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基于ANSYS和VMD的轴承复合故障特性研究

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清华大学学报(自然科学版) 2025年

作者：倪文钧张长青海大学机械工程学院清华大学机械工程系

轴承复合故障严重影响设备的可靠性和使用寿命。为研究滚动轴承复合故障特性变化规律,本文基于ANSYS workbench,建立了角接触球轴承复合故障动力学仿真模型,研究了不同转速下复合故障轴承的动态响应规律;提出一种基于优化变分模态分解(V... 详细信息

轴承复合故障严重影响设备的可靠性和使用寿命。为研究滚动轴承复合故障特性变化规律,本文基于ANSYS workbench,建立了角接触球轴承复合故障动力学仿真模型,研究了不同转速下复合故障轴承的动态响应规律;提出一种基于优化变分模态分解(VMD)的复合轴承故障特征识别方法,能有效消除噪声对轴承故障特征提取产生的干扰。采用改进的北方苍鹰寻优算法对VMD的参数进行自适应寻参,在确定最佳参数后对振动信号进行变分模态分解,基于最大峭度原则对本征模态函数(IMF)进行信号重构后做频谱分析。研究结果表明:复合缺陷对滚动体和外圈的接触应力分布影响显著,等效应力主要集中在凹坑缺陷的边缘;滚动体通过外圈缺陷时会导致轴承内部局部的应力集中和释放,应力会下降。改进的北方苍鹰寻优算法优化过的VMD可以有效提取轴承中的复合故障特征频率成分,频率峰值清晰地对应了理论计算的故障频率,准确率高于其他广泛使用的特征提取方法。

关键词：角接触球轴承有限元仿真复合故障变分模态分解特征提取

超快激光加工硬脆材料中的裂纹行为及梯度功率加工策略

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中国激光 2025年

作者：聂烨辉张博武张朋辉黄志楷赵宽阿占文青海大学机械工程学院清华大学机械工程系

玻璃等硬脆材料上的微结构应用广泛，然而利用超快激光在硬脆材料上实现高质量微结构加工仍然面临质量和效率不能兼顾的问题。本文研究了利用900飞秒激光在石英玻璃上加工微孔阵列时裂纹产生及扩展机制，并通过激光功率的梯度动态调控... 详细信息

玻璃等硬脆材料上的微结构应用广泛，然而利用超快激光在硬脆材料上实现高质量微结构加工仍然面临质量和效率不能兼顾的问题。本文研究了利用900飞秒激光在石英玻璃上加工微孔阵列时裂纹产生及扩展机制，并通过激光功率的梯度动态调控，实现了对裂纹产生及扩展的有效控制。研究结果表明，加工过程中裂纹形成和扩展可分为四个阶段：第一阶段孔底熔融物凝固引起微裂纹产生，第二阶段孔底裂纹通过孔壁向外扩展，第三阶段向外扩展的裂纹在孔周形成环形裂纹，第四阶段孔阵列中多个环形裂纹连接形成裂纹网络导致孔阵列加工失效。虽然降低激光功率可抑制裂纹的形成，但是加工效率也随之降低。通过“先低功率后高功率”的梯度功率加工策略可在保证加工效率的同时抑制裂纹的扩展。微孔阵列加工过程中温度的原位测量结果表明：激光吸收率的提高可使最大温度差下降45%；与恒定功率加工相比，梯度功率加工时工件的最大温度差下降了31%、峰值功率最大温度差下降了44%。此外，梯度功率加工抑制裂纹的机制是低功率加工增加表面粗糙度以提高激光吸收率，减少内部热应力，并使孔深发展至一定程度，再切换到高功率加工时可阻止孔底裂纹通过孔壁向外扩展。本文所提出的梯度功率加工策略可广泛适用于硬脆材料上微结构的激光加工。

关键词：超快激光梯度功率硬脆材料裂纹

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复合式跳跃运动的仿生机器人设计与跳跃分析

工程设计学报 2025年

作者：魏晓华韩峰韩晓亮何明忠辽宁工程技术大学机械工程学院

为了提高多足跳跃机器人的跳跃高度，基于对跳蛛的腿部结构和跳跃运动的运动机理，设计了一种采用机身弹射和腿部伸展两种方式相结合的复合式跳跃方式的仿跳蛛跳跃机器人。首先观察跳蛛的跳跃运动，对其运动机理和原理结构的分析，设计... 详细信息

为了提高多足跳跃机器人的跳跃高度，基于对跳蛛的腿部结构和跳跃运动的运动机理，设计了一种采用机身弹射和腿部伸展两种方式相结合的复合式跳跃方式的仿跳蛛跳跃机器人。首先观察跳蛛的跳跃运动，对其运动机理和原理结构的分析，设计腿部结构和弹射装置，并利用UG三维建模软件完成机器人整体模型的设计。其次使用MDH法对腿部进行运动学建模并进行简单的运动学分析，利用MATLAB计算机器人的腿部工作空间，并使用拉格朗日法对机器人腿部进行动力学计算。弹射装置采用一种棘轮传动和锥齿轮传动的并行方式，并根据能量守恒定律和胡克定律设计弹射装置的储能弹簧。搭建机器人硬件控制系统。通过Adams进行运动仿真，根据仿真结果得出机器人的垂直跳跃的最大高度为734.1176㎜，向前跳跃的最大距离为447.6417㎜，整个运动过程1.5～2 s，得出腿部运动提供的能量与弹射装置提供能量的能量比接近1:2。最后使用3D打印技术制作部分实物模型进行垂直跳跃的姿态试验验证，结果表明仿跳蛛跳跃机器人采用复合式跳跃运动可以有效地提高多足跳跃机器人的垂直跳跃的高度和向前跳跃的距离，具有一定的可行性。

关键词：跳蛛跳跃机器人弹射装置运动仿真

蜉蝣优化双通道网络在齿轮箱故障诊断中的应用

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西安交通大学学报 2025年

作者：于宁魏沉潜田立勇赵建军于晓涵辽宁工程技术大学机械工程学院

为了有效提取齿轮箱中齿轮和滚动轴承的故障信号特征，并克服深度学习模型超参数选取依赖人工经验的局限性，提高故障诊断的准确性和稳定性，本文提出了一种基于蜉蝣算法（Mayfly Algorithm， MA）优化的双通道神经网络故障诊断模型。... 详细信息

为了有效提取齿轮箱中齿轮和滚动轴承的故障信号特征，并克服深度学习模型超参数选取依赖人工经验的局限性，提高故障诊断的准确性和稳定性，本文提出了一种基于蜉蝣算法（Mayfly Algorithm， MA）优化的双通道神经网络故障诊断模型。模型采用一维时序输入的门控循环单元（GRU）和二维图像输入的卷积神经网络（CNN）构建双通道并行架构，并引入自适应批标准化（AdaBN）算法。利用MA的全局优化能力，以CNN-GRU的诊断精度为优化目标，自适应调整模型超参数。同时，将所提方法与粒子群算法（PSO）和遗传算法（GA）进行了对比验证，以评估其在模型参数优化方面的有效性。基于东南大学齿轮箱数据集和凯斯西储大学轴承数据集的实验结果表明，该方法能够有效提取振动信号特征，其故障识别精度与稳定性均优于典型深度学习模型，并展现出较强的鲁棒性。在稳态工况下，优化后的CNN-GRU模型在各数据集上的识别精度显著提高；在噪声工况下，MA优化的CNN-GRU模型表现出优异的抗噪性；在变负载工况下，结合AdaBN算法的MA-CNN-GRU模型实现了最高的平均识别精度。综上所述，所提方法能够高效、准确地检测齿轮箱故障，为机械设备的维护和稳定运行提供了重要的参考价值。

关键词：故障诊断齿轮箱门控循环单元卷积神经网络蜉蝣算法

热-结构耦合作用下压电式力传感器热应力分析

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西安交通大学学报 2025年第1期59卷 194-205页

作者：周远琴李映君李宏宇王桂从济南大学机械工程学院济南250022

针对极端环境下高温传感器的可靠性受限于热应力,导致传感器零漂和温漂甚至失效的问题,提出了一种基于热-结构耦合的高温压电式力传感器热应力计算方法及其有限元模型。基于平衡方程和热-弹性理论,建立了传感器热弹性力学物理方程,分析... 详细信息

针对极端环境下高温传感器的可靠性受限于热应力,导致传感器零漂和温漂甚至失效的问题,提出了一种基于热-结构耦合的高温压电式力传感器热应力计算方法及其有限元模型。基于平衡方程和热-弹性理论,建立了传感器热弹性力学物理方程,分析了封装材料和温度对压电式力传感器热应力的影响规律。通过分析高温环境下压电式力传感器的热应力分布,确定传感器应力集中位置。对传感器热应力进行溯源,得到封装材料和晶组材料的热膨胀系数不一致导致热失配应力产生。将随机振动功率谱密度转换为加速度时域信号,利用多物理场耦合方法,分析得到传感器的最大热应力为134.61 MPa,小于材料的屈服强度300 MPa,验证了传感器在高温、高压和随机振动综合环境下具有良好的可靠性。通过研究氧化铝和氧化锆绝缘层对传感器最大热应力的影响,研究结果表明,温度为420℃时氧化铝绝缘层传感器的最大热应力比无绝缘层传感器的最大热应力小9.18 MPa,比氧化锆绝缘层传感器最大热应力小79.31 MPa,该工作可为高温环境下减小传感器热应力措施提供一定的参考。

关键词：高温传感器热应力多物理场压电

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甘蔗收获机防堆叠装置设计与试验研究

农机化研究 2025年

作者：赖晓陈德健陈佩钟陈森广西大学机械工程学院

针对甘蔗堆叠易引起甘蔗收获机输送堵塞甚至导致停机等问题,设计了一种防堆叠装置。同时,阐述了装置的结构和原理,设计了输送机构与铺平机构;建立了装置三维模型并进行ADAMS仿真试验,初步探究输送辊转速、曲柄转速和甘蔗数量对装置铺平... 详细信息

针对甘蔗堆叠易引起甘蔗收获机输送堵塞甚至导致停机等问题,设计了一种防堆叠装置。同时,阐述了装置的结构和原理,设计了输送机构与铺平机构;建立了装置三维模型并进行ADAMS仿真试验,初步探究输送辊转速、曲柄转速和甘蔗数量对装置铺平效果的影响规律。基于虚拟仿真结果进行物理样机单因素试验,以及设计正交试验确定装置最佳参数和3个因素的影响程度。单因素物理试验结果表明,3个因素均影响防堆叠装置的铺平性能。输送辊转速越高,铺平率越低,铺平效率最高为93.2%;铺平装置曲柄转速越大,铺平率越高,铺平效率最高为86.4%;堆叠的甘蔗数越少,铺平率越高。正交试验结果表明:3个因素对装置铺平率均有显著影响,影响程度大小依次为甘蔗数量、曲柄转速和输送辊转速。当甘蔗数量为6根、曲柄转速和输送辊转速分别控制在57 r/min和52.2 r/min左右时,甘蔗收获机防堆叠装置效果最优,此时铺平率为91.7%。研究结果对于预防输送通道堵塞、改善甘蔗收获机收割效率、提高剥叶率具有重要意义。

关键词：甘蔗收获机堆叠堵塞曲柄转速输送辊转速铺平率

改进辛几何包分解及其在行星齿轮故障诊断中的应用

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机械科学与技术 2025年

作者：潘海洋许大洋程健郑近德童靳于安徽工业大学机械工程学院

针对辛几何包分解(Symplectic Geometry Packet Decomposition， SGPD)在强噪声干扰下难以实现特征有效提取的问题，提出了一种改进辛几何包分解(Improved Symplectic Geometry Packet Decomposition， ISGPD)方法。在利用ISGPD进行信号分解过程中，首先，利用辛几何相似变换理论对原始信号进行分解并重构出初始辛几何分量，对不同模态分量完成初步分割；然后，定义Ramanujan谱信噪比指标，衡量各模态分量所包含的状态信息量，避免了有效特征信息的遗失；最后，为了最大程度地滤除有效分量中包含的噪声信息，对分量信号展开多层次分解，弱化有效分量中的干扰信息。将所提ISGPD方法应用于行星齿轮箱故障仿真信号和实测信号，分析结果表明：与SGPD方法相比，ISGPD具有更强的特征提取能力、噪声鲁棒性。

关键词：改进辛几何包分解行星齿轮箱故障诊断 Ramanujan谱信噪比

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凝胶基柔性离子热电材料研究进展

功能材料 2025年

作者：刘凯阳李国显胡永鹏孟垂舟郭士杰河北工业大学机械工程学院

近年来,具有超高离子塞贝克系数的离子热电器件(ionic thermoelectric,iTE)受到广泛关注。与电子型热电器件不同,iTE以离子作为电荷载体,其中离子导电凝胶因其出色的TE特性和柔性可拉伸性,展现出巨大的发展潜力。综述了凝胶基iTE材料的... 详细信息

近年来,具有超高离子塞贝克系数的离子热电器件(ionic thermoelectric,iTE)受到广泛关注。与电子型热电器件不同,iTE以离子作为电荷载体,其中离子导电凝胶因其出色的TE特性和柔性可拉伸性,展现出巨大的发展潜力。综述了凝胶基iTE材料的研究现状。通过考察iTE的两种主要的工作机理,即离子扩散效应和温差电池效应,对影响凝胶基iTE材料热电性能的因素进行了深入分析。介绍了目前凝胶基离子热电材料的性能调控策略,同时对凝胶基离子热电材料的应用方式进行了阐述,探讨了离子热电材料进一步发展所面临的挑战。通过关注离子热电材料的最新创新成果,期望能为凝胶基离子热电材料的未来发展提供有价值的参考。

关键词：离子热电材料凝胶热扩散效应热原电池效应低品位热能

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主路式水肥一体机施肥系统的设计与试验

农机化研究 2025年第2期47卷 68-74页

作者：李擎李家春熊贤沙蔡家斌贵州大学机械工程学院贵阳550025

针对现阶段水肥一体化设备存在施肥不均、自动化程度不高及滞后性严重的问题,根据现代化农业节水省肥和减少环境污染的灌溉要求,设计了一款可实现自动混肥、施肥、节水灌溉的主路式水肥一体化施肥机。根据液肥的EC和pH值调节过程的特点... 详细信息

针对现阶段水肥一体化设备存在施肥不均、自动化程度不高及滞后性严重的问题,根据现代化农业节水省肥和减少环境污染的灌溉要求,设计了一款可实现自动混肥、施肥、节水灌溉的主路式水肥一体化施肥机。根据液肥的EC和pH值调节过程的特点,开发了以SIEMENS S7-1200为核心的液肥控制系统硬件,并结合MatLab设计了以模糊PID为控制器的液肥EC和pH值控制系统。为验证施肥机在实际应用中的精确性和鲁棒性,设计了施肥系统动态调节性能试验,结果表明:在施肥阶段,模糊PID控制系统具有较短的稳态时间和较小的超调量,相比于PID控制系统,对EC和pH值进行调节的稳态时间分别减少了37.7%和52.1%,稳态超调量分别降低了1.2%和2.2%,可实现对混肥溶液进行迅速有效的调节,满足现代农业实际生产需要。

关键词：水肥一体化施肥机模糊PID 过程控制