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期刊信息/Journal information
机械工程学报
机械工程学报

宋天虎

半月刊

0577-6686

jme@cmes.org cjme@263.net

010-88379907

100037

北京百万庄大街22号

机械工程学报/Journal JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊进登机械工程方面的基础理论、科研设计和制造工艺等方面的学术论文，报道自然科学基金项目论文和国外学者的论文反映本学科的最新发展和最新科研成果。在国内外机械科技领域享有很高声誉，并有较大影响。曾荣获“中国期刊奖”，在中国科协、北京市和全国科技期刊评比中均获得奖励。在国内已成为机械类和力学类核心期刊。已被美国工程索引（EI）等国内外20余种文摘刊物和数据库收录。
正式出版
收录年代

    多翼瞬态差速展开机构设计与动力学参数优化

    翟广庆肖洪郭宏伟陶建国...
    113-122页
    查看更多>>摘要：针对空间机构对少驱动多输出及快速作动需求,提出了单驱动多翼瞬态差速展开机构,具有瞬态响应、单输入、多输出、过程差速、同步到位的特点;分析了在火工驱动下,机构瞬态运动,机构参数对各曲柄输出到位冲击及机构传动效率的影响;为解决不同输出运动过程中相互干涉问题,实现多输出差速运动、同步到位,确定了上曲柄输出与左曲柄输出运动角位移约束条件,同时,以降低火工驱动下各曲柄输出到位角速度与提高展开机构整体传动效率为优化指标,对差速展开机构进行参数多目标优化;分析并求解了优化后的展开机构动力学特性及各曲柄输出角速度变化,结果显示不同曲柄输出可实现差速同步到位;对比了参数优化前后的机构指标,优化后的机构展开到位时间、到位能量冲击等都有明显改善;搭建了多翼瞬态差速展开机构样机进行实验测试,将实验获得各曲柄输出角速度与所建立动力学模型求解结果进行对比,验证了动力学模型的合理性及机构的可行性.

    瞬态机构差速机构参数优化动力学

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    齿轮轴孔位置误差作用下行星齿轮啮合相位波动及其统计特性预测

    代鹤罗顺安龙新华李元...
    123-133页
    查看更多>>摘要：针对啮合相位波动问题,建立了计及齿轮轴孔位置误差的行星齿轮时变啮合相位模型,推导了位置误差影响下时变啮合相位的解析计算公式.为建立齿轮轴孔位置误差公差带同啮合相位波动偏差之间的定量关系,提出了基于蒙特卡洛法的啮合相位波动偏差统计分布预测模型,基于容差范围内随机分布的3σ原则,得到了啮合相位波动偏差的上下限阈值.进一步地,采用数值仿真分析了不同齿轮轴孔位置误差对啮合相位的影响规律.最后,提出了一种基于齿根应变的啮合相位测量方法.仿真和实验结果表明,所提模型可以有效预测齿轮轴孔中心位置误差造成的啮合相位偏差,并为齿轮位置误差公差设计和行星齿轮系统的减振设计提供指导.

    行星齿轮啮合相位位置偏差相位波动蒙特卡洛法

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    基于D-H参数与拉格朗日联立方程的仿生水蛇机器人运动学分析及动力学建模

    王敏孙景健丁基恒孙翊...
    134-148页
    查看更多>>摘要：随着水下环境作业需求不断增大,对机器人在极端环境作业、多任务需求等方面提出了更高的要求.为了解决对水下机器人的环境适应性、机动性等高性能需求,亟需设计一种高灵活性的水下蛇形机器人,并对其结构优化及数学建模进行深入研究.因此,基于对生物蛇的仿生机理分析,设计出了一种模块化、可重构多节仿生水蛇机器人结构模型;基于D-H参数法对空间运动波形上各关节运动轨迹、前进速度进行分析,建立运动映射关系;考虑水下运动产生的水阻力和反作用力,建立水动力学模型,结合拉格朗日方程,联合建立了水蛇机器人的等效运动学及动力学模型.基于建立的联合模型,对影响水蛇机器人关节角运动、前进速度等性能的关键参数进行了详细分析.采用蜿蜒步态作为输入参考信号,利用Matlab与ADAMS进行联合仿真验证,结果表明当步态幅值α取0.8 rad、角频率ω取2 rad/s、相邻关节相位差δ取π/3 rad时,机器人呈现一种理想蜿蜒运动步态;同时,利用ADAMS分析了机器人各关节的驱动力矩和功率,结果表明机器人两端关节到中间关节驱动力矩和功率分别从约0.6N/m增加到14.3 N/m及1.1N·m/s增加到14.8N·m/s;最后,搭建了机器人样机实验,对水蛇机器人蜿蜒运动驱动函数及驱动力矩等进行实验验证,实验结果表明水蛇机器人中间关节所需驱动力矩和功率相较两端关节更大,中间关节驱动力矩为两端关节驱动力矩的3.2倍,与仿真结论一致,为水蛇机器人的水下运动提供了理论依据.

    水蛇机器人仿生机理蜿蜒运动运动学模型动力学建模

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    基于医工结合的指关节运动学模型建立与验证

    于金须闫建华肖俊明李永泉...
    149-159页
    查看更多>>摘要：手部外骨骼机构是进行手部康复训练的主要选择之一,其舒适性和安全性主要取决于是否符合人体指关节运动学特征.为了建立准确的指关节运动学模型,首先通过采集手指屈伸过程的医学影像,分析关节运动过程中指骨的接触方式,确定了在关节转动时两指骨的相对运动为滚动与滑动叠加的混合运动,进而证明了指关节运动为非定中心转动.然后,提出"瞬径法"计算连续瞬心轨迹,并通过极坐标变换获取了手指各关节连续瞬心轨迹曲线,并通过能够适应指关节瞬心变化的角度采集设备获取了关节角度变化规律,建立了指关节关联性映射,并分析了关节角度和角速度特征.最后,利用等效瞬心将指关节运动学模型与工程应用相对接,设计了能够定位指关节等效瞬心的跨越式转动副,并将其加装在手部外骨骼机构上进行运动学测试和人机相容性测试,结果表明符合指关节运动学特征的外骨骼机构能够更好地拟合手指生理运动轨迹,在辅助过程中对各指段的压力也更低,证明了模型的有效性.

    指关节运动学模型手部外骨骼机构关节转动瞬心关节角度人机相容性

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    气泡强干扰小波调制的全视场在线可视铁谱磨屑图像分割算法

    李博袁勋吴伟魏航信...
    160-172页
    查看更多>>摘要：为解决全视场在线可视铁谱(Online visual ferrograph,OLVF)工程应用存在的离焦气泡干扰状态下反射光谱片磨屑图像分割问题,构建了基于双曲正切函数的低频与高频非线性阈值函数,以此为基础,提出了气泡强干扰小波调制的磨屑图像分割算法,抑制了反射光谱片中的气泡阴影,消除了背景噪声,增强了磨屑图像锐度和对比度,实现了全视场OLVF反射光谱片磨屑图像的有效分割.对比不同算法处理的磨屑图像分割效果,结果显示:本算法通过调制气泡阴影和背景噪声能够更准确达到磨屑图像完整分割.最后,开展了齿轮磨损在线监测实验,提取了磨屑浓度指标反映齿轮全生命期的磨损变化,结果表明:本算法克服了全视场OLVF采样过程中气泡阴影对反射光谱片磨屑图像分割的影响,可准确的探测出齿面异常磨损失效故障,进一步验证了本算法应用于全视场OLVF油液磨屑监测之有效性.

    全视场在线可视铁谱气泡阴影小波调制反射光谱片磨屑图像分割

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    高速动车组齿轮箱轴承载荷特性研究

    曹杰任尊松查浩徐宁...
    173-184页
    查看更多>>摘要：齿轮箱是高速动车组的重要部件之一,通过多种类型轴承分别与车轴和联轴器联结,这些轴承对齿轮箱实现动力传递和确保列车的运行安全和稳定性具有重要作用.由于工程测试难度,目前难以直接测试这些轴承承受的载荷.基于轴承动力学理论和齿轮传动动力学理论,建立了包含三类轴承、齿轮啮合及齿轮箱箱体的耦合动力学模型,结合线路实测激励,采用数值方法,获取了齿轮箱轴承滚子滚道接触载荷.在验证轴承滚子滚道载荷分布特性的基础上,分析了多种工况下齿轮箱轴承的滚子滚道接触载荷.结果表明,齿轮箱小齿轮轴圆柱滚子轴承滚子滚道接触载荷均值主要受牵引力矩影响,牵引力亦会影响受载滚子数量.齿轮啮合力影响滚子滚道接触载荷局部波动幅值,在外部激励作用下,NU214轴承滚子滚道接触载荷最大值最高增大35.0％.列车上下行工况改变滚子滚道接触载荷分布区域以及载荷均值,但接触区位置不受列车速度等级的影响.建立的齿轮箱耦合模型,详细考虑了齿轮箱各轴承的受载特点,对深入研究齿轮箱轴承受载特性具有重要作用.

    高速动车组齿轮箱传动系统动力学模型轴承载荷

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    基于高通量磁控共溅射技术的非晶合金纳米摩擦学性能研究

    曾鑫赖建平王驰袁小虎...
    185-193页
    查看更多>>摘要：采用高通量磁控共溅射技术,制备了含不同成分的Pd-W-Si非晶合金库.采用纳米压痕、纳米划痕实验,探究了压入硬度(H)和弹性模量(E)对该非晶合金体系纳米摩擦学性能的影响.研究发现:(1)随着压入硬度和弹性模量的增大,划入深度(hs)整体呈相似的减小趋势,但相比于硬度,该趋势与弹性模量的关联性更强,即弹性模量更能反映非晶合金的抗划性能.这是因为剪切转变区(Shear transformation zone,STZ)体积与硬度、弹性模量均呈负相关,但STZ体积随弹性模量的变化具有比硬度更弱的波动性.弹性模量较大的非晶合金内部STZ体积越小,非晶结构中的变形单元越不容易被激活,在同载荷下的划入深度越浅,抗划性能越好;(2)弹性回复率(η)与硬度的关联性较弱,但与H/E的关联性较强,表现为弹性回复率随H/E的增大而增加.这是因为H/E值越大的非晶合金弹性吸收的能量越多,更容易发生弹性回复;此外,非晶合金的pile-up高度随着H/E值的增加而减小的现象,也在一定程度上促进了剪切带的自由滑动,从而促进材料弹性回复.这两方面因素综合致使高H/E值的非晶合金具有更高的弹性回复率和更好的耐磨性.

    高通量非晶合金纳米摩擦学硬度弹性模量

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    大压差下热塑性迷宫密封泄漏特性研究

    刘跃黄民李永健安琪...
    194-204页
    查看更多>>摘要：耐磨损抗腐蚀等优点的热塑性材料迷宫密封可以有效降低泄漏量,但关于大压差下的泄漏特性研究相对较少.考虑大压差下密封环变形与流场的相互作用,建立三维双向流固耦合模型,分析其内部流场特点,以此研究迷宫密封的间隙变化及泄漏特性.搭建迷宫密封实验系统,该系统可实现最高3 MPa试验压差.在大压差的实验条件下,气体膨胀导致的温度降低是影响泄漏量的关键因素之一.通过分析密封流场特点发现气体在密封间隙内的实际流通截面类似拉瓦尔喷管结构,该结构有助于气体在间隙内加速.气体在最后一级密封间隙处达到音速后会形成"堵塞现象",该现象会导致最后一级空腔内流场压力显著升高.通过固体模型分析得出流场压力导致密封环整体变形也是影响密封间隙的重要因素.最终,通过实验验证了流固耦合模型的准确性,模型计算结果与实验测量结果最大误差为6.2％.

    迷宫密封泄漏双向流固耦合大压差堵塞现象

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    混合陶瓷球轴承的热混合润滑性能分析

    朱鹏娟刘晓玲周亚林何文卓...
    205-215页
    查看更多>>摘要：轴承工业将陶瓷用于航空、机床主轴等极端条件,为研究混合陶瓷球轴承的混合润滑机制,在拟静力学建模及分析的基础上,基于平均流量模型,建立了混合陶瓷角接触球轴承的热混合润滑模型,采用膜厚比与粗糙峰接触载荷比相结合的方法判断各滚动体的润滑状态,并研究了热效应、接触角和环境黏度对混合润滑性能的影响.结果表明:热条件下的油膜厚度、平均摩擦系数要比等温条件下的小.与钢制轴承相比,混合陶瓷球轴承的接触工况更好,更适合在高速条件工作;当λ＜1且La＞4.6％,接触副处于边界润滑状态;当λ≥1且La≤4.6％,接触副处于混合润滑状态.单一滚动体-套圈接触不能全面反映轴承的润滑性能,需要基于拟静力学进行多个滚动体的混合润滑分析,以准确判断轴承的混合润滑性能.存在一合适的接触角,使得角接触球轴承的混合润滑性能最佳.润滑油环境黏度越高,平均摩擦系数越小,润滑状态由边界润滑向混合润滑过渡.较钢制球轴承,混合陶瓷球轴承可以减小摩擦系数,但会增大粗糙峰接触载荷.

    混合润滑拟静力学混合陶瓷球轴承热效应

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    氟等离子体对石墨烯纳晶碳膜的刻蚀加工及摩擦学性能调控

    郭美玲杨雷李鹏阳许振涛...
    216-226页
    查看更多>>摘要：针对石墨烯低摩擦特性在宏观应用中存在的机械强度低、磨损寿命短等问题,提出采用氟等离子体刻蚀加工调控石墨烯纳晶碳膜以提升其摩擦学性能.通过表征刻蚀加工对碳膜形貌和结构的影响,提出氟等离子体刻蚀加工机理包括原子去除和离子注入两方面.一方面刻蚀加工可通过物理轰击或发生化学反应去除碳膜表面原子,有效降低碳膜表面粗糙度.另一方面刻蚀加工可通过亚表面注入使碳膜表层结构重组,sp3键含量增加,氟原子含量增加.通过测试刻蚀加工对碳膜性能的影响,发现刻蚀后碳膜表层引入的氟原子使其表面悬键钝化、表面能降低,表层sp3键含量的增加使碳膜的硬度提高.最终相比石墨烯纳晶碳膜,刻蚀重构碳膜展现出优异的摩擦学性能:当法向载荷为2 N时,摩擦因数从0.22降低至0.08,磨损寿命从120圈增加至大于15 000圈.并分析得到摩擦学性能提升原因在于表面粗糙度的显著降低、表面悬键钝化和机械性能的提升.

    氟等离子体刻蚀石墨烯基碳膜表层结构重组表面悬键钝化摩擦磨损性能

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