切削速度、切削深度、进给速度等切削用量对加工表面残余应力的影响规律进行了研究。根据成形法切削加工弧齿锥齿轮的特点，建立斜角切削有限元三维仿真模型，对齿轮的切削加工过程进行模拟分析，运用单因素法分别模拟了切削速度、进给速度、切削深度以及冷却液对工件表面残余应力的影响。由模拟仿真结果得知，弧齿锥齿轮斜角切削已加工表面残余应力沿层深呈“勺形”分布且表面为残余拉应力，亚表面为残余压应力，表面切向残余应力大于轴向残余应力；表面残余拉应力会随进给速度和切削速度的增大而增大，残余应力的层深随进给量的增大而加深，切削深度对残余应力的影响不明显；添加冷却液能够降低表面的残余拉应力。研究为弧齿锥齿轮切削加工残余应力分析提供了理论参考。  
        关键词：弧齿锥齿轮;斜角切削;残余应力;有限元仿真   
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      • 胡志强,赵媛媛,李熙
        2023, 47(9): 103-114. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.015
        摘要：针对中国标准地铁120B车型齿轮箱箱体，建立了有限元仿真模型，利用有限元法分别对铝合金和球墨铸铁箱体进行了疲劳强度、静强度、安全鼻强度计算；通过对比分析，得出各工况下铝合金箱体最大等效应力均大于球墨铸铁箱体，差值最大比例为36.3%；对铝合金和球墨铸铁箱体进行了静强度和型式试验的对比，结果表明，铝合金箱体的最大应力大于球墨铸铁箱体，差值比例为8.3%，铝合金箱体的最大声功率和振动值均不小于球墨铸铁箱体，但轴承平均温度下降10 ℃左右；尽管铝合金箱体强度弱于球墨铸铁箱体，但整体安全系数较高，仍能满足使用寿命33年或960万千米的要求。对铝合金箱体的适用性进行分析可知，球墨铸铁和铝合金均可以用于地铁齿轮箱，两种材料各有优劣，在设计时可根据车辆具体要求进行优先偏向选择。  
        关键词：标准地铁;箱体;仿真计算;试验;轻量化   
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      • 余磊,孙章栋,赵仕烜,张明杨
        2023, 47(9): 115-122. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.016
        摘要：为改善减速器系统的耦合振动响应特性，运用Masta软件建立了齿轮传动系统的模型；导入差速器壳体和减速器箱体的有限元模型进行耦合，并通过NVH（Noise，Vibration，Harshness）分析得到减速器各个工况的噪声瀑布图以及减速器各个工况的噪声切片图和动态响应曲线；研究了齿轮传动系统压力角、螺旋角和齿宽3个参数对动态响应的影响规律，并进行优化设计。结果表明，优化后的减速器系统各个工况动态啮合力减小，其噪声辐射均有大幅度下降，为减速器减振降噪设计提供了一定的理论依据。  
        关键词：振动响应特性;多工况;压力角;螺旋角;齿宽;动态啮合力   
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      • 王会杰,邱明,李军星,刘志卫,杨传猛
        2023, 47(9): 123-128. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.017
        摘要：针对角接触球轴承实际安装会出现错位角，与承受过大外载荷会产生接触椭圆被截断的情况，提出一种包含错位角的轴承极限承载能力分析模型。通过改进算法，减少方程数量，降低了模型求解难度；通过与文献、Romax软件的对比，验证了算法的正确性；最后，以角接触球轴承7008C为研究对象，分析了不同参数对极限承载能力的影响。结果表明，增大错位角与径向力、增加滚动体数量、减小滚动体直径会在一定程度上削弱极限轴向力与极限倾覆力矩；增大沟曲率半径系数与挡肩高度可以显著提高极限轴向力与极限倾覆力矩；然而，最小挡肩高度制约了轴承的极限承载能力。  
        关键词：角接触球轴承;错位角;极限轴向力;极限倾覆力矩;改进算法   
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      • 李江山,袁勇,郝大庆,陈后清,张占立
        2023, 47(9): 129-136. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.018
        摘要：高速机床中的轴承摩擦热会引起滚动体变形、“烧轴”等现象，进而导致轴承疲劳寿命降低，影响设备正常运行。以高速角接触球轴承7003C为例，在高速角接触球轴承拟静力学分析的基础上，对轴承进行受力分析。利用局部法建立轴承的摩擦功耗计算模型；在传热学的基础上分析轴承系统传热，建立热传递模型；利用有限元软件建立轴承系统温升模型并进行温升仿真，分析转速、轴向力、润滑油温度对轴承系统温升的影响规律。最后，设计温升试验并与理论仿真进行了对比验证。结果表明，轴承转速增加、轴向力增大均会使轴承系统温升增加，钢球处温升最高，其次是内圈，最后是外圈；润滑油温度对轴承系统温度变化有重要作用。利用高速轴承温升试验机对轴承外圈温度进行试验研究，试验结果与仿真计算结果最大误差率为11.66%，验证了理论计算与模型仿真的合理性，为研究轴承疲劳寿命提供了一定参考。  
        关键词：角接触球轴承;拟静力学;生热量;温升模型;温升试验   
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        发布时间：2023-09-18

        开发应用

      • 张志刚,王晓松,卿海,张代明
        2023, 47(9): 137-144. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.019
        摘要：混合动力专用变速器（Dedicated Hybrid Transmission，DHT）具有质量轻、总体尺寸小的优点，从而引起了广泛关注。混合动力系统具有多种不同的动力源，可以通过改变运行模式来应对不同的运行工况，以提高燃油经济性。在Matlab/Simulink平台搭建DHT转矩分配控制策略模型，以控制发动机最优输出转矩为核心，从而保证发动机工作在经济区间内；对中国轻型乘用车测试循环工况（CLTC_P工况）和世界轻型汽车测试循环工况进行了离线仿真。结果表明，实际车速与期望车速的匹配精度高，仿真模型可靠性强；CLTC_P工况下百公里油耗为5.74 L，比传统燃油车油耗节约36.33%。  
        关键词：混合动力专用变速器;转矩分配;离线仿真   
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        发布时间：2023-09-18
      • 赵佳辉,陈明惠,梁志远,李清都
        2023, 47(9): 145-150. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.020
        摘要：为了稳定发挥轮履复合式机器人的最佳越障性能，研制了一种能够根据环境切换多种运动模式的新型轮履复合式机器人。该机器人可以通过独立旋转机体和摆臂切换直立运动和履带运动模式，同时可以通过摆臂的转动大幅度地调节机器人的重心位置，具有较好的越障性能。在对机器人进行步态规划和运动机理分析的基础上，对跨越台阶这种典型运动过程进行了运动学和动力学分析，验证了机器人模式切换的可行性，并计算得到了机器人能够攀爬的台阶高度的最大理论值。最后，根据计算获得的理论数值，利用仿真软件对机器人台阶攀爬过程进行仿真，验证了计算数值的准确性和机器人的越障性能。  
        关键词：轮履复合式机器人;越障性能;运动学;动力学   
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        发布时间：2023-09-18
      • 郭鹏辉,刘世军,徐文博,娄世宇,窦小鹏,禹文涛
        2023, 47(9): 151-159. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.021
        摘要：某聚丙烯挤压造粒机组主齿轮箱输出齿轮轴运行过程中发生断裂，通过断口分析、理化检验和强度校核，探究了该齿轮轴断裂失效的原因。结果表明，由于对应螺杆轴断裂造成瞬时冲击，导致该齿轮轴出现早期微动撕裂缺陷；在转矩和弯矩的复合交变载荷作用下，萌生早期裂纹并沿轴颈处扩展；当齿轮轴的有效承载面积减小到无法承受正常工作产生的扭转力矩时，齿轮轴发生断裂。另外，齿轮轴颈退刀槽处易形成应力集中，也是开裂的诱因之一。  
        关键词：齿轮轴;断裂失效;瞬时冲击;微动撕裂;应力集中   
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        发布时间：2023-09-18
      • 刘谨言,买买提热依木·阿布力孜,项志成,谢丽蓉
        2023, 47(9): 160-169. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.022
        摘要：针对当前风机轴承故障诊断准确率较低、诊断难度较大、耗时较长等问题，提出改进的灰狼优化（Improved Grey Wolf Optimization，IGWO）算法与支持向量机（Support Vector Machine，SVM）故障诊断方法。为了能够精准地提取故障特征，采用时频域分析中的小波包分解法对故障振动信号进行特征提取，将小波包分解后的8个频带能量作为故障特征并构建特征向量；建立SVM故障模型并利用IGWO算法对SVM模型进行参数寻优，避免了灰狼优化（Grey Wolf Optimization，GWO）算法后期易陷入局部最优、收敛速度过慢等。实验结果表明，IGWO算法平均故障识别率高达99.3%，能够更加快速、高效、准确地识别故障的类型，为故障诊断的发展提供了良好的技术支撑。  
        关键词：支持向量机;改进的灰狼优化算法;小波包分解;特征提取;故障分类   
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        发布时间：2023-09-18

        综述

      • 管永强,王建梅,宁可,王博
        2023, 47(9): 170-176. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.023
        摘要：鼓形齿式联轴器由于其特殊的齿面形态，在实现等轴线不对中补偿的同时易导致各齿对非均布承载，破坏了齿面接触的稳定性。国内外学者针对鼓形齿对的接触理论开展了广泛的研究。综述了鼓形齿式联轴器的接触特性与理论研究现状，指出齿对间隙、齿面接触应力、齿对载荷分配的接触理论模型，是实现高性能鼓形齿式联轴器高性能设计的关键技术。  
        关键词：鼓形齿式联轴器;接触理论;齿对间隙;齿面接触应力;齿对载荷分配   
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        发布时间：2023-09-18
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