关键词： 齿轮箱   故障诊断   ShuffleNet   注意力机制   迁移学习  

摘要： 齿轮箱是机械设备中常见而关键的部件之一,实现改变速度、传递动力和调整方向等功能。齿轮箱在工作过程中,因受到各种因素的影响,很容易导致其发生故障。因此,为了保证设备的安全运行,对齿轮箱进行有效的故障诊断十分必要。本文以齿轮箱为研究对象,运用深度学习的知识,通过改进卷积神经网络,实现齿轮箱故障的有效诊断。具体工作内容如下: 首先,在实验室DDS实验台上采集齿轮箱中齿轮和轴承的故障数据,构建用于故障诊断的数据集,同时构建用于故障诊断的网络模型。基于具有轻量化、快速、高效等特点的Shuffle Net网络进行改进,嵌入高效通道注意力机制(ECA),添加Gelu激活函数以及组归一化等,构建了Shuffle-ECANet网络模型用于齿轮箱故障诊断。该方法不需要对采集到的数据进行信号预处理,直接从原始振动信号中进行相关特征的提取,摆脱了人工经验的干预和信号处理方法的限制。使用DDS实验台采集的数据进行验证,取得了不错的效果,证明了方法的可行性。 其次,为了进一步提高网络模型的准确率、稳定性和抗噪能力,将软阈值化和压缩和激励网络(SENet)中相关结构进行结合,嵌入到改进的Ghost单元中,并融合残差思想,在Shuffle-ECANet网络模型基础上调整了网络结构等,提出了Shuffle-Ghost Net网络模型。该网络模型在DDS实验数据、西储大学轴承数据以及添加了不同高斯白噪声的DDS数据上取得了比较理想的诊断效果。对比Shuffle-ECANet,该网络模型的故障诊断性能大大提高。 最后,在Shuffle-GhostNet的基础上提出了迁移学习的故障诊断方法,为故障诊断走向实际应用提供了一种可行性方案。该方案首先利用源域数据进行网络模型的预训练,然后将训练好的模型进行保存,并冻结相关参数为迁移学习做准备,最后将微调后的模型进行目标域数据的分类。通过DDS实验台轴承数据和西储大学轴承数据验证了该方法的有效性。

摘要： 常州航空齿轮有限公司关键生产岗位的数控铣高级技师张意是江苏省常州技师学院培养出的“顶梁柱”，他不断精进技艺，练就“金刚钻”，勇揽“瓷器活”，用双手实现梦想，用技能点亮人生，生动诠释了“一技之长、能动天下”“一技在手、一生无忧”。

关键词： 非圆柱齿轮   解析设计   齿面修形   承载接触分析   传动试验  

摘要： 非圆柱齿轮是一种具有变速比传动特性的特殊齿轮,在航空航天、交通运输、矿产开采、农业生产、纺织、医疗等领域中被广泛应用。随着现代机械设备功能的不断更新迭代,非圆柱齿轮逐渐在更多传动场合中被应用和推广。目前非圆柱齿轮的设计方法精度差、效率低,已不足以满足现代工业对传动系统的大功率、高精度和重载服役要求,因此研究精度更高的非圆柱齿轮设计方法、分析非圆柱齿轮的传动特性,并提出合理的优化方法,对非圆柱齿轮的发展具有重要的工程应用价值。本文以平行轴非圆柱齿轮为研究对象,以齿轮几何学和微分几何学为理论基础,基于齿轮精密数控加工技术,研究了非圆柱齿轮的齿面解析设计理论和齿面几何特性,结合实际服役工况,提出了非圆柱齿轮的齿面修形设计方法。主要研究内容包括: (1)根据非圆柱齿轮的传动类型,研究了固定平行轴安装的非圆柱齿轮副节曲线设计过程。提出了基于非线性规划方法的动轴线非圆柱行星齿轮机构节曲线设计方法,建立了以节曲线几何参数为设计变量的非线性规划数学模型,实现了多种阶型非圆柱行星齿轮机构节曲线的系列化设计。基于非圆柱齿轮在复合行星轮系中的传动功能,提出了面向传动功能要求的非圆柱齿轮节曲线主动设计方法,为非圆柱齿轮齿面的解析设计提供了理论基础。 (2)基于齿轮几何学理论,建立了非圆柱齿轮变中心距包络模型,该模型具有产形轮定轴线、变速比运动特性,解决了非圆柱齿轮共轭齿面啮合方程无法求解的问题。推导了齿面包络过程中非圆柱齿轮和产形轮的相对运动关系,得到了非圆柱齿轮齿面包络方程。在此基础上,求解了共轭齿面啮合方程,建立了完整的非圆柱齿轮齿面数学模型,将非圆柱齿轮每一个存在几何差异的齿面利用具有一般性的参数化齿面方程进行了统一表示,从而有效提升了非圆柱齿轮的设计精度和效率。 (3)基于参数化非圆柱齿轮的齿面方程,通过微分几何学理论计算了非圆柱齿轮齿面的曲率参数,分析了不同位置齿面的弯曲特性,分析结果表明非圆柱齿轮的齿面是以直线为母线的可展曲面,并验证了不同齿面间存在的几何差异性。分析了非圆柱齿轮的齿面截面齿形,结果表明同一个轮齿在不同的截面上具有不同的齿廓形状。基于齿面方程及共轭啮合方程分析了非圆柱齿轮瞬时齿面接触类型,证明了非圆柱齿轮齿面为线接触,为齿面修形设计提供了必要的理论依据。 (4)根据齿面修形理论,结合非圆柱齿轮齿面差异性客观条件,研究了蜗杆砂轮在齿向两端处附加径向进给运动的齿向修形原理,提出了一种基于连续展成磨削的非圆柱齿轮齿面修形方法。推导了蜗杆砂轮的齿廓方程,建立了非圆柱齿轮修形齿面的双参数包络模型,得到了非圆柱齿轮的修形齿面方程。求解了蜗杆砂轮及金刚轮运动轨迹,建立了蜗杆砂轮连续展成磨削非圆柱齿轮的运动模型。 (5)建立了非圆柱齿轮副的轮齿接触分析模型,研究了不同安装误差和修形参数对齿面接触轨迹和齿面接触椭圆的影响。基于点接触赫兹理论,结合有限元分析方法建立了考虑安装误差的非圆柱齿轮副承载接触分析模型。分析了不同安装误差条件下不同修形曲线对齿面接触应力的影响,从而确定了利用高阶曲线进行修形的理论基础。考虑了修形参数对传动误差、齿面接触应力以及齿面载荷分布的影响,为非圆柱齿轮齿面修形方案的选择提供了理论参考。 (6)搭建了非圆柱齿轮加载传动试验台、非圆柱齿轮液压马达综合传动性能试验台,检测了非圆柱齿轮副的传动比、齿面接触印痕、传动误差和噪声等,验证了本文提出的修形方法的可行性。试制了高水基液压马达非圆行星齿轮机构进行了综合应用试验,验证了本文提出的非圆柱齿轮解析设计方法的正确性和可行性。

关键词： 海上风机齿轮箱   Kriging代理模型   动态可靠性   混合不确定性   疲劳寿命预测  

摘要： 大型海上风电场的开发力度不断加大、海上风能在世界各国能源供应中的比重逐步提高的环境下,随着制造业基础水平的提高,海上风机齿轮箱等关键部件的可靠性水平也有了极大改善。可靠性试验的周期延长,海上风机齿轮箱可靠性试验的投入越来越大,在有限的时间内获得的失效数据严重不足,基于大量失效数据的经典可靠性方法无法精准高效的使用。针对海上风机齿轮箱所面临的复杂工况、多源混合不确定性等问题,本文利用代理模型、循环优化、长期疲劳损伤寿命估算方法等方法,从系统可靠性评估和疲劳寿命预测这两个不同寿命阶段开展。本文主要研究内容和结论如下: (1)提出了一种基于Kriging扩展学习函数的时间离散动态可靠性分析方法。首先,根据初始输入变量建立初始Kriging模型,并使用Kriging扩展学习函数寻找新的样本点更新Kriging模型,同时利用混合选择模型和比率停止准则进行判定模型的收敛,最后利用高斯过程的扩展线性最优估计模型和蒙特卡洛模拟计算系统的累积失效概率。利用海上风载荷模型结合准静态分析等方法,完成海上风机齿轮箱的动态可靠性评估。 (2)在提出的动态可靠性方法基础上,考虑随机和区间不确定性,发展一种混合不确定性下的动态可靠性计算方法。将混合不确定性量化,采用一种高效的序列迭代方法求解区间不确定性带来的双层嵌套优化问题。对于海上风机齿轮箱,在考虑空气动力载荷、长期分析中的统计模型和外推法、以及半经验齿轮载荷模型等不确定性和区间不确定性的情况下进行评估。结果表明考虑混合不确定性的影响,更符合实际情况,具有更高的现实性和可行性。 (3)研究了一种专为海上风机齿轮箱齿轮的长期疲劳损伤寿命估算方法。首先利用Open FAST进行全局仿真得到输入扭矩,再根据输入扭矩时间序列建立扭矩分段,并根据每个扭矩分段的上限计算应力分段,然后根据线性损伤的PalmgrenMiner假设和齿轮应力-寿命曲线数据得出疲劳损伤,最后利用得到的疲劳损伤估算疲劳寿命。

关键词： 虚拟样机试验   背靠背式减速器试验台   减速器   多体动力学   行星齿轮系统  

摘要： 在传统的减速器产品设计研发过程中,一旦物理样机试验未通过,则需要重新修改设计、加工以及装配零部件进行物理样机试验,但多次反复进行物理样机试验会造成大量的人力物力消耗,而且导致研发周期较长。针对以上问题,本文提出了一种搭建背靠背式减速器虚拟仿真试验台以及在减速器产品研发流程中应用虚拟仿真试验替代真实样机试验的方法。所有真实样机试验的相关流程与操作均可在虚拟样机试验台上实现,且能达到相同的效果,如果虚拟样机试验未通过,则可以在不需要加工任何真实部件的情况下进行修改,减少真实样机试验的次数,这种方法极大程度地降低了经济成本与时间成本。基于背靠背式减速器试验台的结构特点和联接方式,在多体动力学软件环境下建立整体试验系统的仿真模型,特别强调仿真模型中的关键边界条件和实际条件的一致性,令仿真模型能够真实反映实际试验台架的性能,从而能够在一定程度上代替实际实验,对提升产品可靠性和缩短研发周期等方面有重要意义。相关内容如下: 首先,明确传动原理,对齿轮减速器传动链各部件进行设计、选择及校核,并进行正确装配。根据计算,每一对齿轮副的许用齿面接触应力均大于实际齿面接触应力,许用齿根弯曲应力也均大于实际齿根弯曲应力,由此可证明该减速器的齿轮强度符合设计要求,本章设计为后续对减速器进行虚拟仿真试验并验证设计可靠性奠定基础。 其次,分析试验台系统输入激励的各种类型及特点,并应用集中质量法,建立了减速器传动链中行星齿轮传动系统的平移-扭转动力学模型,得出了行星系统整体的动力学方程,并进一步归纳出了质量矩阵、阻尼矩阵、轴承刚度矩阵、齿轮啮合刚度矩阵、位移矩阵、外力矩阵。根据试验台各个齿轮和传动轴的参数计算出各个工况下齿轮啮合频率以及传动轴的转动频率。本章工作为后续建立虚拟样机试验台并进行虚拟仿真试验提供了理论支撑。 然后,采用有限元分析的方式确定试验台模型中关键边界条件的准确参数。通过计算,得到了试验台系统动力学仿真所需的螺栓连接刚度、各轴承刚度以及齿轮啮合刚度等,该部分数据将直接影响后续研究系统振动特性的仿真精度,增强了数据的正确性。 最后,选择功率流开放式试验台,搭建背靠背式减速器虚拟样机试验平台的刚柔耦合多体动力学模型。选取高速轴上的测点具体研究其在不同工况下的振动特性,得到时域和频域信号。当系统输入扭矩一定时,随着输入转速升高,系统的振动会更加明显,且试验台的动态激励频率与齿轮啮合频率及倍频基本吻合,由此表明减速器的振动激励源主要是齿轮的啮合激励。通过对仿真结果的分析,证明虚拟样机试验确实能够在一定程度上代替实际实验,对提升产品可靠性和缩短研发周期等方面有重要意义。

关键词： 合金化   超高强度   齿轮轴承钢   综合强化   渗碳处理  

摘要： 随着航空工业快速发展,航空发动机推重比不断提升（15～20）,对轴承材料强度和服役温度提出更高要求。国内大部分应用依然以第二代轴承钢为主,对第三代轴承钢研究较少,CSS-42L和BG801钢为第三代轴承钢的代表钢种,具有优良的强韧性匹配及抗高温性能。目前国内在合金元素Mo、W对该类型钢种强韧性能影响规律及机理研究较少。本论文在CSS-42L钢基础上,研究Mo、W含量对试验钢强韧性及渗碳性能影响,利用SEM、TEM、XRD、拉伸试验、室温冲击和硬度测试等手段,进行组织表征和性能测试,揭示Mo、W含量对力学性能影响;研究高温长时条件下钢的性能变化及组织转变行为;探究Mo、W含量对试验钢渗碳性能影响。主要得出以下结论: （1）研究了Mo/W含量对试验钢微观组织和室温力学性能的影响规律及机理,结果表明:添加Mo有利于提高试验钢强度、冲击韧性和硬度,Mo提高残余奥氏体体积分数,细化马氏体板条宽度;随着W含量增加,试验钢的屈服强度和硬度提高,冲击韧性下降,残余奥氏体体积分数和位错密度先升高后下降,适量W对细化马氏体板条有利。 （2）采用高温拉伸试验研究了Mo/W含量对试验钢315℃和500℃力学性能的影响规律及机理,结果表明:在315℃高温拉伸下,每增加1%Mo,试验钢抗拉强度提高36 MPa,屈服强度提高37 MPa。在500℃高温拉伸下,每增加1%Mo,试验钢抗拉强度提高48 MPa,屈服强度提高19 MPa。在315℃高温拉伸下,W含量增加,屈服强度升高;在500℃高温拉伸下,W含量增加抗拉强度提高,屈服强度先降低后提高。 （3）研究了Mo/W含量对试验钢500℃回火稳定性及组织演变的影响规律,结果表明:0Mo0.5W钢中,随保温时间延长,Fe3C相数量减少且尺寸减小,而M23C6相尺寸变大;4.6Mo0.5W钢和4.6Mo1W钢中随保温时间延长M2C相数量增多,而M23C6相尺寸变大。通过回火动力学分析,Mo使试验钢回火稳定性提高;在4.6Mo元素含量的添加下,W元素回火过程中析出相形核和长大机制影响不明显。 （4）基于低压脉冲渗碳试验,研究了Mo/W含量对渗碳组织、淬回火组织的影响规律,结果表明:Mo含量提高,促进更多M6C相产生,且残余奥氏体体积分数增加。渗碳试样残余奥氏体体积分数随W含量增多而增加。

关键词： 齿轮油气润滑   正交实验   冷却效果   传动效率  

摘要： 齿轮作为机械传动中的重要元件，其润滑状态直接影响到传动效率和使用寿命。传统的浸油润滑方式存在搅流损失等问题，而油气润滑作为一种新型润滑方式，具有许多优势。本文采用正交实验法对齿轮油气润滑参数进行优化研究，旨在找到最佳的油气参数组合。通过实验，发现供气量是影响润滑效果的主要因素，需根据齿轮箱内腔体和进出气口尺寸进行选择。在阀值范围内，随着供油量的增加润滑效果显著，超越阀值后，润滑效果有限，需考虑油泵的供给能力。此外，齿轮转向和箱内结构决定喷油点位，但喷嘴距离影响较小，考虑到效率和安全问题，以适当放远为宜。相较于浸油润滑，油气润滑不仅可以避免搅流损失，提升传动效率，还具有优良的冷却性能，提升使用寿命。研究结果为实际应用中油气润滑参数的选择提供了参考。