摘要： 齿轮箱是风电机组的核心机械部件,齿轮箱内各零部件的正常运行对机组的可靠运行至关重要。齿轮箱内部除了齿轮、轴承等运动副外,还有内外花键副、花键端盖、轴承外圈与箱体等微动副。这些微动副在设计制造时往往容易被忽视,若制造工艺不当,其常常会发生微动磨损,甚至剧烈的异常磨损,从而导致齿轮箱功能提前失效。因此,需要高度重视上述微动副的设计及工艺制造过程。

关键词： 滑动轴承   铜合金   低速重载   摩擦磨损特性  

摘要： 滑动轴承在风电齿轮箱中的潜在应用得到广泛研究。作为风电齿轮箱传动系统关键基础件,滑动轴承在运行过程中起到了支撑和承载的作用,但受服役环境和低速重载等复杂工况的影响,普遍存在着表面擦伤、材料剥落、塑性变形等磨损问题。随着风电装备朝着大功率发展,滑动轴承的摩擦磨损问题日益凸显。可见,探究服役环境下,滑动轴承材料的摩擦磨损特性对于降低风机故障率和提高运行可靠性具有重要意义。 本文采用标准摩擦学实验,开展了油润滑条件下,不同工况参数对铜合金滑动轴承材料的摩擦磨损影响实验研究,并利用扫描电镜、超景深显微镜、三维形貌仪等测试手段,分析了铜合金材料的磨损机制及其演变规律。主要研究结论如下: (1)在室温下,随着载荷增大和线速度减小,摩擦系数和磨损率不断增大。随着载荷和线速度的增大,磨损体积和磨痕轮廓参数不断增大。随着载荷的增大,主要磨损机理由轻微的磨粒磨损转变为塑性变形磨损和磨粒磨损;随线速度增大,主要磨损机理由轻微的塑性变形磨损和磨粒磨损转变为严重的塑性变形磨损和轻微的剥层磨损。此外,还探究了不同配副参数对摩擦磨损特性的影响。发现:配副直径对磨损特性影响最显著,配副粗糙度次之,配副材料对磨损特性影响最弱。 (2)在服役温度下,随着载荷和配副粗糙度的增大,摩擦系数、磨损量是不断增大的;随着线速度的增大,摩擦系数呈不断增大的趋势。而磨损体积的变化规律略有不同,随着线速度增大,在室温下呈递减的趋势,在高温下呈不断增大的趋势。同时,随着温度增大,磨损参数均是增大;在室温下,磨粒磨损为主要的磨损机制,而在高温下,磨损机制以剥层磨损为主,并伴有其他磨损机制,这主要归因于不同工况和温度的耦合作用,使得材料软化,产生了不同程度的塑性变形。 (3)探究了Cu Sn12Ni2材料在不同测试时间下磨损参数的演变规律。研究表明:在前30分钟,磨损参数摩擦系数、磨损量以及磨痕轮廓参数均有较大的变化,属于磨合阶段,30分钟后,磨损状况得到缓和,摩擦系数和表面粗糙度趋于平稳,磨损量增长速率变缓,进入稳定磨损阶段;随着测试时间推移,室温下,主要磨损机制从轻微的磨粒磨损转变为磨粒磨损和塑性变形磨损。90℃下,主要磨损机制从严重的塑性变形磨损转变为严重的剥层磨损、磨粒磨损和粘着磨损。

关键词： 改进EWT   深度卷积神经网络   双向长短时记忆神经网络   深度残差网络   变分自编码器  

摘要： 齿轮箱齿轮是机械设备的关键部件,齿轮的状态监测对机组的安全运行具有重要的现实意义。当齿轮处于不同的状态运行时,所产生的振动信号也会不同。本文以齿轮箱中的齿轮作为研究对象,对齿轮振动信号进行预处理、建立齿轮故障诊断模型并对齿轮的运行状态进行预测,主要内容如下: (1)提出使用改进的经验小波变换(Empirical Wavelet Transform,EWT)结合小波阈值(Wavelet Threshold,WT)方法对齿轮振动信号进行预处理。由于通过传感器采集到的非线性、非平稳的齿轮振动信号中含有大量噪声,所以需要首先对其进行去噪。本文改进了经验小波变换的频谱分割方式,使其具有更好的自适应性和更高的精准度,并且结合了小波阈值方法,使噪声有效去除。在对仿真信号进行去噪后,改进EWT-小波阈值方法获得了13.8的信噪比和1.91e-07的均方根误差,相比于其他方法具有最好的去噪效果。在对真实的齿轮振动信号的处理中,同样去除了真实信号中的大部分高频噪声,获得了优异的效果。 (2)将深度卷积神经网络(Deep Convolutional Neural Networks,DCNN)与双向长短时记忆神经网络(Bi-directional Long Short Term Memory,BiLSTM)结合,构建齿轮故障诊断模型。系统的分析了这两种神经网络结合后的优点,并且分析了激活函数、学习率、优化器、Dropout策略以及网络结构等对模型诊断精度的影响,设置实验获得了最优的模型超参数和结构。为了进一步提高网络性能,引入了CNN的另一变体——深度残差网络(Residual Network,ResNet),并且对比了其他识别方法,发现ResNet模型具有较好的网络性能,对齿轮故障类型的识别最准确。 (3)建立了VAE-ResNet齿轮故障预测模型。在实际工况中,齿轮故障状态不会长时间运行,采集到的齿轮故障数据十分稀少,而神经网络的训练需要大量样本。本文提出使用变分自编码器(Variational Auto Encoder,VAE)对故障数据进行增强,将实验中6种类型的齿轮故障数据进行裁切后使用VAE进行数据扩充,达到故障数据和健康数据的平衡。进行数据增强后训练ResNet模型,对模型进行测试,发现VAE-ResNet模型对于故障类型的综合识别准确率相比于没有数据增强的模型更高,模型的泛化性和鲁棒性更强,由对故障数据的扩充可以实现对齿轮运行状态的预测。

关键词： 飞秒激光   面齿轮材料   流体力学模型   工艺参数   烧蚀形貌特征  

摘要： 面齿轮作为直升机动力传动系统的关键零部件之一,以其独特的优势如传动比大、承载能力强、齿轮啮合过程中振动小和噪声低等优点,在航空领域受到广泛关注。尽管我国近年来在面齿轮的设计、制造和加工等方面取得了显著进展,但与国外先进的面齿轮精密制造技术相比,我国在相关机械设备和技术方面仍存在一定的差距,这导致了采用传统机械加工方法制备的面齿轮存在加工精度不足的问题。飞秒激光精微加工技术凭借其加工区域精确、热影响区小等显著优势,为突破面齿轮加工困境提供了新的途径。本文综合运用理论分析、建模仿真与试验研究的方法,开展飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA研究。研究内容主要包括以下几个方面: （1）飞秒激光精微加工面齿轮材料的烧蚀过程研究。研究了飞秒激光与面齿轮材料间的相互作用机理,分析了飞秒激光烧蚀面齿轮材料的主要相变机制,以及基于面齿轮的啮合原理和插齿加工原理推导了面齿轮的齿面方程,研究了面齿轮材料18Cr2Ni4WA的成分及优势,分析了面齿轮材料18Cr2Ni4WA在固、液、气三相中热物性参数对相变过程的影响; （2）飞秒激光精微加工面齿轮材料的数值模拟。针对飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA过程中固、液、气三相共存情况,考虑熔融金属液体对流、热传导和热辐射作用,以及反冲压力、表面张力、Marangoni力、重力和浮力等因素的影响,在构建固液界面追踪模型及改进的气液界面追踪模型的基础上,建立了适用于飞秒激光烧蚀面齿轮材料18Cr2Ni4WA流体动力学模型。运用有限元软件模拟仿真,基于单一变量原则,改变飞秒激光脉冲数、重复频率和能量密度,分析得到烧蚀凹坑深度、直径及凹坑边缘形貌变化规律。 （3）飞秒激光精微加工面齿轮材料的试验研究。开展飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA的工艺参数试验研究,结果表明飞秒激光随着脉冲数、重复频率和能量密度的增大,烧蚀深度及直径均呈增加的趋势,且烧蚀凹坑边缘有凸起。 （4）飞秒激光精微加工面齿轮材料的优化试验研究。设计了三因素三水平正交试验,通过信噪比分析了飞秒激光重复频率、能量密度和扫描速度对面齿轮材料18Cr2Ni4WA加工烧蚀区域的深度及表面粗糙度的影响,获取了单一响应目标最佳的工艺参数组合,确定了关键工艺参数。结合灰色关联理论对烧蚀区域形貌进行综合优化,得到了多响应目标下最佳的工艺参数组合为重复频率200 k Hz,能量密度3.5 J/cm2,扫描速度110 mm/s。对优化后的工艺参数组合进行试验验证,得到的试验值灰色关联度与预测值误差仅为7%,具有较好的一致性。优化后的试验结果符合期望的表面形貌质量特性,证明了正交试验结合灰色关联法是改善飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA表面综合形貌质量的有效方法,实现了考虑多个工艺参数影响下对多个响应目标的改善。

关键词： SoC   测量控制系统   FPGA   DDA圆弧插补   Linux  

摘要： CNC齿轮测量中心作为高精度齿轮测量的关键设备,其测量控制系统的整体功能直接影响到设备的性能参数和使用表现。随着电子电路技术的飞速发展,提出了基于SoC(System on Chip)的测量与控制系统。该系统主要由下位机软件、FPGA程序和硬件平台三部分构成,目前已完成了基本功能的搭建。本文在此基础上针对SoC测量控制系统进行了一系列的工程化设计,完善了软硬件的功能,优化了制造工艺,使SoC测控系统具备了替代原齿轮测量机CAMAC控制器的能力,并实现了实际工程应用的目的。 本文首先围绕硬件平台搭建,对测控系统的主要功能电路进行了优化设计,主要包括供电系统、电机驱动及报警电路、数字量测头电路等,使SoC测控系统在功能上更加完善。并且参照市面上主流运动控制器的设计,优化了整体电路的布局布线,使外部接口与板卡融合,提高了硬件集成度的同时也降低了系统的故障率和生产成本。优化后的SoC测控系统硬件在功能上不仅能够实现对CAMAC机箱的替换,也达到了企业的生产使用要求。 其次,针对上下位机软件部分功能重合的问题进行了拆分设计,进一步优化了上下位机程序的功能划分,提高了软件的兼容性和运行稳定性。且完善了FPGA程序的功能逻辑和参数设置,添加了测头限位选择与电机报警功能,并针对曲线插补算法提出了DDA圆弧插补的硬件算法设计。同时,完成了下位机软件与FPGA程序基于Linux操作系统的自动引导配置功能,解决了SoC测控系统在Linux运行环境下需要手动配置引导程序启动的问题,实现了测控系统的上电自启动。 最终,结合上位机诊断程序对SoC测控系统的主要功能进行了验证,包括光栅读数、电机驱动、控制面板按键及操纵杆、三维模拟量测头读数等功能。经过测试发现,优化后的SoC测控系统在主要功能和精度上已经满足齿轮测量机的使用要求,且系统运行稳定。

关键词： 齿轮箱   轴承故障诊断   生成对抗网络   无监督迁移学习  

摘要： 齿轮箱作为工业生产中的关键传动部件,在众多工业领域发挥着不可替代的作用,其运行状态对机械传动系统的可靠与安全具有直接影响。然而在实际工业场景中,齿轮箱多处于高温、重载、强冲击等恶劣运行环境中,其振动信号常表现出非平稳、强噪声、弱特征等特性,给实际故障诊断带来了极大困难。为实现针对性更强、更准确的齿轮箱故障诊断,本文围绕齿轮箱故障诊断工作中存在的强噪声干扰、小样本数据和工况信息缺失等三方面问题展开针对性研究,主要研究内容如下: (1)针对齿轮箱振动信号存在强噪声与多源激励干扰的问题,提出一种多通道注意力残差网络(Multi-sensor Attention-enhanced Residual Scale Network,Marsnet)。Marsnet融合了多传感器信号输入、注意力机制及多尺度残差网络等深度学习方法,有效地提高了强噪声背景下针对齿轮箱故障早期微弱特征的提取能力,并利用多个强噪声数据集验证了Marsnet的优越性。 (2)针对实际齿轮箱故障高质量样本缺失导致的小样本诊断问题,提出了一种最小二乘多尺度循环生成对抗网络(Least Squares Multi-scale Cycle Generative Adversarial Networks,LS-Multi Cycle GAN)。LSMulti Cycle GAN通过在损失函数中引入最小二乘损失以稳定训练过程,在生成器中引入多尺度残差结构以生成更高质量的样本;将所提模型与主流增量学习模型对比,验证了LS-Multi Cycle GAN对缓解齿轮箱小样本问题的有效性。 (3)针对实际工程中常存在的齿轮箱运行工况信息不完备问题,提出一种域适应残差对抗网络(Deep Shrinkage Adaptation Adversarial Network,DSAAN)。DSAAN通过引入改进的残差收缩模块以实现对于噪声的滤除和故障特征的准确提取,引入局部最大均值差异损失来实现在全局领域对齐的同时对局部领域进行匹配。通过与主流迁移诊断模型对比,证明DSAAN在跨工况的迁移诊断任务中展现出了更好的领域自适应能力。 (4)搭建了一套齿轮箱故障模拟实验台。通过设计实验方案,开展齿轮箱典型轴承故障模拟实验并进行数据采集和信号展示,为所提模型验证研究提供了高质量的数据集支撑。 综上,本文综合运用多通道输入、对抗样本生成和迁移学习等深度学习方法,构建了针对强噪声、小样本、跨工况诊断等多种问题的齿轮箱故障诊断方法,并通过实验数据验证了所提方法的鲁棒性与实用性,为齿轮箱故障诊断与运维工作提供了技术支撑。

关键词： 齿轮动力学   齿根裂纹   耦合效应   动态特性   时变啮合刚度  

摘要： 齿轮传动作为机械传动中最重要的传动形式之一,以其优异的性能被广泛应用于汽车、航空航天、轨道交通和新能源设备等领域。由于齿轮在运行过程中长期承受交变载荷作用,容易在齿根处产生疲劳裂纹,裂纹不断扩展会改变齿轮系统的动态特性,进而影响其正常运行。因此,对齿轮系统的动态特性进行研究有助于了解齿轮的损伤机理和动力学行为,能够为齿轮系统的状态监测、性能评估和缺陷识别提供理论依据。本文在考虑齿轮动态啮合力与齿根疲劳裂纹扩展之间的耦合效应的基础上,建立带有齿根裂纹缺陷的直齿轮系统非线性动力学模型,对直齿轮系统的动态特性进行分析,并研究齿根疲劳裂纹扩展对直齿轮系统动态特性的影响。本文的主要研究内容如下: (1)齿根裂纹会引起齿轮时变啮合刚度的变化,进而影响齿轮系统的动态特性。考虑到基圆与齿根圆不重合,本文将轮齿简化为齿根圆上的悬臂梁,基于势能法建立齿轮时变啮合刚度计算模型,并得到缺陷齿轮的时变啮合刚度,在此基础上研究齿根裂纹长度与裂纹角度对齿轮时变啮合刚度的影响。 (2)对齿根疲劳裂纹扩展机理进行分析,考虑裂纹闭合效应,基于Paris方程建立改进的齿根疲劳裂纹扩展数学模型。考虑齿轮动态啮合力与齿根疲劳裂纹扩展之间的耦合效应,将动态循环后的动态啮合力引入模型,通过数值法计算齿根裂纹扩展速率,并研究考虑耦合效应后的齿根疲劳裂纹扩展行为。 (3)通过引入裂纹改变后的时变啮合刚度激励,建立带有齿根裂纹缺陷的三自由度直齿轮系统非线性动力学模型,并利用Runge-Kutta数值积分法求解动力学微分方程。对齿轮动态啮合力与齿根疲劳裂纹扩展之间耦合效应的产生与作用过程进行研究,分析考虑耦合效应后直齿轮系统动态特性的变化。在考虑耦合效应的情况下,以裂纹长度和裂纹角度为变量来研究齿根疲劳裂纹扩展对直齿轮系统动态特性造成的影响。 (4)开展直齿轮系统振动实验,验证研究内容的正确性。采集带有齿根裂纹的直齿轮系统振动实验数据并进行处理得到实验结果,将实验台参数输入至本文提出的模型中进行求解得到仿真结果,将不考虑耦合效应和考虑耦合效应的仿真结果分别与实验结果进行对比分析,论证本文所建立动态模型和所提耦合效应理论的有效性与合理性。

关键词： 脂润滑弧齿锥齿轮   弹流润滑   非高斯粗糙度   油动重载无人机  

摘要： 近些年,四旋翼重载无人机在军事领域、消防领域、农药喷洒及救援任务中作用凸显。但电动无人机续航短载重小的缺点短时间内难以克服,油动方案成为新的攻关方向。传动使用的弧齿锥齿轮常在高速重载条件下工作,与载人飞行器不同的是,此类装备为了减重及提升飞控性能,取消了整套齿轮箱油冷系统,采用脂润滑方案。齿轮的设计有一定的特殊性,常选用满足传动需求下体积最小的方案,并在齿盘上打减重孔,这将导致热密度大及热量难以散逸的问题。同时,因其应用的特殊性和苛刻的使用条件,原有的油润滑齿轮箱上应用的一些理论方法很难准确估计脂润滑弧齿锥齿轮润滑状态。面对无人机脂润滑齿轮箱出现润滑、发热及动力学问题理论研究不完善的情况应予以重视。因此,研究高速重载脂润滑弧齿锥齿轮的齿面润滑机制、发热、热分散及动力学问题对此类装备的发展有着重要意义。本研究以无人机用高速重载弧齿锥齿轮为对象,建立了适用于高速重载工况下的脂润滑弧齿锥齿轮齿面热弹流模型及分析方法,并考虑了粗糙度效应、非牛顿流体效应、瞬时效应和混合润滑的影响。以无人机典型工况为例,形成了以脂润滑齿面热弹流分析为基础,进而估计齿轮发热,再到分析润滑脂性质对动力学影响和齿轮热分散机理的一整套理论计算体系。论文中主要研究内容及方法如下: (1)提出脂润滑分析需重视齿面建模方法,建立了用于加载接触分析的齿面理论模型。考虑到完全根据啮合原理建立的理论齿面模型与实际加工齿面差距较大,提出采用啮合点处二阶微分原理反推加工参数,模拟机床和刀具运动形成的曲面近似实际齿面。考虑了啮合点处法线的第三分量,将接触方程全部表示为与啮合转角相关的函数,简化了接触分析计算。并利用优化后的接触分析方法进一步求得并分析了齿轮典型工况下的加载接触分析结果。 (2)结合统计模型与确定模型各自优点,建立了考虑混合润滑状态及瞬时效应的弧齿锥齿轮脂润滑热弹流模型及整套解法。考虑到弧齿锥齿轮齿面的特殊性,深入研究了润滑脂流变特性实验文献,为模型选择适用的本构方程提供可靠的理论依据。考虑弹流区平均流量和接触区微凸体接触,以油膜厚度作为判据,在直接接触区关闭雷诺方程用弹塑性接触模型进行压力计算,以此保证离散格式下迭代边界的连续性。为解决由润滑脂性质改变引起的计算误差增加、收敛不稳定等问题,采用了多重网格法消除误差,根据所承载压力的大小选择不同迭代方法以增加计算速度与收敛精度。并且考虑了温度控制方程数值收敛问题,针对不同卷吸速度方向讨论了温度控制方程的离散形式,以此来消除因可能存在逆流区而造成的数值计算报错,同时给出了所有关键步骤上的求解格式及方法。最后通过文献对比验证了模型的准确性。 (3)建立了脂润滑弧齿锥齿轮齿面润滑效果参数化分析方法,并提出相同齿面可改变粗糙度分布进而改善润滑的方法。采用提出的混合弹流模型,计算了等温条件及热弹流条件下光滑齿面和含粗糙度齿面的油膜压力与油膜厚度,以无人机典型工况下齿面关键啮合点处润滑状态为表征进行分析。结果表明,热弹流条件下的平均油膜厚度要小于等温条件下平均油膜厚度,并且粗糙度是影响油膜厚度的一个重要因素。同时,啮合中点是齿面上润滑最薄弱的,其油膜厚度随工况的改变不如啮入点和啮出点处明显。粗糙度分布偏度的增加对改善润滑是有效的,峰度的改变对润滑效果影响较弱。分析含粗糙度齿面的摩擦系数与微凸体接触率后可知,低速轻载下润滑脂黏度是影响摩擦系数的关键因素,重载条件下微凸体干摩擦开始发挥作用,提升齿轮转速是减小单次啮合摩擦损失的有效方法。通过对比不同黏度润滑脂及其基础油所形成的油膜厚度发现,以往采用基础油来模拟润滑脂在高速重载下油膜厚度的经验,不适用于弧齿锥齿轮齿面上的大部分情况,需谨慎使用。通过对齿面最高温度的分析可知,齿面粗糙度偏度及峰度的增加都能够有效降低齿面最高温度,同时降低润滑脂黏度效果将会更好。 (4)根据无人机齿轮箱实际结构,采用齿轮对啮合模型建立了摩擦-动力学耦合模型。摩擦力不再采用经验公式,以混合润滑模型计算啮合点处摩擦力为准。并采用瞬时油膜压力及膜厚来计算油膜刚度的方法进行解耦。通过仿真与实验对比证明了模型的准确性。结果表明,润滑脂性质对啮合频率分量的影响较为明显,而转频分量更易受到其它零件激励的干扰。润滑脂流变特性在低速条件下对动力学的影响较为显著,在高速条件下贡献较弱。无人机自检应考虑润滑脂性质所带来的动力学干扰。 (5)建立了齿盘近似理想导热模型和齿轮热网络模型。研究了齿盘减重孔形状与导热速率间的关系,采用二维导热模型对一维模型进行修正,并将齿盘理想模型简化为可变热阻。运用前文中润滑分析相关方法及结论,估计了热网络模型中啮合点处发热量,将可变热阻耦合进热网络模型中进行计算。通过实验验证了模型的准确性,并找到了一种有助于快速导热的减重孔形状。 综上,无人机脂润滑弧齿锥齿轮的齿面润滑状态可控,并且带减