机床与液压杂志

机床与液压杂志2025年第24期

• 混合现实与数字孪生驱动的人机交互式机器人系统

  陈俊，孙文磊，李品文，刘国良，常文轩，许黄帅

  数字孪生机器人系统在监测过程中的空间表现力较差，在机器人远程示教编程中存在编程过程冗杂、人机交互感差等问题。针对此，提出一种融合数字孪生与混合现实技术的机器人同步映射方法。构建机器人工作场景模型并利用?Unity?平台建立模型机与真实机器人的孪生通信，以此为基础构建机器人数字孪生平台。利用MRTK通信工具将数字孪生载入混合现实设备Hololens2中，利用机器人坐标系关系完成虚拟场景与二维码的绑定，实现孪生视角由二维到三维空间的转变，并利用网络端通信构建数字孪生操作UI界面，与手势操控相结合，改变交互模式，降低机器人示教难度并提升示教效率。最后，通过手势示教编程完成机器人同步抓取实验，验证了数字孪生技术与混合现实技术同步映射的可行性。经过多次实验分析，系统能够精准定位并完成抓取工作。

• 对数螺旋活齿传动的动力学建模方法研究

  杨汶瑾，王世松，李奕锟，邓星桥，李凡，王浩文，董成龙

  数螺旋活齿传动(LSMTD)作为一种新型精密重载传动装置，其复杂的结构形式导致动力学特性难以被准确预测，进而对其服役工况选择及结构参数优化造成严重阻碍。针对这一问题，提出一种LSMTD动力学建模方法，构建考虑滚子、凸轮、保持架、活动齿及内齿圈的相对运动与接触关系的LSMTD动力学仿真模型，并与理论运动学参数进行对比，验证模型的有效性。在此基础上，利用该模型定量分析凸轮转速、保持架负载及滚子轴承游隙对其动态接触力和传动误差的影响规律。结果表明：在设置的工况下，动态接触力受凸轮转速和轴承游隙的影响较小，随负载增加而增加；在同一啮合周期内，推程段动态接触力随凸轮转角呈阶梯式上升，回程段接触力基本为0；瞬时传动误差的幅值随凸轮转速增加而降低，随负载扭矩和轴承游隙增加而增加；其波动随凸轮转速和负载扭矩增加而增加，随轴承游隙增加而降低。该研究可为对数螺旋活齿传动的优化设计提供参考。

• YW-SLAM:一种面向室内动态环境的融合语义和几何的视觉SLAM方法

  范立昊，陈凌珊，李镇，武宏吉

  同时定位与地图构建（SLAM）技术广泛应用于室内智能机器人导航，但现有多数SLAM系统假设静态环境，存在动态对象时易受到干扰，影响定位与建图精度。为提升动态场景中的SLAM性能，提出基于ORB-SLAM2的RGB-D SLAM系统YW-SLAM，用于室内动态环境中的定位与导航。YW-SLAM通过轻量级YOLACT++实现潜在动态对象的检测与分割，将语义分割结果嵌入到几何分割计算中，仅使用标记为静态的特征点进行基础矩阵估计，实现了语义和几何信息的紧密耦合。另外，引入特征点权重并用动态信息对其进行初始化，基于权值进行联合优化，显著降低了失配率，提高了定位精度。TUM RGB-D数据集上的实验结果显示：与传统ORB-SLAM2算法相比，YW-SLAM在高度动态环境下的绝对轨?迹误?差性能提高了93%以上，显著降低了动态目标对系统的影响，并优于DS-SLAM、Dynamic-VINS、DVO-SLAM与?DynaSLAM?。

• 可重构两栖无人机自适应控制方法研究

  常青，陈佳，赵祥云，王灵玉，高森，陈曦

  针对可重构两栖无人机在飞行过程中因质心与桨叶平面存在偏移而导致的姿态不稳定问题，提出一种基于Lyapunov稳定性理论的自适应反馈线性化控制方法。在牛顿-欧拉原理下建立考虑质心固定偏移的六自由度非线性动力学模型，将质心偏移作为关键扰动参数纳入系统建模，并对比分析级联PD控制器与输出反馈线性化控制器在外界扰动作用下的控制性能差异。在此基础上，设计自适应控制器，构造Lyapunov函数，推导系统状态误差与扰动估计误差的有限时间收敛条件，实现对结构性质心偏移的在线补偿。仿真结果表明:所提自适应反馈线性化控制器通过引入在线参数估计与动态补偿机制，有效抑制了结构偏移带来的模型失配问题，显著提升了飞行轨迹跟踪精度和姿态稳定性。样机飞行实验进一步验证了该控制方法在多模态任务中的鲁棒性与工程适用性,为复杂构型两栖无人机的稳定控制提供了理论依据和实验支撑。

• 基于多尺度卷积注意力融合残差网络的抗噪滚动轴承故障诊断方法

  陈桂林，王世松，王雷，余小南

  受机器人实际运行过程中的机械振动、电磁耦合及外界干扰等多因素综合影响，其关节滚动轴承的振动信号易受到强噪声干扰，对有效识别其早期微弱故障特征造成严峻挑战。为此，提出一种多尺度卷积注意力融合残差网络(MSCAFRN)的抗噪轴承故障诊断方法。通过深度可分离残差模块增强微弱故障特征的表征能力，随后构建多尺度可分离卷积结构进一步提取关键特征，结合多头、空间与通道注意力机制自适应强化关键特征，实现从局部到全局的特征建模与噪声抑制；最后，利用凯斯西储大学和东南大学的公开数据集，在不同噪声标签干扰与噪声环境干扰下分别对滚动轴承故障进行识别与分类，验证模型的有效性。结果表明：在训练集10%噪声标签干扰下，MSCAFRN模型在凯斯西储大学和东南大学数据集上的诊断准确率分别为99.5%、99.8%；在信噪比为-6 dB的强噪声环境下，MSCAFRN模型在凯斯西储大学和东南大学数据集上的诊断准确率分别为(96.09±0.18)%、(95.71±1.01)%，均优于其他对照模型，且信噪比的变化对其影响最小，证明了所提MSCAFRN具有较强的抗噪性和鲁棒性。

• 基于深度学习的工业除尘机器人视觉定位方法研究

  李巍，马义德，冀伟雄，苏杰，赵善哲，麻韶华

  为解决冶金、焦化、煤矿等恶劣工业环境下传统轮式除尘机器人作业效率低、适应性差的问题，设计一款基于履带式底盘的工业除尘机器人视觉定位系统。通过集成3D激光雷达自主导航与履带式移动底盘，实现工厂内部环境的建图、定位、站点导航。利用双目深度相机与改进的YOLOv5深度学习模型对灰尘目标进行定位。在除尘作业环境中，采集三维点云数据信息，通过RANSAC算法对地面点云进行高效分割并剔除，引入DBSCAN聚类算法对剩余灰尘堆积和障碍物点云进行智能分类。根据聚类结果，通过AABB轴对齐包围盒算法提取目标与障碍物位姿信息并传递给机器人系统。最后，利用多策略RRT-Connect路径规划方法自动规划最优路径，控制机械臂到达指定位置以验证定位精度。结果表明：与传统RRT-Connect算法相比，经点云处理优化后的路径规划方案的时间复杂度降低了89.3%，空间复杂度降低了37.62%，提高了规划效率与执行性能。系统在适应性、稳定性与除尘效果方面均达到了工业应用标准。

• 工业机器人服役工况下新型对数螺旋活齿减速器动态性能研究

  王佩，吕宇，杨晓华，杨涛，曾李元，邓星桥

  数螺旋活齿(LSMTD)减速器作为一种新型精密减速器，有望解决关节减速器“高精度、强过载、紧凑尺寸”共存难题，然而其在工业机器人中的服役性能研究尚未见公开报道。为此，设计一款基于LSMTD减速器的工业机器人，构建该工业机器人的多体动力学仿真模型；根据实际服役情况设定运动副与接触关系，分析工业机器人在不同的关节转速和末端负载下LSMTD减速器关节的传动转角误差以及工业机器人末端执行误差。结果表明：在末端负载300 N〖KG-*3〗·〖KG-*4〗m、关节输入转速300 r/min下，LSMTD减速器转角误差可达3′以内，机器人末端执行误差在2 mm以内，体现了LSMTD减速器的优越性能。LSMTD减速器的转角误差与承受负载呈正相关，与输入转速呈成负相关；LSMTD减速器转角误差的波动幅度随着转速提高而减小，使得工业机器人末端执行误差波动也减小，而末端负载的变化不会对LSMTD减速器转角误差的波动幅度产生明显影响。LSMTD减速器在高速环境下具有更好的传动性能，并且二轴关节LSMTD减速器性能受工业机器人位姿影响显著，可根据工业机器人末端负载合理优化其工作姿态，以提高二轴关节LSMTD减速器性能和工业机器人末端执行精度。

• 理疗机器人视觉定位系统设计与实现

  冀伟雄，李巍，马义德，赵善哲，苏杰

  为了实现按摩过程专业化、自动化与智能化以及提升操作的稳定性，根据我国传统经典医学理论和现代计算机视觉理论，设计一款理疗机器人视觉定位系统。为了提高按摩穴位的准确率，针对圆形穴位贴中心定位不准确的问题，提出多策略融合算法进行穴位贴检测，并计算出穴位贴圆心坐标；通过深度相机获取人体图像，识别穴位贴中心位置，通过手眼标定技术完成像素坐标到世界坐标的转换，确定穴位贴的位置信息，完成定位。最后，利用上位机驱动低成本协作式六自由度机械臂按照规划路径完成精准按摩，并利用TCP通信方式控制机械臂完成按摩动作。实验结果表明：对于圆形目标检测，视觉定位系统的识别正确率为100%，3个轴方向的定位绝对误差不超过10 mm，验证了理疗机器人视觉定位系统按摩穴位的准确性。该系统具有识别精度高、成本低、部署灵活、可拓展性强等特点，适用于中医理疗、康复训练及家庭护理等多种应用场景，满足目前智能按摩机器人向专业化、标准化和智能化发展的需求。

• 面向薄壁件无颤振铣削的机器人控制策略研究

  刘凯，韩训梅

  针对薄壁工件在端部铣削过程中的振动问题，提出一种磁性跟随支撑装置的新型机器人加工方案。该装置不仅为铣削区域周围的工件两侧提供了刚度和阻尼，而且还为刀具铣削的另一侧提供了连续的支撑。提出由刀具底刃引发的薄壁工件轴向再生颤振模型，在此基础上，结合混合机器人灵活运动和大刚度的优点，设计一种新型的磁性跟随支撑装置，可安装在混合机器人的末端，并吸附在工件的对面，解决铣削系统中支撑侧空间较大的问题。建立工件的多模态时间间隔动态模型，以预测三维颤振稳定性叶瓣图。实验结果表明：跟随支撑装置可显著提高工件铣削的稳定性，未使用跟随装置时的表面粗糙度为 2.69 μm，采用跟随装置的表面粗糙度降低到了1.21 μm。基于设计的磁性跟随支撑装置的机器人端铣削方案可以显著抑制机器人端铣削颤振现象，实现大型薄壁工件无颤振工艺参数的选择和高质量的铣削加工，验证了所提端部铣削颤振模型的可靠性和有效性。

• 基于复合激励信号的伺服进给系统频率特性辨识方法

  祝玉恒，李学伟，潘广浩，陈玉坤，江鑫

  机械传动系统中摩擦力等非线性因素的影响会导致系统频率特性辨识结果毛刺多、精度低。为了提高机械传动系统频率特性辨识精度，提出一种基于复合激励信号的系统频率特性辨识方法。在对数扫频信号上叠加一个恒值信号，将复合后的信号作为辨识所需的激励信号输入到系统的指定位置；采集相应的输入输出数据，基于快速傅里叶变换的数据处理方法对采集的数据进行处理，绘制系统的频域响应曲线。仿真和实验对比结果表明：辨识结果中毛刺产生的主要原因包括机床传动系统中的非线性摩擦力、噪声信号、采样时间和快速傅里叶变换的离散性等，非线性摩擦是产生毛刺的主要原因，对辨识结果的影响最大。相较于传统的单一激励信号辨识方法，基于复合激励信号的系统频率特性辨识方法可以显著减小非线性摩擦力造成的辨识误差，有效提高机械传动系统的频率特性辨识精度，进而为伺服进给系统的控制参数整定和高性能运动控制提供数据支持。

• 中心架装夹误差对细长轴切削变形的影响分析

  杨鑫，石鑫，胡成林，白生文，吕凯波

  为了探究细长轴切削工艺系统中心架装夹误差对细长轴弯曲变形的影响，采用理论建模、数值仿真和实验分析相结合的方法，基于欧拉-伯努利梁理论建立中心架装夹误差情况下细长轴弯曲变形理论分析模型和有限元模型；然后运用有限元理论建立与理论模型相匹配的仿真模型；最后，开展细长轴切削实验，研究不同中心架装夹误差对细长轴切削变形的影响规律。结果表明：当中心架装夹无误差时，随着切削位置的变化，细长轴固定测点处的变形呈现先增大后减小的趋势；当中心架存在装夹误差且误差方向与刀具切深方向一致时，测点处的变形在中心架初始误差（0.25 mm）的基础上呈现先增大后减小的趋势；当中心架装夹误差方向与刀具切深方向相反时，测点处的变形在中心架初始误差（0.25 mm）的基础上呈现先减小后增大的趋势；中心架装夹误差会降低细长轴的尺寸精度和表面粗糙度。

• 高温合金GH4169气膜孔放电-电解复合加工工艺参数的优化研究

  朱乾隆，马宁，陈小康，张阿健

  针对涡轮叶片冷却效率和耐高温性能问题，提高气膜孔加工质量是关键。以高温合金GH4169为加工材料，采用放电-电解复合加工进行工艺参数优化。通过脉冲电压、电解液质量分数、占空比和电极转速4个因素进行正交试验L9（43），得到最佳工艺参数，主要优化指标为表面粗糙度sa、孔锥度Ta和最大重铸层厚度Rt。根据正交试验结果，采用极差分析法得到各工艺参数对不同优化指标的影响顺序以及单目标最优加工参数组合。基于灰色关联度分析法，以每个单目标的灰色关联系数对多目标进行权重系数分配，分析得到综合考虑3个优化指标的多目标最优加工组合，并进行试验验证。结果表明：多目标优化的最优工艺参数组合为脉冲电压40 V、电解液质量分数5%、占空比50%和电极转速100 r/min，使用该加工参数组合进行加工可以有效改善加工表面质量，验证了多目标优化模型的可行性。

• 基于模型预测的负载口独立控制系统位置控制研究

  张华兵，刘凯磊，杨静，顾达，顾秀琴，陶翔飞

  电液比例阀因其时变特性而引入非线性项，会造成稳态误差大、响应慢、抗干扰能力差等缺点。针对此，提出一种基于BP神经网络和扰动观测器的模型预测控制策略(BP-MPC-SMO)。以负载口独立控制系统为研究对象，建立负载口独立控制液压系统模型和状态空间方程；设计模型预测控制器，并采用BP神经网络拟合系统建模过程中的不确定性项；构造滑模扰动观测器用于补偿外部扰动；最后，采用MATLAB/Simulink和AMESim建立电液控制系统联合仿真模型，并进行仿真分析。结果表明：BP-MPC-SMO控制方法的误差绝对值平均值相比MPC控制和PID控制分别减小了48.8%和68.0%，系统响应速度分别提高了29.5%和52.6%。因此，所提BP-MPC-SMO控制方法的精度和响应速度均大幅度提升。

• 基于联合降噪后的SA-GWO-GPC刀具状态识别

  张孟儒，蒲业壮，赵玉刚

  为了提升刀具磨损状态识别准确率，提出一种基于集合经验模态分解（EEMD）和小波变换（WT）的联合降噪方式，采用EEMD将信号分解为8个IMF分量，保留与信号相关性较强以及均方根值较高的IMF分量。对保留的IMF分量进行WT降噪并进行重构，使信号更平滑。通过时域分析和时频分析方法提取声发射信号特征值作为输入特征向量，建立模拟退火（SA）与灰狼优化（GWO）结合的高斯过程分类（GPC）模型。利用GWO优化GPC的超参数时，可能会陷入局部最优解，而引入SA算法，扰动狼群位置，有助于跳出局部最优解，获得全局最优解。与传统预测模型进行对比，证明所建模型的优越性。结果表明：联合降噪后的信号信噪比和均方根值均优于单一降噪方式;SA-GWO优化方法预测模型的准确率达到96.460 2%，相比GA和POS分别提高了11.5%和6.1%。SA-GWO-GPC模型的准确率优于传统GA-BP和WOA-SVM，能够实现刀具磨损状态的准确识别。

• 基于IGWO-KELM的高速电主轴热误差建模

  李新然，徐加贤，安冬，邵萌

  为了提升高速电主轴热误差预测模型的准确性，以100MD60Y4高速电主轴为研究对象，采用FCM算法和Pearson相关系数法筛选出与热变形相关度较高的温度测点，降低温度之间的共线性，提高模型预测精度。在GWO初始阶段，引入Cubic混沌映射改进种群初始化，增强初始种群的遍历性和多样性；在算法搜索阶段，引入正弦变化收敛策略，提高算法局部搜索能力；在算法收敛后期，引入高斯变异策略，降低算法陷入局部最优的概率，结合3种改进策略得到IGWO。利用IGWO优化KELM的核函数和正则化系数，建立IGWO-KELM电主轴热误差预测模型。将IGWO-KELM模型与GWO-KELM、PSO-KELM、KELM模型进行比较，实验结果表明：IGWO-KELM模型精度在0.98以上，平均预测残差最低为5 nm，证明了IGWO-KELM模型具有良好的预测精度和稳定性，为电主轴热误差预测提供了一种新方法。

• 基于RBF神经网络的红外加热系统温度无模型自适应控制

  李喜龙，徐智浩，杨晓京

  针对红外加热系统的复杂动态特性和非线性问题，提出一种改进的基于RBF神经网络的无模型自适应控制方法。对红外加热过程的传热机制进行分析，建立红外加热过程输入功率与温度之间的全格式动态线性化数据模型；针对MFAC控制器参数难以整定的问题，基于参数灵敏度分析与参数关联,提出一种基于参数敏感性分析和参数内部关联的参数估计方法，并通过该方法设置MFAC控制器的参数；进一步，利用RBF神经网络任意逼近非线性函数的能力，在线辨识无模型自适应控制器的伪偏导值，以实现红外加热系统温度的精准控制。最后，通过实验和仿真验证该方法的可行性与优越性。结果表明：RBF-MFAC控制下的系统温度控制精度为±0.3 ℃，调节时间为60 s；MFAC的温度控制精度为±1 ℃，调节时间为75 s；PID的温度控制精度为±1.2 ℃，调节时间为96 s。这说明与原MFAC和PID算法相比，改进后的RBF-MFAC 算法具有更快的响应速度、更小的稳态误差。

• 面向铁路货车车钩铸造件图像的缺陷检测方法

  李炳萱，穆禹丞，秦兆伯，张锦城，薛沐辉，陈广泰，于健

  针对货车车钩铸造件二维图像中缺陷部位颜色特征不明显、形状多变导致检测精度不高的问题，基于YOLOv8n目标检测算法提出一种面向货车车钩铸造件图像的缺陷检测算法。使用MobileNetv3轻量级网络替换YOLOv8n的主干网络，降低网络复杂度和计算量，提升检测速度；构建一种基于双层路由注意力机制的SA-BRA模块并增加到主干网络之后，通过动态查询将更多的注意力放在相关度较高的目标所在空间区域，增强网络的特征提取性能以及检测精度。实验结果表明：改进后模型能够适应不同光照强度的工作环境;在自制专用数据集上，改进的YOLOv8n缺陷特征检测模型的平均检测精度为93.7%，模型检测速度达到了61.8FPS，能够达到对货车车钩铸造件缺陷特征实时准确检测的要求。通过与其他主流目标检测算法进行对比，进一步验证了所提方法的有效性与可应用性。

• 基于神经网络与主轴异步误差的铣削表面粗糙度预测方法研究

  谢广伟，黄朴

  因主轴误差各成分作用机制尚未明确，导致缺乏降低主轴误差影响的有效方法。针对此，提出一种基于主轴异步误差和神经网络的铣削表面粗糙度预测方法。建立基于主轴误差的铣削表面成形模型，通过理论推导主轴异步误差和同步误差在铣削过程的作用机制。进而，建立以主轴异步误差为输入的神经网络模型，对铣削表面粗糙度进行预测，以优化铣削过程中的主轴转速。最后，进行加工对比实验，验证预测模型的可行性。通过理论分析发现，主轴异步误差对铣削过程的影响较大，而同步误差的影响相对较小。实验结果显示：异步误差对铣削过程的影响较大；且利用异步误差作为输入的神经网络模型对铣削表面粗糙度的预测更准确，预测误差均值为0.04 μm，均方根为0.06 μm，相关系数可达0.995，而利用主轴同步误差预测的结果偏差较大，说明基于主轴异步误差对铣削过程进行优化具有较高的可行性。

• 高转速轴向柱塞泵离心增压装置设计与空化特性研究

  张宏博，肖刚，孙斌，葛磊，欧阳光明，廖名辉

  在自然吸油工况下，柱塞泵内部的空化限制其最高转速的提升，制约工程装备电动化的发展。为提升柱塞泵最高转速，设计离心式增压装置集成于某60 mL排量斜盘式轴向柱塞泵。通过Fluent软件建立柱塞泵全流域数值计算仿真模型，分析离心增压机构对高速柱塞泵的空化影响。通过试验验证仿真模型的准确度，基于此，通过仿真模拟对比分析原型泵与增设离心增压装置柱塞泵的压力-流量特性与空化特性。仿真结果表明：柱塞泵转速提升使柱塞的线速度增加，进而导致柱塞腔吸油区中段位置的局部油液压力低于饱和蒸汽压，从而发生空化，当泵转速超过最高值时，该位置的空化程度最严重，导致泵流量不连续、不可控；所设计的离心增压装置可完全抑制柱塞泵柱塞腔内空化现象的发生，将现有柱塞泵最高转速由2 700 r/min提升至4 000 r/min，提升超48%，泵吸油压力稳定在0.08 MPa，输出流量稳定、连续；采用离心式增压装置后，离心式增压机构叶片个数与柱塞泵吸油区柱塞个数不匹配，增压装置供给流量脉动与柱塞吸油流量脉动不匹配，配流盘吸油压力在0.25～0.52 MPa间波动，但对整泵压力-流量特性不产生影响。

• 水下EHA液压集成块优化设计与性能分析

  宋书正，金桦涛，孙沛松，张连朋，吕立彤

  针对深海高压、高盐环境下EHA中液压集成块高耐压性、高可靠性、耐腐蚀性及轻量化的需求，开展集成块结构与流道的优化设计研究。基于EHA系统结构，对比分析液压元件在集成块上的单面、双面与三面布置方案，综合考虑结构紧凑性、材料利用率及维护便捷性，确定双面布局为最优方案；针对减材制造工艺下典型流道存在的刀尖容腔和局部涡流问题，利用Fluent软件对不同几何参数下的压力损失进行数值模拟；通过调整刀尖容腔长度、Z字形流道间距及工艺孔直径，定量分析其对压力损失的影响规律；最后,结合优化结果完成集成块最终设计。结果表明：随着刀尖容腔长度由30 mm减至10 mm，压力损失减小了2 816 Pa；Z字形流道间距由50 mm减至20 mm，压力损失减小了3 702 Pa；工艺孔直径增至6 mm后压力损失显著下降。优化后的集成块在满足深海环境适应性的同时，有效降低了流道压力损失，提升了系统能量利用效率。

• 摆动液压缸两级螺旋齿轮副油膜间隙分析及优化

  刘乐平，蒋志勇，丁孺琦，李冬明，何昌，胡国享

  螺旋式摆动液压缸的两级螺旋式传动结构在油缸工作过程中会产生螺旋形的间隙油膜，其润滑状态直接影响螺旋传动的效率。为了获得螺旋形间隙油膜的油膜特性，分析其结构和工作原理，推导螺旋副间隙与润滑性能的关联性，利用SolidWorks软件建立6种不同周向间隙的螺旋副油膜模型，将其导入Workbench中进行网格划分并设立边界条件。在Fluent中，基于湍流κ-ε模型与Coupled算法对该模型进行流场仿真，得到两级螺旋齿轮副油膜的压力场、流速场、流量、刚度与螺旋副周向间隙的关系，并分析不同黏度液压油作用下油膜的性能。结果表明：螺旋齿轮副油膜间隙为0.20 mm时，摆动液压缸的性能最佳；随着液压油黏度增加，液压油在油膜内的流速与流量减小，油膜的刚度先增加后减小。考虑到螺旋摆动液压缸应用于高压、低速、重载工况，为了提高机械传动效率和力学承载性能，应选择黏度较低的液压油，故选取32号液压油以实现摆动液压缸的最佳性能。

• 惯性负载下高速液压马达的抑制吸空研究

  韩秉坤，胡小舟，尹铁军

  当大扭矩液压马达在高速、大惯性负载工况下突然停机或意外失速时，负载惯性会导致马达从正常驱动状态转变为类泵运行状态，即由负载反向拖动马达旋转。此时，马达供油不足导致局部压力过低，引发比液压泵更严重的吸空现象，并伴随剧烈液压冲击，严重损害马达寿命。为解决此问题，提出一种具有吸空抑制功能的马达阀组方案。利用马达第二泄油口流出的泄漏油，直接补充马达吸油侧所需油量，通过就近补油与卸压机制，有效克服因长距离输油管路产生的瞬时背压导致的补油延迟问题。利用AMESim软件对缓冲补油方案进行验证分析，系统探究了马达在换向、停机和失速工况下阀组的缓冲和补油能力。通过与仅缓冲阀组、传统缓冲补油阀组的对比验证，验证了该方案的有效性，为解决大惯量负载下液压马达的吸空问题提供了有效技术路径。

• 深煤层两相引射器数值分析

  刘凤霞，陈玉娥，郝智彤，左飞朋，胡大鹏，王予新

  针对深煤层天然气开采过程中井底压力低、井下积液难排出的问题，提出一种有效提升开采效率的途径。利用CFD模拟方法深入分析引射器内部流场,通过对比静态引射器实验与模拟结果，验证模拟方法的可靠性。基于此，对引射器二维结构尺寸进行优化，并开展三维模型仿真计算。同时对比气体和液体作为引射流体时二维和三维模拟结果的差异。静态引射器实验结果与模拟结果高度吻合，证明该模拟方法能够反映引射器内部实际流动情况。当引射气体介质时，二维模拟与三维模拟结果误差在5%以内。当引射流体为液体，引射器内部形成两相流体时，二维与三维模拟结果在数值上出现较大误差，但两相流体引射器二维与三维内部流场的趋势仍然一致。三维计算结果显示：气引射液引射率达169.54%，气引射气引射率为83.84%。该尺寸结构能够有效排出井底气水混合流体，提高开采效率。同时，明确了不同引射流体情况下二维与三维模拟的适用情况及其差异性。

• 变排量径向柱塞马达配流盘优化

  赵志伟，赵展升，王志清，曹彦，田敬鼎，岳陆游，张兵

  针对变排量径向柱塞马达配流盘优化设计中稳态条件下无法得到单个旋转周期内油膜厚度的动态变化规律，从而导致难以寻得配流盘最优结构参数的问题，提出一种考虑油膜挤压效应的多作用内曲线径向柱塞马达配流盘优化设计方法。通过建立配流盘受力动态特性微分方程，分别求解马达在全排量和半排量下的油膜厚度变化，揭示油膜厚度随结构参数变化规律。结合多目标优化算法，以黏性摩擦力矩、泄漏量和温升为优化指标，采用非支配排序、参考点法和小生境保护等策略，对密封带内径、配流窗口分度圆半径、密封带外径和配流窗口单侧圆弧段包角等关键结构参数进行自动寻优，并与优化前进行对比。结果表明：单目标优化下，黏性摩擦力矩、泄漏量和温升3个优化指标优化效果较为明显；多目标优化下，黏性摩擦力矩、泄漏量和温升3个优化指标均完全优于原结构，然而由于配流盘尺寸选择范围较小，且优化目标较多，故整体优化幅度相对较小。根据不同需求选取相应的优化参数，提高了该类马达的综合性能和设计效率，为变排量马达的设计提供了丰富的理论依据。

• 应用特斯拉阀结构的轴流式止回阀性能优化研究

  张立强，左竣仁，金俊坤，施青甫

  为了实现轴流式止回阀的正向流动减阻和止回性能提升，提出将特斯拉阀结构应用于轴流式止回阀阀芯支撑板的设计方法。探讨特斯拉阀结构参数对轴流式止回阀正向流动阻力和止回性能的影响。通过最优拉丁超立方抽样和数值模拟，获得不同特斯拉阀结构参数下轴流式止回阀的正向流动压力损失和反向止回压差。随后，结合机器学习方法，构建特斯拉阀结构参数与轴流式止回阀性能之间的预测模型。运用非支配排序算法II对所得预测模型进行寻优，并获得正向流动阻力和止回性能的Pareto前沿解，通过逼近理想解排序法(TOPSIS)筛选出最优解，得到特斯拉阀支撑板的结构参数如下：分离点角度α?=46.719°，汇合点角度β=57?763°，支流道外曲线半径R=0.102 mm，流道深度H=7.819 mm。结果表明：优化后的特斯拉阀支撑板结构的轴流式止回阀正向流动压力损失降低约5.21%，止回效果提高约4.32%，显著提升了轴流式止回阀性能。

• 基于流固耦合的固液分离装置多物理场特性研究

  陈子扬，符采绫，吴凯，裴梦丹，王鸣宇，叶敏

  针对工业滤芯因长期运行、杂质淤积导致分离效率低的问题，借鉴蝠鲼鳃耙丝仿生原理，提出一种基于流固耦合冲刷的固液分离方法。通过Fluent对不同组合固液分离模块进行仿真计算，分析冲击角度、间隙和流速对分离效率的影响；分析流体压力、流速及离散相的运动特征，阐明固液分离原理，并提出一种新型仿生固液分离结构。最后，对固液分离原型装置进行分离效果测试试验，并对样本试验结果进行对比分析。结果表明：在0.6、1.0 m/s流速下，间隙为1.5 mm时的过滤效率显著优于间隙为2.0、2.5 mm时。在所有间隙和角度组合中，流速从0.6 m/s增至1.0 m/s时，过滤效率均明显提高。当冲击角从30°增至90°时，过滤效率下降。30°角下切向流速分量较大，可增强涡流强度并延长杂质的滞留时间；而90°角（垂直入射）会削弱切向作用，降低有效作用时间与涡流强度。仿真分析和装置试验验证了固液分离装置的优越性，为新型工业固液分离装置的设计提供工程参考依据。

• 气举喷射泵排水采气机制及关键工艺参数分析

  马斌，张明，王伟，王振松，范高飞，吴剑，柏炀，成志强

  气举喷射泵同时具有负压效应和雾化效应，可应用于低产低压井的排水采气作业。深入理解这两个效应的产生机制和协调作用有助于合理设置工艺参数。基于气举喷射泵设计图，采用数值模拟方法，对喷射泵负压效应和雾化效应的产生机制进行研究，解释两种效应对携液的作用，分析注气压力、注气量、喷射泵下放深度等工艺参数对喷射泵负压效应和雾化效应的影响规律。结果表明：负压效应和雾化效应随着注气压力和注气量的增大而线性增强，与试验结果一致；在注气压力一定的情况下，增大喷嘴直径可提高注气量，有益于提升负压效应和雾化效应;随着喷射泵下放深度增加，即喷射泵出口背压增加，雾化效应减弱，负压效应呈现先增后减的趋势;为提升喷射泵的携液能力，喷射泵下放深度应该优先保证负压效应。

• 基于可训练去噪和可解释多尺度二次卷积的复合故障诊断

  魏可丰，孙国玺，张清华

  现有多数故障诊断技术通常假设仅有单个机械故障发生，而忽略了同时发生两个或多个类型的复合故障情况。由于实际应用环境的复杂多变，复合故障更常见且危害更大。针对此，提出一种在噪声工况下用于复合故障诊断的可训练去噪和多尺度二次卷积模型。将U-Net网络结构与残差学习相结合，提出一种在噪声工况下有效提取去噪信息的残差预处理模块，设计一种新的损耗函数，以在反向传播过程中更新模块参数，从而在不同强度的噪声中获取实际振动信号输入，并且与后续网络进行端到端训练。为了提高模型的性能，基于多尺度学习思想，应用多尺度二次卷积网络从振动信号中学习多尺度特征，并且通过推导建立自相关和二次神经元在数学上的联系，解释了二次网络卓越的信号特征表示能力。考虑大型旋转机械轴承和齿轮的单故障和复合故障，通过公共数据集和专有数据集进行实验验证。结果表明：所提方法在不同强度噪声下对单故障和复合故障的识别能力显著优于现有技术，验证了其有效性，其中二次卷积和可学习自相关项起关键作用。

• 基于深度学习的大范围白光干涉高效拼接方法

  张子龙，杨文军，刘振，陈子汉

  针对目前大范围白光干涉测量拼接算法难以兼顾大范围、高精度和快速性的问题，提出一种基于深度学习的大范围白光干涉高效拼接方法，快速获取被测微结构表面大范围与高精度三维形貌。通过建立边界重叠参数优化模型，采用深度学习图像去噪实现低重叠度拼接，有效降低拼接测量所需的视场数量；提出基于SIFT特征点提取的精细配准ICP算法，利用已知匹配点求取最优变换矩阵，实现高精度无缝拼接，省去常规算法特征融合平滑处理所需时间。在此基础上，建立三维特征参数评价模型，对拼接精度进行评定与比对。仿真结果表明：在低重叠度的情况下，文中方法依然可以取得高效、准确的拼接测量结果；标准件对比测量实验显示：进行3 711 μm×3 204 μm大范围测量时，商业白光干涉仪需采集16×19组数据，拼接耗时3 h，横向拼接偏差为1.89 μm，纵向拼接偏差为1.416 μm，相似度系数在0.76左右；而文中方法仅需采集13×15组数据，拼接耗时0.6 h，横向拼接偏差为0.157 5 μm，纵向拼接偏差为0.118 μm,相似度系数在0.9以上，验证了文中方法的准确性和快速性。

• 螺栓结构预紧力衰退有限元建模及影响规律研究

  石大鹏，王文超，裴盛，李旭健，杨瑶，冯公伯，李皓

  螺栓连接的预紧状态是影响连接系统及装备整体服役性能的重要指标。为了对预紧力衰减影响因素进行定量分析，进行单轴拉伸蠕变试验，建立5A06铝合金材料蠕变模型，并结合预紧力松弛试验和有限元仿真，确定5A06材料的蠕变参数。基于ABAQUS有限元仿真软件，建立考虑螺纹细节的螺栓及法兰盘连接结构预紧力衰退过程的三维有限元仿真模型，模拟螺栓连接结构预紧和松弛过程。通过有限元仿真分析在短时(1 h)及长时(500 h)服役条件下螺栓连接结构的预紧力及应力分布的变化规律，并探究静载条件下被连接件的几何特性和连接系统安装顺序对连接结构预紧力衰退的影响规律。结果表明：增大被连接件孔径会使有效接触面积减小，导致螺栓预紧力损失率由16.1%增至16.5%;摩擦因数增大则显著降低初始预紧力（下降约49.8%），可有效抑制预紧力衰减;对角拧紧方式可使多螺栓法兰盘预紧力分布更均匀，其最大应力和最大位移值也均更小，表明该方式在整体受力与变形控制方面表现更优，为高性能螺栓连接结构的设计与装配工艺优化提供理论依据。

• 面向巡检应用的RGBD相机主动视角矫正方法

  韩昊一，孟瑜炜，贾晓燕，鲁鼎，王战，徐辰楠，俞荣栋

  在机器人视觉巡检任务中，移动平台固有的定位误差会导致相机视角发生偏移，从而严重影响后续图像分析的可靠性。为解决此问题，提出一种主动视角矫正方法。利用ORB特征和GMS统计模型在2D图像域进行快速、鲁棒特征匹配；结合深度信息建立稀疏的3D对应关系，并通过基于RANSAC的点到点ICP获得一个全局稳健的初始位姿；最后，利用稀疏到稠密的点到平面ICP算法，对位姿进行精确优化。通过将该算法集成至包含离线模板标注和在线多模态引导的完整应用系统中，形成了可主动补偿位姿偏差、引导用户或机器人精确对准目标视角的解决方案。实验结果表明：该方法在保证实时性的前提下，达到了像素级的图像重定位精度,即使面对仅20像素×20像素的微小巡检目标，仍能维持0?89以上的平均结构相似度，证明了该方法在工业巡检应用中的有效性和实用性，具有较高的工程应用价值。