机床与液压杂志

机床与液压杂志2025年第23期

• 液压机械臂精准作业与控制技术研究现状分析

  吕立彤，周时钊，程敏，丁孺琦，陈正，徐兵

  随着工程机械等领域智能化发展对精细化作业能力要求的提升，液压机械臂需具备高精度闭环控制功能以实现精准作业。为此，系统分析液压机械臂精准作业与控制技术的研究现状，从建模与辨识、底层闭环控制和上层决策控制3个层面梳理关键技术问题与发展方向。在系统建模方面，深入研究多自由度液压机械臂的动力学机制，揭示其非线性、不确定性及环境交互中的模型特性，是开展高性能控制设计的重要基础。在控制技术层面，底层闭环控制是实现给定信号高精度跟踪的关键，而在现有技术条件下，实现全自主作业难度极大，人工辅助决策层成为不可或缺的重要手段。对此，在闭环控制层面，分析传统线性控制方法难以取得高性能的原因，提出基于模型的控制是提升性能的有效手段，并对基于学习或基于数据的方法在液压机械臂上的应用进行综述。在决策控制层面，分析遥控与主从遥操作控制的区别，提出具备力反馈等作业环境感知功能的遥操作是半自主作业的可行方法，并对其中关键技术进行分析。最后，从闭环控制、主从控制、智能化技术等方面对相关技术发展提出展望。

• 变转速下水下电液作动器振动传递机制与动态特性研究

  苏伟鸿，童心，刘轩硕，杨朝坤，刘佳佳，聂勇，梅德庆，陈正

  水下电液作动器（EHA）因高集成度和低泄漏风险而逐渐成为替代传统水下液压系统的理想方案。然而，其紧凑结构加剧了激振源与振动传递路径的耦合，同时水下EHA通常在变转速工况下运行，使振动特性分析更加复杂。针对此，围绕水下EHA的振动传递机制与动态特性展开系统性研究，重点关注其在变转速条件下的时变振动行为。构建柱塞泵流体激励模型，通过仿真与实验揭示其激振机制及幅频特征；基于频响函数分析识别系统主导固有频率，并结合实验揭示振动传递的频率相关性；最后，综合运用时频分析与阶次分析方法，对变转速工况下水下EHA的非平稳振动信号进行解析，揭示其动态频谱演化过程以及激振源与结构间的耦合传递机制。结果表明：柱塞泵的7?N?倍转频激励是主要激振源；485、750、1 870 Hz的固有频率在高转速下易与激振源低阶次谐波叠加，导致共振并显著加剧振动；采用时频分析与阶次分析相结合的方法，提取了变转速工况下非平稳振动信号中的结构共振及时变激振频率成分。分析结果与激振源模型及频响函数分析结果相符，验证了该方法的有效性，为水下EHA振动建模、振动评估及结构优化提供了理论依据。

• 电动挖掘机变转速变排量节能控制策略研究

  余饶，宋艺博，张站，李丰驰，姚建勇

  针对传统电动挖掘机驱动电机转速恒定、未能充分利用其调速能力以优化能效的问题，通过电机与泵的协同控制提升系统效率。分析永磁同步电机和轴向柱塞泵的能量损耗；分别建立永磁同步电机和轴向柱塞泵的效率模型，获取其效率特性；基于电机和泵的效率特性，提出一种大排量优先的变转速变排量控制策略，通过动态匹配电机转速与泵排量，使系统优先工作于高效区；最后，构建涵盖永磁同步电机、轴向柱塞泵、正流量系统及机械系统的电磁机液全局仿真模型。典型挖掘工况下的联合仿真结果表明：与传统定转速变排量策略相比，所提方法在150、170、200 L/min极限流量下，系统能耗分别降低了7.39%、3.91%和1.18%。引入电机调速可有效提升系统能效，且在需求流量较低时节能效果更显著，为电动挖掘机的节能设计提供了新思路。

• 液电混合能量回收式变转速泵控系统研究

  刘保生，程敏，李冬明

  针对传统阀控挖掘机存在的节流损失大、效率低，以及传统变转速泵控系统能量转化路径长、回收效率低和装机功率大的问题，提出一种非对称双泵控非对称缸的双蓄能器液电混合能量回收系统，以实现不同工况下挖掘机的实时功率匹配，提高系统能量回收效率，并降低系统能耗与装机功率。设计基于四象限工况识别的多模式切换控制策略：系统根据动臂液压缸运行速度与两腔压力判断工作模式（能量回收、能量再利用、普通模式），并在能量回收/再利用模式下，进一步依据系统负载压力与蓄能器压力的比较，切换高压或低压蓄能器参与工作，以实现最优功率匹配。为验证系统性能，建立60 kN挖掘机动臂系统的数学模型，并在AMESim仿真平台中搭建系统仿真模型，对传统分布式系统、单蓄能器系统及双蓄能器系统进行对比仿真分析。结果表明：传统分布式系统能量回收效率为56%，单蓄能器系统能量回收效率为72%，双蓄能器系统能量回收效率最高，为77%；采用双蓄能器的液电混合能量回收系统，相比于传统变转速泵控系统峰值功率降低了33.3%，相对于单蓄能器系统峰值功率降低了16%。

• 基于Unity3D的挖掘机平地轨迹数字化复现与评价

  黄兴健，葛磊，路珍，王月行，夏连鹏，权龙

  挖掘机平地作业时，传统人工拉皮绳法测量地面轨迹存在主观性强、误差大、难以准确将轨迹数据化、可视化呈现，且地面作业轨迹不完全等于铲斗齿尖走过的轨迹，不宜据此片面分析作业特性。为此，利用Unity3D构建涵盖挖掘机数学模型、虚拟模型、机制仿真模型的在线评价平台。基于D-H参数法建立挖掘机驱动空间、关节空间、位姿空间的数学模型。在Unity3D中构建挖掘机虚拟体并配置UDP协议，通过实时传感器数据（实现虚实同步）或离线文本数据（实现逐时刻再现历史作业状态）驱动模型动作。同时，通过数学模型同步计算挖掘机的一系列运动学与动力学参数形成数据集，使铲斗齿尖每个轨迹点的位姿数据关联对应数据集，实现轨迹的数据化。基于关联数据集可分析平地段作业异常成因，并以平地高度标准差等指标客观评价平地效果。最后，通过配置平台数据接口融合基于SimulationX搭建的挖掘机高精度机电液联合仿真模型，同步输入先导操控信号，利用实时仿真结果补充整机液压系统压力、流量等关键参数，共同构成对平地效果评价与机制分析的数据基础。结果表明：实体挖掘机与虚拟体的动作延迟低于20 ms，虚拟体铲斗齿尖复现出的轨迹与数学模型理论正解结果一致，平地效果评价算法客观有效。

• 管片拼装机双缸提升机构倾斜工况下的同步运动控制

  孙沛松，王飞，刘福生，张连朋，吕立彤

  管片拼装机实际施工时，由于其常在倾斜状态下作业，双缸提升机构在偏载作用下运动同步性容易受到影响。针对此问题，提出一种基于自适应鲁棒控制（ARC）的交叉耦合同步控制方法。建立考虑非对称载荷和系统非线性的双缸动力学模型，对单边液压缸采用自适应鲁棒轨迹跟踪控制策略，在单边运动精度提高的同时，将双缸同步误差反馈至交叉耦合控制器，采用模糊PID算法处理同步误差，实现对控制信号的精确分配与对尖峰误差的抑制，进而增强同步运动控制能力。最后，在管片拼装机龙门架机构上进行运动控制对比实验。结果表明：该方法在高速和低速工况下，其最大跟踪误差和平均跟踪误差均最小，表现最优；使用同等控制策略的PID控制器和仅使用ARC的同等控制方法，其同步误差较大且会出现尖锐的误差峰值。该控制方法具有跟踪误差小、同步精度高、误差波动小等优势。

• 基于驱动特性补偿的功能可编程比例阀控缸自抗扰位置控制

  尧克刚，金陆乔，陆振宇，纵怀志，孙守迪，吴建鹏，李培生

  针对可编程比例阀控缸系统大死区、模型不确定性、外部负载扰动严重的问题，设计一种基于流量驱动特性补偿的改进自抗扰控制（IADRC）算法。其核心结构由流量控制器与流量生成器组成，以名义阀口开度表征实际阀口开度、以液压缸速度表征阀流量的方法定量标定阀的驱动特性，并采用前馈补偿方式设计流量控制器，对阀进行死区补偿。在此基础上，设计由微分跟踪器、改进线性扩张状态观测器及积分滑模控制律组成的改进自抗扰流量生成器。该算法将内部模型不确定性及外部负载扰动视为系统的总扰动进行估计和补偿。结果表明：所提IADRC算法能够有效提升动态正弦跟踪与静态阶跃跟踪的控制精度，其正弦跟踪的误差均方根相比滑模PID(SMPID)和PID分别降低92.9%和97.6%，其阶跃跟踪的稳态误差相比SMPID和PID分别降低33.3%和60%，验证了所提算法的有效性。

• 一种数字液压开关阀的结构设计及稳态液动力分析

  杨梅生，李东东，毛泽兵，张旭坤

  为满足高速开关阀更高的性能需求，以提升电磁力与响应速度为目标，设计一种二位二通常闭型高速开关阀。采用计算流体力学方法，建立该阀内部流体域三维仿真模型。在Fluent软件中分析阀口开度、进油口直径、阀口锥角及进出口压差对球阀芯稳态液动力及流量特性的影响规律。仿真结果表明：稳态液动力随阀口开度的增大呈现出先增大后减小的趋势；进油口直径增大使稳态液动力和出口流量均增大，且流量增幅更为显著，最大增幅为53.6%；阀口锥角的增大有助于减小稳态液动力，最大减幅为10.3%；进出口压差增大时，小开度下稳态液动力显著增大，最大增幅为19.4%，而大开度下稳态液动力减小。此研究揭示了结构参数对稳态液动力的影响规律，为优化高速开关阀结构以提高其性能提供了理论支撑。

• 液压机器人关节轴控嵌入式实时系统软件框架设计与实时性分析

  陆振宇，查万荣，金陆乔，胡瑢华，纵怀志，孙守迪

  统一规范化的数字式关节轴控嵌入式驱控软件是实现液压机器人实时运动控制的基础技术之一。针对液压机器人关节轴控，设计一种基于Cortex-M7硬件架构与实时操作系统FreeRTOS的液压机器人关节轴控嵌入式实时系统软件框架，并进行实时性验证。硬件以Cortex-M7硬件架构的STM32H7系列为主控芯片，整合传感检测、驱动、通信模块，满足液压机器人关节的传感信号采集、电液阀驱动控制、指令通信交互的功能需求。软件采用分层设计结构，基于FreeRTOS实时操作系统进行任务管理与调度，实现液压机器人关节闭环控制、数据监测、动态维护功能。实验表明：系统各任务执行时间均满足实时性要求，高频任务的执行时间和响应时间均小于1 ms，FreeRTOS抢占式调度的成效显著；在运动控制能力方面，各液压关节的位置控制误差均小于0.6°，误差平均值和误差均方根均小于0.35°；在运行维护方面，故障诊断模块能够快速精准识别故障。

• 35 MPa刹车压力伺服阀输出压力波动分析与试验验证

  谢彦，申奥，李巍，张帅，贾海洋，王旭，佘进波，谢作建，俞滨

  某型刹车系统高压伺服阀在实际应用中出现刹车压力波动异常现象，严重影响飞机的制动性能与安全性。针对此问题，对35 MPa高压伺服阀压力波动原因进行分析。介绍该刹车压力伺服阀的工作原理，建立其关键组件的数学仿真模型，通过MATLAB/Simulink构建系统仿真模型，并利用Fluent软件进行先导级流场仿真。基于模型对进油反馈压力、回油反馈压力、先导级压力、功率级阀芯阻尼和弹簧刚度等关键参数进行理论分析与仿真验证，特别引入Stribeck摩擦模型描述阀芯非线性受力。最后，通过压力伺服阀试验测试台对诊断结论进行试验验证。结果表明：该压力伺服阀阀芯因压力反馈机制始终处于动态平衡状态，正常工作时维持小幅规律振荡，但系统阻尼过低会导致振荡加剧，使压力波动幅值增大；同时阀芯受到的非线性摩擦力在速度零点发生突变，导致阀芯运动方向切换时产生速度突变，引发阀芯不规律振荡，最终表现为伺服阀输出压力波动异常；试验测试的进油反馈压力、回油反馈压力和先导级压力均无明显波动，功率级阀芯阻尼过低是波动幅值增大的主要原因，非线性摩擦力是波动无规律性的根源。

• 电液作动器模式切换过程振荡机制分析及系统优化设计

  刘煜，姜佑鹏，李海文，徐胤靖，刘森琪，丁孺琦

  针对电液作动器模式切换过程中，液控单向阀因压差辨识延迟导致频繁启闭，进而诱发执行器速度振荡、系统动态失稳等问题，提出一种主动补偿优化方案。该方案采用电磁开关阀替代液控单向阀，并设计速度前馈-压差反馈复合控制器，实现对不对称流量的精确、主动补偿。基于电液作动器系统动力学方程与阀件流量特性建立数学模型，通过机制分析揭示“液控单向阀补油响应滞后-执行器运动惯性-两腔压力动态失衡”的耦合作用机制，明确振荡本质为液控单向阀与执行器的动态时序失配。进一步通过仿真量化分析，探究相同负载条件下执行器速度与振荡周期、幅值的非线性关系，验证速度提升是导致振荡能量累积的演化规律。在此基础上，提出采用电磁开关阀主动补偿差动液压缸不对称流量差的改进方案，通过速度前馈与压差反馈的复合控制方式，实现了对电磁开关阀动态补偿流量差的精确调控。仿真结果表明：优化前，在0~20 kN线性负载工况下，基于AMESim构建的POCV补油EHA系统在0.01 m/s预设速度下，液压缸无杆腔压力波动幅度为0.7~1.4 MPa，执行器实际运行速度为-0.007~0.035 m/s；当执行器预设速度由0.01 m/s逐步提升至0.03 m/s时，系统在模式切换过程中的振荡呈现“周期延长、幅值增大、能量累积”的非线性演化特征；优化后，系统模式切换时电磁开关阀仅进行一次启闭，压力与速度平稳无波动，彻底消除振荡，提升了EHA的动态稳定性与可靠性。

• 直翼桨螺距点驱动机构的运动学建模方法

  王刚毅，陈梓豪，常龙，刘佳佳，刘宏宇，陈波，陈正

  针对直翼桨推进器螺距点驱动机构存在的强非线性特征及传统解析建模困难的问题，提出一种基于神经网络的螺距点运动学解算方法。基于平面几何原理推导螺距点驱动机构的数值运动学解，通过建立多连杆几何关系方程组，分别求得纵向和横向作动器转角与螺距点坐标间的映射关系。利用神经网络对样本解集进行拟合，构建结构简洁、计算高效的运动学模型。仿真结果显示：神经网络模型能高度逼近理论解，建立的仿真模型与拟合方法具有较高的精度和可行性。实物实验表明，纵向作动器跟踪误差绝大多数为[-0.02,0.04]%，横向作动器误差大部分在[-0.07,0.01]%内，仅个别点达3%；螺距点位置大部分跟踪误差分别为X向[0.20,0.81] mm、Y向[-0.10,0.14] mm，仅个别点大于3?5 mm；PLC计算耗时均小于10 ms，满足实时控制要求。研究结果为直翼桨推进器的控制系统设计提供了建模参考，对提升船舶智能化操控水平具有重要意义。

• 融合TD3智能优化与自适应分数阶的电液伺服滑模控制

  孙春耕，孙泽宇，刘建强

  针对传统控制算法难以解决电液伺服系统强非线性、参数摄动和位置干扰带来的跟踪精度下降与稳定性劣化问题，提出一种融合TD3深度强化学习算法与自适应分数阶滑模控制（AFOSMC）的智能复合控制策略——TD3AFOSMC。设计分数阶滑模面，并根据滑模面设计系统控制律。依据Lyapunov稳定性理论设计自适应律，并使用TD3深度强化学习算法在线优化滑模切换增益参数。最后，建立仿真环境来验证此控制器的有效性：先在两种参考信号中加入轻微干扰，验证控制器的追踪能力和稳定性，再建立恶劣突变负载和时变参数模型，评估其在复杂工况下的鲁棒性和抗干扰能力。仿真结果表明：在参考信号1、2下，所提TD3AFOSMC控制器较自适应分数阶滑模控制器的误差标准差（SDE）和均方根误差（RMSE） 都降低了0.3%~31%，峰值误差（PE）降低1.5%~84%；在恶劣突变干扰和时变参数下，所提TD3AFOSMC控制器较AFOSMC的SDE和RMSE均降低78%，PE降低81%。因此，所提控制器能够有效提升跟踪性能，降低抖振，提高系统的稳定性与安全性。

• 基于BO-TGNet的定向钻井工具液压系统故障诊断方法

  刘晓彤，吉玲，梁倩伟，李立刚，郝宪锋

  由于定向钻井工具液压系统多源故障数据的耦合性强，采用传统智能诊断方法存在难以兼顾时序数据全局与局部特征及模型参数调整困难的问题，提出基于贝叶斯优化的Transformer-GRU（BO-TGNet）混合架构定向钻井工具液压系统故障诊断模型。采用Transformer模型结合门控循环单元（GRU）构建兼顾液压系统参数数据全局与局部特征的特征提取框架，同时引入贝叶斯优化对Transformer-GRU模型的3个关键超参数进行自适应寻优，解决复杂模型超参数的配置难题，提高模型准确率并降低训练耗时。结果表明：在基于实际翼肋及液压系统半实物测试的自建数据集中，BO-TGNet模型在诊断准确率、灵敏度、特异性、AUC、F1值等关键性能指标上均表现优异，测试准确率达98.34%，较原始Transformer模型提升9.58%，各项指标均超过0.98，模型在定向钻井工具液压系统故障诊断中具有良好性能，证明了其有效性与优越性，为液压系统智能故障诊断方法提供了参考。

• 基于神经网络与改进预设性能的电液伺服滑模控制

  陈胜友，孙春耕，韩世杰

  针对电液伺服系统存在的非线性动态导致的跟踪精度不足与收敛速率受限问题，提出一种融合神经网络与改进预设性能函数的滑模控制策略。通过建立液压系统的非线性状态方程，设计一种改进的有限时间预设性能函数，通过幂函数与指数项的分段耦合，实现跟踪误差的动态分阶段调节，有效改进传统函数收敛速率单一与稳态漂移问题；为克服误差变换过程中潜在的奇异问题，采用泰勒多项式对误差变换函数进行截断近似，确保系统输出的平滑性与稳定性；最后，结合RBF神经网络在线逼近系统非线性，降低模型简化误差，并设计滑模控制律与神经网络自适应律，利用Lyapunov稳定性理论证明闭环系统的有界收敛性。通过对比仿真实验与性能指标计算结果，所提控制器的均值误差比智能PID控制器降低了85.6%~85.7%，比传统预设性能滑模控制器降低了32.2%~81.5%，证明了该控制策略在电液伺服系统中的有效性。

• 基于WAA-BiLSTM的数控机床主轴热误差建模

  刘思怡，郭忠峰，刘琪，朱康博，陈骥驰

  为实现数控机床主轴热误差的精准预测，提出一种基于加权平均算法(WAA)优化双向长短期记忆神经网络(BiLSTM)的数控机床主轴热误差预测建模方法。进行机床主轴热误差实验，采集机床主轴的温度数据和热误差数据，结合主成分分析(PCA)与随机森林(RF)筛选温度关键点；以筛选的温升数据为输入、轴向热误差数据为输出，使用加权平均算法对双向长短期记忆神经网络的超参数空间进行优化，建立WAA-BiLSTM热误差预测模型，并与其他模型进行主轴热误差预测性能对比分析。结果表明：与GWOA-BiLSTM、PSO-CNN以及BiLSTM预测模型相比，WAA-BiLSTM预测模型的RMSE分别降低了30.5%、40.6%、43.8%，MAE分别降低了31.13%、37.06%、43.3%；WAA-BiLSTM模型的R2为0.980 8，明显优于其他3种模型，表明WAA-BiLSTM模型能够准确预测数控机床主轴热误差，为机床主轴热误差预测提供了一种新思路。

• 风电主轴双列调心轴承空心滚动体承载特性研究

  范雨晴，刘帅兵，王高峰，冯毅杰，庄智强

  为满足风电主轴轴承高承载和长寿命的性能要求，提出一种空心滚动体结构。通过有限元分析方法，以某5 MW风电主轴轴承为研究对象，在相同输入载荷下对不同空心度和空心滚子结构的双列调心滚子轴承承载特性进行研究。结果表明：相较于实心滚子，空心滚子等效应力和接触载荷更小；随着空心度增大，等效应力和接触载荷逐渐减小，滚子母线边缘应力集中现象逐渐消失，应力最大值向滚子中心转移，整体接触应力曲线逐渐趋于平滑；空心度为0.25~0.45时滚子综合承载性能最好；深穴结构下轴承等效应力、接触载荷和接触应力最大值均小于圆弧、圆角和直线空心结构；在消除边缘应力方面，深穴结构最好，圆弧结构和圆角结构次之。综合工程实际，滚子空心度为0.25~0.35最好，圆角结构滚子具有更高的生产加工和工程应用价值。

• 基于GADF-CNN-PSA-XGBOOST的齿轮箱故障诊断

  袁泉，李刚，齐金平

  针对齿轮箱故障诊断准确率不足的问题，提出一种GADF-CNN-PSA-XGBOOST的齿轮箱故障诊断方法。利用格拉姆角场差（GADF）时频分辨率高、可以深度反映时间序列内在结构和关系的特点，将采集到的一维故障数据信号转为具有高时频分辨率的二维图像，并对图像进行降维处理。采用卷积神经网络（CNN）对GADF生成的二维图像进行自适应故障特征提取，将其全连接层输出作为XGBOOST分类器的输入，并采用PID搜索算法对XGBOOST分类器的关键参数进行优化。为验证该方法的有效性，使用东南大学齿轮箱公开数据集进行实验。t-SNE可视化结果表明，经CNN特征提取后各类故障样本的区分度明显增强；该方法故障诊断的准确率达到98.5%，较传统格拉姆角场和转化方法提升显著；与WT-ICNN、LFGRU等现有主流诊断方法相比，该方法诊断准确率较高，具有优越的故障诊断性能。

• 面向数控机床虚拟仿真的碰撞检测方法研究

  秦浩然，徐坚磊，鞠立涛，胡燕海，柯世峰

  针对数控机床加工过程中可能出现的碰撞问题，提出一种基于层次包围盒与改进GJK算法的碰撞检测算法。采用自顶向下方法构建AABB层次包围盒进行碰撞粗检测，并通过平移向量和旋转矩阵对AABB包围盒进行投影变换以实现其动态更新。采用基于分离轴定理改进的GJK算法实现精检，通过构造安全距离球体并将距离计算转化为球体-四面体相交检测问题，同时设计提前退出机制，以提高距离精检测效率。最后，基于Unity 3D引擎和Visual Studio软件构建虚拟仿真环境，以验证所提算法的有效性。仿真结果表明：该算法能准确判断机床部件之间的最短距离是否小于安全值，并在仿真界面中进行高亮和报警提示；仿真过程中实时帧率稳定在103 帧/s以上，远高于30 帧/s的流畅标准要求；与传统GJK算法相比，该算法检测时间显著缩短。

• PCB钻床钻削主轴调心联轴器的动力学建模与振动分析

  张冬冬，韩雪，李祥，金慧萍

  PCB钻床钻削主轴机构下钻过程中,钻头的振动会影响钻孔精度和钻头使用寿命。针对此，分析PCB钻床主轴钻削机构中钻头的振动原因，确定影响下钻机构钻孔振动的主要因素。以某型号PCB数控钻床主轴钻削机构的重要核心部件——调心联轴器为研究对象，利用集中质量法将调心联轴器传动系统进行离散，建立其振动力学模型和振动方程，并进行求解分析。通过求解调心联轴器传动机构的振动以及分析测量数据，验证了振动模型的正确性。最后，对调心联轴器内部的零件进行振动特性分析。结果表明：钻孔越深，调心轴的振动角加速度越大，当钻削到底层板时，调心轴的振动角加速度达到峰值，此时钻头所受冲击最大，最易折断；调心联轴器中的弹簧可以有效降低调心轴的振动角加速度幅值和频率；主轴钻削机构钻孔时应避开其固有频率范围，减小电主轴所受振动冲击，提高钻头的使用寿命。

• 基于CFOA-VMD的电机轴承早期故障诊断

  石颉，马佳能

  针对电机滚动轴承在早期故障阶段因特征微弱和噪声干扰导致的故障诊断困难问题，提出一种基于捕鱼优化算法（CFOA）优化变分模态分解（VMD）的故障诊断方法。利用辛辛那提大学轴承全寿命周期数据集，通过提取量纲时域特征，确定轴承早期故障发生的具体时间点。采用捕鱼优化算法以最小包络熵为适应度函数，对VMD的两个关键参数（惩罚因子和分解层数）进行自适应优化，获得最优参数组合，对早期故障振动信号进行VMD分解，得到8个本征模态函数分量。最后，通过希尔伯特变换对IMF分量进行边际谱分析，将获得的实际特征频率与理论故障特征频率进行对比以诊断故障类型。结果表明：经CFOA-VMD方法处理得到的实际特征频率为230.469 Hz，与理论外圈故障频率236.4 Hz相比，诊断准确率达到97.5%；与灰狼优化算法、白鲸优化算法和麻雀优化算法等相比，CFOA-VMD的诊断准确率最高，验证了所提算法对于电机轴承早期故障诊断的有效性以及优越性。

• 面向微电子制造领域的宏微运动平台研究进展

  张利辉，王伟，刘强

  随着微电子设备需求持续增长，微电子产品朝着精密化方向发展，微电子制造业设备对大行程、高精度、快速响应定位平台的需求不断扩大。宏微运动定位平台具有高速、高精度和宏微运动耦合的特点，是微电子制造领域的关键设备，因此对超精密定位宏微运动定位平台的研发尤为重要。对宏微运动定位平台的国内外研究现状进行分析，并介绍典型平台架构。从宏微运动平台方案、驱动技术和定位平台控制系统3个方面对宏微运动定位平台的关键技术进行深入研究，指出高频往复运动将是今后重要研究方向，并对如何提升响应速度和提高重复定位精度提出建议。最后，阐述面向微电子制造领域的宏微运动定位平台的研发关键技术及未来方向，为后续宏微运动定位平台的设计提供参考。

• 虚拟声阵列的圆环插值近声场重建方法

  刘志红，赵耀，刘景轲，冯志鹏，王智勇，张海蕊

  为解决近声场重构精度受声阵列尺度和麦克风数量局限的问题，在不增加麦克风数量的基础上，提出一种虚拟阵圆环插值声场重建方法。基于近场声全息和阵列测量理论，以规则圆环阵为基础，以麦克风间距为参数，通过随机优化约束数值计算得出虚拟麦克风数量及位置，构建圆环虚拟阵。以虚拟麦克风为插值点，改造3次样条插值法，构造插值点的声压及其位置声矢量圆环插值函数，经插值运算快速重建圆环阵任意插值点的声压，增加声场重建的声压数据量，由声全息的声场重建公式重建声压场。数值仿真和实验结果表明：该方法可获得主瓣宽度12.73°、旁瓣抑制比23.52 dB的虚拟阵；与传统声场重建方法对比，频段1 000~3 000 Hz的声场重建精度提高11%；消声室实验中12个麦克风阵列的插值重建结果与55个麦克风阵列的实测重建结果一致，大幅降低测量成本。该方法不仅可有效重建近声场，而且适用于高频声场的重建，这为高频弱声源的识别提供了一条有效途径。

• 基于广义最小阶指定时间未知输入观测器的风电机组故障估计

  李俊强，郝万君，崔国增，郝诗源，李泽，刘瑞阳

  针对风电机组(WTs)执行器故障估计易受未知干扰影响及实时性要求高等问题，提出一种基于广义最小阶指定时间未知输入观测器的故障估计改进方法。通过构建一个增广系统，使执行器故障成为系统状态的一部分，便于设计观测器对故障的状态进行估计。为了克服随机干扰对WTs故障估计性能的影响，设计广义未知输入观测器来实现随机干扰与执行器故障的解耦。针对现有故障估计方法存在的估计误差渐进式收敛，无法满足WTs对执行器故障估计实时性要求的现状，设计最小阶指定时间观测器来缩短故障估计时间。最后，以标准NREL 5MW风电机组为研究对象，进行仿真实验。结果表明：所设计的广义最小阶指定时间未知输入观测器对比传统广义未知输入观测器在对WTs执行器典型的渐变与突变故障进行估计时具有更好的实时性；对于突变故障，传统观测器约需1.5 s收敛，而此方法仅需约0.15 s；对于渐变故障，传统观测器约需1 s跟踪，而此方法仅需约0.1 s。此方法计算简单，计算成本低，更具有应用优势。

• 算法求解多目标柔性作业车间节能调度问题

  栾飞，陈劲南，杨雪芹，王迪，王晓峰

  针对现有研究未考虑机器多转速及优化目标不全面的问题，建立以最大完工时间、平均流经时间、总延期时长、瓶颈机器负荷、机器总负荷和系统总能耗为优化目标的多目标柔性作业车间节能调度问题（〖BF〗EE_HMFJSP〖BFQ〗）模型，提出一种INSGA-III求解算法，以获得同时满足6个优化目标的调度方案。采用三段式实数编码方式进行问题表示；在工序的交叉变异阶段，设计一种概率自适应的交叉变异方法，通过控制8种交叉、变异算子的接受概率，协调个体更新机制，从而提高种群多样性；在非支配排序阶段，采用基于参考点的近似支配原则代替传统非支配原则选择个体，以降低算法的计算复杂度；最后，在测试数据集Brandimarte上进行仿真实验。结果表明：在10个算例上，INSGA-III算法的最优值和平均值优于NSGA-III算法和NSGA-II算法，且该算法均取得了最小的IGD值和最大的HV值，验证了INSGA-III算法求解〖BF〗EE_HMFJSP〖BFQ〗时的有效性。

• 泡塑成型机液压系统低压损集成方法研究

  孙琦，耿怀德，王全锁，郑向军，郝云晓，权龙

  针对泡塑成型机传统液压阀块工艺复杂、加工困难、压损能耗大等问题，设计一组新型液压集成阀。该集成阀采用模块化设计，将多个功能阀件集成在一个阀块内，用优化的铸造流道替代传统的机加工直线型流道，减少了不必要的转弯和连接管路。分别建立原装阀及集成阀的三维模型，并抽取其关键流道（P-B流道和A-T流道），使用计算流体动力学方法进行内部流场仿真，对两个流道的内部流场进行数值模拟和压损计算。仿真结果表明：原装阀由于流道长、直角转弯多，其压力损失明显大于流道布局更紧凑、转弯更平缓的集成阀；随着流量增加，两种阀的压力损失均呈抛物线状上升趋势；相同工况下，新型集成阀的流道压损值显著低于原装阀，其最大压损降低幅度达62.2%，而平均压损降低幅度超过55%，有效降低了系统能耗。

• SMA膜片驱动的尿道阀研究

  谯乾富，李笑

  为解决现有SMA驱动尿道阀存在植入部分结构复杂、响应速度低及安全性不高等问题，提出一种基于聚酰亚胺（PI）加热膜加热SMA膜片驱动的尿道阀，利用SMA膜片受热相变产生的弯曲变形实现尿道的启闭。建立PI加热膜-SMA膜片温升模型、SMA膜片刚度模型及复位弹簧回复力模型，设计PI加热膜材料参数和SMA膜片结构参数，通过尿道阀的驱动特性、启闭特性和温控策略仿真与实验，验证尿道阀原理的可行性和温控策略的有效性。结果表明：尿道阀原理可行，植入部分结构简单；SMA膜片在达到相变开始温度后开始产生驱动力，实验数据与仿真结果吻合良好；增加SMA膜片厚度可提高尿道阀开启速度和尿流率；在保证不漏尿的前提下，减小弹簧刚度可提高开启速度和尿流率；与直接加热相比，变功率温控策略将开启时间从15 s缩短至5 s，平均尿流率为17 mL；使用隔热硅胶垫确保了即使SMA膜片温度达到60 ℃，尿道温度仍在安全范围内，满足响应速度快与安全性高的设计要求。

• 基于CFD的电喷雾离子源性能仿真优化

  张艳利，黄栋，张华伟，陈启愉，谭国斌，郝晓曦

  电喷雾离子源的离子传输效率制约质谱仪的灵敏度和分辨度，从而影响质谱仪性能。为此，在离子源内部引入牵引电极，通过施加电场力引导离子偏转，使其聚焦并进入采样口，从而提高传输效率。利用 CFD仿真，对电喷雾离子源内部的空间电场和离子运动轨迹进行模拟，分析喷针尖端和采样口附近的电势分布及其对离子传输效率的影响，并研究牵引电极形状、尺寸、空间位置和工作电压对离子传输效率的影响，最终得出最优结构和工作参数。最后， 将优化后的结构在真实质谱仪上进行测试。结果表明：引入牵引电极后，离子传输效率从10%显著提升至29%；电极改变了空间电势分布，形成了更利于离子聚焦的电场；圆形牵引电极在4 000 V时的离子传输效率最高；牵引电极形心与采样口同轴、电极与采样口轴向距离为20 mm、圆形牵引电极直径为20 mm时离子传输效率最优；在相同噪声水平下，优化后1 pg利血平峰高值更高，表明优化后的离子源传输效率更高，证实了仿真结果的可靠性和优化方案的有效性

• 离心场中电液伺服振动系统的研制与测试

  李心耀，舒杨，郭虎，温金鹏，陈文颖

  为了利用离心模型研究振动作用下土工结构的动力学行为，基于电液伺服驱动原理，研制一套可工作在100g离心场环境中的电液伺服振动系统。该系统主要由机械系统、液压系统、电气系统和安全保护系统组成，可以实现离心场中大推力(800 kN)、快加速度(30g)、高速度(0.75 m/s)、宽频带(10~350 Hz)振动载荷的单次或多次加载。通过不同离心过载环境和不同波形的测试试验，对电液伺服振动系统开展功能和有效性验证。结果表明：该系统可以在离心模型试验中对模拟土工结构开展不同振动波形条件下的响应分析，离心场中水平电液伺服振动系统的设计合理，能够满足指标参数要求；频率为10 Hz时，系统能够快速、精确地响应正弦波；系统能够快速、精确地响应随机波和地震波，但是随着频率升高，受伺服阀响应特性的影响，波形失真度会略有增加，为土工结构的抗震设计提供可靠的理论和试验依据。

• 防砂筛管通用机械性能检测试验设备设计

  陈冬冬，张吉祥，黄帅，谷春华，马双伟，崔鹏飞

  为解决油田开发中因防砂筛管机械损伤导致的防砂失效问题，开发一套通用型防砂筛管机械性能检测试验设备，以提升筛管质量与可靠性。根据API标准确定试验样件尺寸范围和加载要求，设计集成拉伸、压缩、弯曲、扭转及各类复合加载功能的试验系统。针对大载荷测试中的关键技术难题，如弯曲/扭转试验中产生的轴向附加力、拉-扭复合测试中摩擦扭矩对结果准确性的干扰等，提出一种依靠静压支撑的解决方案，并将其深度集成于试验机的高精度控制系统中，从而确保了测试数据的可靠性。最后，通过系统仿真分析和实物试验验证设备的性能。结果表明：设备结构在5 000 kN拉力和20 kN·m扭矩载荷下最大应力为334.09 MPa，满足强度要求；实物试验验证显示设备能准确实现预定的拉扭复合和拉弯复合加载，设备各项性能指标均达到预期，试验数据准确可靠，有效满足了防砂筛管及完井工具的全面机械性能检测需求。试验设备为深入理解防砂筛管的机械性能提供了重要的试验基础，有助于评估其在复杂工况下的可靠性和耐用性，从而保证防砂筛管质量。

• 平整机卸卷小车液压系统改进设计及仿真

  崔明宇，胡俊，柏峰

  针对现有卸卷小车液压原理复杂、液压软管爆管容易造成生产和安全事故等问题，提出一种改进的液压系统设计方法。分析卸卷小车在卸卷过程中升降液压缸的速度和压力参数，采用简单可靠的液压元件搭建高低压切换液压回路以取代原有的复杂组合，并在液压缸和软管之间增设平衡阀。基于AMESim建立改进后的平整机卸卷小车液压系统仿真模型，模拟卸卷小车在完整卸钢卷工作过程中升降液压缸的行程、速度和压力变化，分析不同工况下平衡阀在软管爆管时的控制效果，并通过现场试验进行验证。结果表明：改进后的液压系统高低压切换回路元件数量从5个减少至2个，简化了系统结构；仿真结果显示在卸卷、快速上升和快速下降过程中发生无杆腔软管爆管时，平衡阀均能有效控制液压缸，防止快速下落砸坏设备；增设平衡阀使接卷时液压缸行程变化量减少50%~90%，显著降低了“抽芯”故障风险。现场试验结果与仿真结果吻合，验证了设计的可行性。因此，改进后的卸卷小车液压系统原理简单、可靠性高、设备安全性好。