最新刊期
      2024 年 第 48 卷 第 9 期

        理论研究

      • 孙振茂,吴胜利,段伟建,邢文婷
        2024, 48(9): 1-9. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.001
        摘要：如何有效计算结合面的接触刚度以及分析结合面刚度对整体结构动态特性的影响，是机械结构研究的重要课题之一。目前更多的是简单地将分形理论应用于结合面刚度计算分析，难以全面地对微观形态接触特性进行分析。因此，亟待提出齿面接触刚度计算的新方法，对微观形态接触特性进行分析。基于W-M（Weierstrass-Mandelbrot）函数构建了齿面微观结合面三维实体模型，考虑粗糙度对刚度的影响，提出了一种基于分形维数D和齿面粗糙度的粗糙表面轮廓分形表征新方法；探讨了微凸体接触变形机制，揭示了接触刚度随微凸体变形而变化的规律。研究表明，在同一粗糙度的微观结合面中，当微凸体变形到同一水准时，分形维数D越大，其接触刚度越大；在同一分形维数、不同粗糙度的结合面中，结合面的粗糙度越小，接触刚度越大。  
        关键词：粗糙表面;粗糙度;分形理论;接触刚度模型   
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        发布时间：2024-09-23
      • 陈慧潇,师陆冰,职彦锋,颜世铛,丁昊昊,裴帮,刘忠明,王文健
        2024, 48(9): 10-17. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.002
        摘要：为探究行星齿轮传动系统飞溅润滑行为，基于移动粒子半隐式（Moving Particle Semi-implicit，MPS）方法建立了行星轮系飞溅润滑仿真模型，并对其进行了试验验证；研究了行星轮系周转运动过程中的减速器内部油液分布特征、轮齿啮合区润滑油液粒子数量以及各旋转部件搅油损耗的变化规律。研究结果表明，行星轮系周转运动过程中，减速器内部可划分为油池区、拖拽区和贫油区3个区间；行星轮渐次通过各区间过程中，不同啮合区域内油液粒子数量以及各部件搅油损耗力矩值均呈现周期性变化规律。其中，内啮合区与外啮合区润滑油液粒子数量在行星轮运行至油池区时达到峰值，并均在进入贫油区后迅速下降至最小值；行星轮搅油损耗力矩在进入油池区后急剧上升至峰值，在进入拖拽区后持续下降直至进入贫油区后稳定在极低水平；而行星架搅油力矩在某一行星轮进入油池区域时急剧下降，在该行星轮进入拖拽区且下一行星轮未进入油池区时快速回升。在整个周转周期内，太阳轮搅油损耗较小且变化趋势较为平缓。行星轮系总的搅油损耗功率中，3个行星轮总搅油损耗功率占比约为60%，其次是行星架，太阳轮占比最少。  
        关键词：MPS;行星轮系;飞溅润滑;油液分布;搅油损耗   
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        发布时间：2024-09-23
      • 周秦源,张磊,邓越平,张陈,卢日荣,胡贤哲
        2024, 48(9): 18-26. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.003
        摘要：针对标准快速扩展随机树（Rapidly Exploring Random Tree，RRT）算法在复杂环境下存在盲目扩展、陷入局部搜索易导致规划失败、采样成功率低、路径冗长等问题，提出一种自适应目标导向策略结合区域采样备选策略以及贪婪剪枝策略的改进RRT算法。在机械臂运动学基础上，用包络简化机械臂模型来提高碰撞检测的效率；自适应目标导向策略解决了复杂环境中RRT算法盲目搜索、搜索成功率低、不易收敛的问题；区域采样备选策略解决了RRT算法易陷入局部搜索、采样成功率低以及采样时间长的问题；贪婪剪枝策略剔除了冗余节点，缩短了路径，提升了路径质量，增强了算法的鲁棒性。在Matlab软件和机器人操作系统（Robot Operating System，ROS）中对不同场景进行了避障仿真规划。结果表明，改进RRT算法平均搜索成功率提高了82.4%，平均采样成功率提高了67.5%，平均路径规划成功率提高了70%，平均时间效率提高了81.9%，平均路径长度缩短了63.05%。最后，对实体机械臂进行轨迹规划，进一步验证了算法的实用性与有效性。  
        关键词：焊接机械臂;碰撞检测;自适应目标导向;区域采样备选策略;贪婪剪枝   
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        发布时间：2024-09-23
      • 夏广健,曾庆生,冯栋彦,李甚霖
        2024, 48(9): 27-34. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.004
        摘要：针对冗余移动机械臂的轨迹规划问题，提出一种基于多项式插值法同时结合分段规划思想的方法。将机械臂与移动平台视为一个整体系统并进行运动学分析，建立运动学模型，推导了通用形式的几何雅可比矩阵及其伪逆；在轨迹规划过程中，以轨迹运行时间、移动机械臂末端移动的空间距离为优化目标，同时考虑各关节速度及加速度的约束，采用遗传算法对冗余移动机械臂的轨迹进行了优化。仿真实验结果表明，优化后运动的轨迹平滑，移动平台与机械臂各关节位移及速度曲线连续且平稳，验证了方法的可行性与有效性。  
        关键词：移动机械臂;轨迹规划;几何雅可比矩阵;遗传算法   
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      • 李翔,彭先龙
        2024, 48(9): 35-42. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.005
        摘要：将液压马达中的液压油换成自然水会导致轮系的泄漏量增大，马达容积效率降低。为了提高非圆行星齿轮水压马达的容积效率，定量分析了轮系与配流盘的轴向间隙对马达容积效率的影响。首先，根据旋转平面缝隙泄漏原理和流体内摩擦力推导出轮盘之间的泄漏和功率损失计算式，从而计算出在30 MPa压差下马达轴向间隙的最优解；然后，在考虑制造误差的基础上，基于动网格和用户自定义函数（User-Defined Function，UDF）编程技术，检测分析马达在不同轴向间隙下的泄漏量以及容积效率，同时计算出同等条件下马达的理论容积效率；最后，将两者加以对比，得出不同工况下马达容积效率的变化趋势与极小值。研究表明，从选取轴向间隙值的计算结果来看，当轮盘的平面度为0.01 mm时，在工作压差30 MPa以内，马达的容积效率不低于77.28%。研究为后续马达的结构改进提供了依据。  
        关键词：水压马达;非圆行星齿轮;轴向间隙;容积效率;动网格   
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        发布时间：2024-09-23
      • 万琦,张永芳,朱成龙
        2024, 48(9): 43-48. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.006
        摘要：递纸机构的动力学特性对印刷机的印刷速度、套准精度以及印品质量具有重要影响。递纸机构大多由凸轮机构和连杆机构串联而成，不可避免地存在铰链间隙；铰链间隙的存在将降低机构稳定性、工作效率，缩短寿命。以凸轮连杆机构为研究对象，建立含多间隙铰链的机构动力学模型，分析了不同间隙尺寸、间隙铰链位置、间隙铰链数量对机构动态响应的影响。结果表明，上述因素均对递纸机构的传动精度和稳定性产生影响，其中，多间隙铰链之间的相互作用对机构动力学特性的影响显著。为含间隙铰链印刷机的结构优化设计提供了参考。  
        关键词：递纸机构;间隙铰链;凸轮连杆机构;动力学特性   
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        发布时间：2024-09-23

        设计计算

      • 车林仙,彭斯洋,黄鑫,何兵,贺晓辉,敖进
        2024, 48(9): 49-59. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.007
        摘要：设计了一种无伴随运动的面对称一移动两转动2PRU-PRUR并联机构，应用旋量理论分析了机构自由度和运动特性。将末端执行器输出轴设置为偏置形式，可提高姿态能力。采用球面姿态角（方位角和倾摆角）描述该输出轴姿态，并推导出机构逆向位置符号解。以旋量理论为数学工具，给出局部和全域传递性能指标的定义和计算方法。在机构性能评价和工作空间分析的基础上，建立了机构尺度参数昂贵约束高维多目标优化模型，并采用多目标进化算法求解该问题。同时，为提高高维多目标优化算法在解决此模型时的性能，提出了一种矢量角高维多目标差分进化（Vector-angle-based many-objective Differential Evolution，VaDE）算法，可综合平衡个体的收敛性和分布性。应用VaDE求解机构高维多目标优化问题，得到多组Pareto备选解。研究结果可为机构尺度综合和实际应用提供参考。  
        关键词：并联机构;传递性能;高维多目标优化;矢量角;差分进化算法   
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        发布时间：2024-09-23
      • 葛研军,马雪祺,李海涛,龙威,于涵
        2024, 48(9): 60-67. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.008
        摘要：针对轴向永磁齿轮电动机（Axial Magnetic Gear Motor，AMGM）整体尺寸偏大导致的转矩密度偏低（≤70 kN·m/m3）等缺陷，提出了一种双调制式轴向永磁齿轮电动机（Dual-modulation Axial Magnetic Gear Motor，DAMGM）。采用高速侧及低速侧两个调磁环对DAMGM低速转子进行调制，且两个调磁环中的非导磁部分均为永磁体，有效提高了低速转子的输出转矩；另外，与现有AMGM相比，将驱动电动机置于DAMGM高速永磁转子内部，减小了整体轴向尺寸，大幅提高了低速转子的转矩密度（150 kN·m/m3）。针对现有3D有限元计算时间长、计算机资源浪费严重等问题，给出一种基于圆柱坐标系的DAMGM三维分析方法。根据调磁环的3种边界条件，建立了调制后DAMGM气隙磁场及电磁转矩的数理模型，不仅计算结果准确（与3D有限元相比，平均计算误差≤5%），而且计算时间短（仅为3D有限元的1/10），便于DAMGM不同参数结构的分析、比较与优化。  
        关键词：轴向永磁齿轮电动机;气隙磁密;电磁转矩;三维分析法   
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        发布时间：2024-09-23
      • 刘佳鑫,李栋,王淑妍,蒋旭君
        2024, 48(9): 68-75. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.009
        摘要：针对谐波齿轮传动中S形齿廓存在的啮合区域优化问题，提出一种有效边缘点共轭齿廓的设计方法，避免了S形齿廓方程复杂导致的无法求解问题。以S形齿廓的凸齿廓为啮合副基础齿廓，分别以传统间隙调整法与有效边缘共轭点法设计了柔轮、刚轮的齿廓，并在平面数值分析、有限元模型中对比分析了两种设计方法所得齿廓的啮合特性与接触应力。研究结果表明，有效边缘共轭点齿廓设计方法可以同时实现二次啮合和两点啮合，增大了啮合角度以及啮合弧长；整圈啮合齿对数增加了15.78%，有55%的柔轮齿参与啮合，提升了谐波齿轮传动负载性能；有效增大了接触区域，齿廓间的最大接触应力降低了24.36%，可有效降低柔轮和刚轮齿面间的磨损。  
        关键词：谐波齿轮传动;S形齿廓;有效共轭点;啮合特性   
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        发布时间：2024-09-23
      • 张恩惠,赵长荣,任士超
        2024, 48(9): 76-81. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.010
        摘要：介绍了一种基于平面五杆机构的人体下肢康复装置，旨在满足术后卧床的卒中患者的早、中、后期的下肢康复训练需求。该装置具有简单可靠的特点，可以在床尾侧放置或随患者行走移动。装置主要由下部移动平台、手动升降组件、上部动力传动机构及左、右训练机构组成，并在踝、膝关节通用的关节支架上附有传感器，患者的运动信息可以被实时采集和反馈。运动学分析及Adams软件仿真结果表明，调整该装置双曲柄的初始相位，可以改变关节点的运动轨迹，得到不同运动模式下人体下肢关节运动的范围，达到卧式训练及行走训练的目的，从而满足患者不同康复阶段的训练需求。  
        关键词：下肢康复装置;平面五杆机构;结构设计;运动学分析;Adams仿真   
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        发布时间：2024-09-23
      • 王新,侯腾达
        2024, 48(9): 82-88. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.011
        摘要：对艾灸机器人柔性臂进行了设计和仿真。柔性臂选用热塑性聚氨酯弹性体（Thermoplastic Polyurethane，TPU）材料、分段式波纹管结构，包括弯曲段和伸长段。应用Abaqus CAE分析软件，对波纹管壁厚、波纹角等结构尺寸进行了设计优化，从弯曲角度与气压关系、灵活度方面对柔性臂进行了运动学仿真分析，并对柔性臂力学性能进行了计算分析。结果表明，设计的艾灸应用场景的机器人柔性臂能够满足负载能力和灵活度的要求。  
        关键词：艾灸机器人;柔性臂结构;波纹管;仿真设计   
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        发布时间：2024-09-23
      • 闫法义,董少杰,卢玉,倪立鲁
        2024, 48(9): 89-97. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.012
        摘要：对破碎机工作装置工作过程中的运动轨迹进行规划，结合机器人机械臂的研究理论，基于改进型D-H法建立了破碎机工作装置模型；建立工作装置运动学模型，对其进行正向运动学分析，并通过运动学逆解得到回转平台、动臂、斗杆在空间中不同位置下的关节角度；在关节空间内分别使用5次多项式曲线、7次多项式曲线与9次多项式曲线规划了工作装置的运动轨迹。在Matlab平台内通过Robotics Toolbox搭建工作装置D-H参数模型并对3种方法进行仿真，获得了关节回转的角度、角速度和角加速度变化曲线并进行对比分析，发现7次多项式规划的角加速度曲线平滑连续、没有突变且波动较小，能够保证工作装置运动的连续性与平稳性。  
        关键词：液压破碎机;轨迹规划;多项式插值;运动学分析   
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        发布时间：2024-09-23

        试验分析

      • 王博,王建梅,金同鑫,管永强,陈亮
        2024, 48(9): 98-105. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.013
        摘要：为研究膜片厚度对风电联轴器传递转矩及不对中补偿性能的影响，建立了联轴器整体有限元模型，得到了转矩、轴向位移及角位移载荷共同作用下的膜片应力云图，结合膜片实际破坏位置，验证了有限元仿真分析的可行性；给出了不同载荷作用下各膜片厚度的应力响应，分析了不同载荷对各厚度膜片应力的影响程度，探讨了不同厚度下膜片组螺栓预紧力及接触摩擦因数对联轴器性能的影响。结果表明，膜片厚度的增加能够提高联轴器传递转矩能力，但会削弱其不对中补偿能力；各载荷对不同厚度膜片应力影响的主导程度不同，膜片厚度为3 mm时的联轴器综合性能最强；螺栓预紧力对联轴器性能的影响很大，而膜片间的接触摩擦因数对联轴器性能的影响较小。  
        关键词：风电联轴器;膜片厚度;有限元仿真;应力分析;联轴器性能   
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        发布时间：2024-09-23
      • 叶葳,杜常清,公冶祥玉,赵亦凡
        2024, 48(9): 106-113. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.014
        摘要：以混合动力商用车电控机械式自动变速器（Automated Mechanical Transmission，AMT）换挡过程为研究对象，以减小换挡冲击和缩短换挡时间为目的，使用Simulink搭建了包含动力源动态协调与基于最优控制原理的电动机主动同步控制的无同步器换挡控制模型，并使用AMESim建立了动力系统及整车动力学仿真模型；以5挡升至6挡为例，采用AMESim与Simulink开展联合仿真分析，并与传统换挡策略的换挡性能进行了对比。仿真结果表明，换挡过程中，同步时间缩短21.42%，最大冲击度减少24.88%，整个换挡时间缩短18%。最后，基于dSPACE半实物仿真平台对所提控制策略进行了实时验证。  
        关键词：电控机械式自动变速器;无同步器结构;挂挡冲击;电动机控制;挂挡品质   
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      • 张卫亮,王旭鹏,吉晓民,唐欣尧,刘峰峰,刘明君
        2024, 48(9): 114-122. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.015
        摘要：在分析三维五向编织纱线运动规律的基础上，将复合材料箱体设计为由编织底座和箱体壁两部分拼接的结构；在此基础上，得出了三维五向复合材料拼装箱体的编织和成型原理；根据编织原理和纱线运动规律，建立了拼装编织箱体的三维实体模型；对三维五向复合材料拼装箱体进行有限元分析，并通过应力和应变分析结果研究了编织复合材料箱体中基体和纤维的受力。在忽略摩擦、轴承等因素对系统影响的假设下，建立了考虑箱体两级齿轮传动系统的运动方程组，通过龙格-库塔法对两级齿轮传动系统进行数值分析，研究了激励对拼装编织系统动态特性的影响。  
        关键词：三维五向箱体编织;复合材料;三维实体模型;两级齿轮传动系统   
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        发布时间：2024-09-23
      • 崔超,庄森
        2024, 48(9): 123-127. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.016
        摘要：过约束机构运动副约束力存在求解困难的问题，尝试将达朗贝尔原理中的约束力项分解为静态约束力和动态约束力两部分，分别求取过约束条件下的静态约束力和平衡惯性力的动态约束力，通过二者叠加的方法求解示力副总约束力。以均布三对传力杆空间RCCR机构为研究对象，通过上述方法求解约束力，并将求解结果与动力学仿真运算结果对比，结果具有良好的一致性。  
        关键词：达朗贝尔原理;过约束;空间RCCR机构;动约束力   
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      • 王子顺,汪韵朗,赵东辉
        2024, 48(9): 128-138. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.017
        摘要：综合运用振动信号分析、内窥镜检查、宏观观察、金相分析、扫描电镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）分析、能谱仪分析（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS）和力学性能试验等多种技术手段，针对某型号风电齿轮箱出现的沿齿槽径向开裂现象进行了故障诊断与原因分析。通过振动信号分析发现异常振动，并通过频谱分析和时域特征提取了确定异常振动的特征；通过内窥镜检查确认故障位置，拆解后利用SEM检测确认裂纹源存在一块大尺寸夹杂物，并通过EDS明确了夹杂物的成分；进一步分析确定齿轮贯穿性开裂的整个过程，通过综合分析确定了故障原因和位置，为设备维护提供了科学依据，并为提高生产效率、延长设备寿命、降低故障损失和维修成本提供了参考。  
        关键词：风力发电机组;故障诊断;原因分析;故障闭环;齿轮开裂   
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        发布时间：2024-09-23

        开发应用

      • 张学刚,董英杰
        2024, 48(9): 139-144. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.018
        摘要：为了设计出任意齿面接触印痕的曲线圆柱齿轮副，提出了一种根据所需齿面接触印痕尺寸逆向确定加工曲线圆柱齿轮的盘形铣刀半径的方法。首先，介绍了曲线圆柱齿轮副的齿面数学模型；其次，建立了齿面接触印痕计算的数学模型；然后，以4种不同半径的双刃铣刀所加工的曲线圆柱齿轮为例，研究了盘形铣刀半径与齿面接触印痕之间的关系图谱；最后，利用插值法实现盘形铣刀半径的选择。该法可以跳过齿轮的试加工环节，降低了齿轮制造成本，为固定面铣式曲线圆柱齿轮的设计与制造奠定了基础。  
        关键词：曲线圆柱齿轮;盘形面铣刀;接触印痕;数学模型   
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        发布时间：2024-09-23
      • 郭策,陈玉,王淮阳,阚延鹏,孟庆洋,卢梦晨
        2024, 48(9): 145-151. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.019
        摘要：为了更好地辅助腕关节损伤患者进行康复治疗，设计了一种腕部康复训练器。首先，根据腕关节的生物学运动机制和仿生原理，对康复训练器进行结构设计，并添加腕关节的柔性补偿关节设计；然后，基于柔性补偿关节建立腕关节的运动学模型并求得训练器工作空间；接着，搭建虚拟样机平台并设计关节驱动阻抗控制器，进行联合仿真试验，分析了摩擦参数、阻尼参数以及人机接触负载对阻抗控制性能的影响，验证关节控制可以实现；并对比分析了补偿关节的工作空间，验证了训练器结构设计的合理性和可行性，为下一步实物样机的制作提供了理论依据。  
        关键词：康复训练器;腕关节;运动学仿真;动力学模型;联合仿真   
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        发布时间：2024-09-23
      • 赵智全,祝锡晶,李婧,崔佳俊
        2024, 48(9): 152-159. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.020
        摘要：在微定位平台的设计中，引入能够产生高位移放大倍数的三维桥式放大机构，并在此基础上引入了能够有效减少输出端寄生位移的四杆对称式导向机构，从而使所设计的微定位平台能够充分结合二者优势。根据应变能理论、卡氏第二定理、拉格朗日定理，建立该微定位平台的静动态数学模型，理论分析了平台关键尺寸对平台位移放大倍数的影响；并通过计算获得了最优参数下的放大倍数和固有频率，其值分别为19.90和193.26 Hz。通过有限元方法验证了放大倍数和固有频率，其相对误差分别为4.3%和5.9%，从而证明了所改进的微定位平台的优越性能以及理论分析方法的准确性，为放大机构的柔性微定位平台的数学模型构建提供了一定的理论指导。  
        关键词：三维桥式放大机构;四杆对称式柔性机构;柔性微定位平台;卡氏第二定理;有限元仿真   
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        发布时间：2024-09-23
      • 周娟利,王城宇,赵栓峰
        2024, 48(9): 160-166. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.021
        摘要：针对齿轮箱滚动轴承在故障诊断过程中，存在采样数据过大、故障特征提取效果不佳的问题，提出了一种基于最大相关峭度解卷积（Maximum Correlation Kurtosis Deconvolution，MCKD）的正则化正交匹配追踪（Regularized Orthogonal Matching Pursuit，ROMP）算法，用于轴承微弱故障信号的诊断。首先，为实现MCKD和ROMP算法中参数的自适应选择，引入改进的灰狼优化（Improved Grey Wolf Optimization，IGWO）算法；然后，利用IGWO对原始信号进行MCKD降噪处理；最后，利用IGWO-ROMP实现对信号的重构，通过对信号进行包络分析，实现对轴承故障的诊断。仿真信号和实验验证结果表明，该方法能够有效地提取轴承微弱故障成分。为轴承微弱故障信号的诊断提供了一种新思路。  
        关键词：IGWO;MCKD;ROMP;轴承故障诊断   
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        发布时间：2024-09-23

        综述

      • 刘伟,肖钊,瞿寅朋,许守亮
        2024, 48(9): 167-176. DOI: 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.09.022
        摘要：机器人灵巧手可以模仿人类动作，完成复杂场景下的多种任务。机器人灵巧手的研究是开发智能人形机器人的关键技术之一。以机器人灵巧手的研究历程为核心，阐述了多指灵巧手的研究现状，分析了灵巧手的演化过程和研究进展。从自由度数目、驱动方式、机械传动方式和传感技术等方面探讨了灵巧手分类和特征，展望了灵巧手未来的发展趋势。  
        关键词：机器人灵巧手;仿生技术;机械传动;感知技术   
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        发布时间：2024-09-23
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