关键词： 单轨齿轮箱   故障模式识别   深度学习   趋势预测  

摘要： 由于列车长时间的频繁启停以及轮轨冲击载荷使得单轨齿轮箱产生磨损、剥落等破坏形式,如不及时处理则可能在列车运行过程中引发故障,对公共交通系统造成庞大的经济损失。因此本文将信号降噪、模式识别以及趋势预测结合从而展开以单轨列车齿轮箱振动信号为对象的相关研究。其主要研究工作如下: 1)为了有效降低强背景噪声环境下单轨列车齿轮箱振动信号受到的噪声影响,提出了一种基于SG-VMD-SVD的单轨齿轮箱振动信号降噪方法。首先使用SG滤波预处理单轨齿轮箱原始数据,在保留关键信号特征的同时获得平滑的数据。接着,采用NGO优化算法对VMD进行优化从而更有效地分离出不同频率的成分,避免了在VMD处理中可能出现的模态混叠和模态丢失问题。最后,对VMD得到的每个IMF分量应用SVD,通过线性叠加处理后的模态分量实现信号的二次降噪。通过对实测单轨齿轮箱振动信号的处理分析,证明了该方法能在强噪声背景中有效地保留包含故障特征信息的有用信号,并降低噪声成分。 2)为有效改善强噪声环境下单轨齿轮箱故障的识别效果,本研究提出了一种基于改进的Swin Transformer的故障识别方法,首先降噪后的振动信号通过连续小波变换转换为具有明显特征的时频图像,旨在更精准地捕捉信号内在的时频特性。随后在Swin Transformer模块中引入局部增强感知模块和混合移位窗口模块,在扩大模型的感受野的同时丰富模型深层的特征信息,从而有效提高模型对降噪后数据的利用率以及对细粒度的故障特征的敏感性。公开数据集和实测数据集对提出的单轨齿轮箱故障特征识别方法进行验证的结果表明,经过改进的模型在故障特征识别精度方面有显著提升。 3)为了提高现有Informer模型在单轨齿轮箱振动信号状态趋势的预测精度,降低其预测误差,并减少由于自注意力机制导致的Informer模型在推理时的高内存占用以及高计算复杂度,本文提出了基于DCBiformer的单轨齿轮箱振动信号趋势预测模型。该模型向多头自注意力层中引入空洞因果卷积,更有效地提取了时间序列数据中的因果关系和长距离依赖性,同时扩展了感受野,准确捕获了振动信号的全局上下文信息。然后构建双向概率稀疏自注意力模块,增加模型内部的层级特征传递,帮助振动信号时间序列信息在解码器中更好地流动。与现有的预测模型的对比表明,本文构建的单轨齿轮箱振动信号趋势预测模型表现优秀,证实了其预测准确性的提升和性能的优越性。

关键词： 刚度   固有频率   模态   时域响应   传动误差  

摘要： 减速器作为工业机器人中最重要的基础零部件,其性能直接影响到机器人的功能。正弦曲线行星齿轮减速器具有传动比大、传动效率高、重量轻和结构紧凑的优点,特别适于轻量化机械臂驱动。良好的动力学特性是减速器正常工作的关键,因此有必要研究该种减速器的动力学特性。对该种减速器在刚度、自由振动、强迫振动以及参数振动等方面进行了研究,进行了样机结构设计、加工装配与传动误差测试实验。主要内容如下: 根据Hertz理论建立了正弦行星齿轮减速器啮合副和滚动轴承接触点的接触变形分析模型,对正弦齿轮的轮齿接触变形和轴承滚动体接触变形进行了分析,推导出减速器啮合刚度和轴承刚度计算公式,分析了啮合刚度和轴承刚度随主要设计参数的变化规律。 分别建立了单行星轮和双行星轮结构正弦行星减速器的动力学模型,推导出单行星轮和双行星轮结构减速器的动力学方程,分析了减速器自由振动特性,研究了结构参数对减速器固有频率的影响规律。 推导了正弦曲线行星齿轮减速器在外加激振力作用下的强迫振动方程,对强迫振动下系统的时域响应进行了分析;推导了传动系统在啮合刚度激励下的参数振动方程,对参数激励下减速器的时域响应进行了分析;证明了正弦齿廓齿轮相对于渐开线齿廓齿轮在动态性能上的优越性。 完成了正弦曲线行星齿轮减速器的结构设计和三维建模,加工出减速器实体样机,建立了传动误差测试实验台并对减速器样机进行了传动误差测试实验,基于实验结果对样机进行了三次结构优化,有效降低了减速器的传动误差。

关键词： 齿轮箱   故障诊断   时频分析   机器学习  

摘要： 工业是国家综合国力的体现，也是新时代大国博弈争夺的主战场，加快推进新型工业化，实现工业数字化是大势所趋，也是发展的必然要求。在工业制造业领域中，旋转机械设备发挥着不可或缺的作用。而齿轮箱被广泛应用于各类机械设备中，一旦齿轮箱发生故障或失效，不仅会造成巨大的经济损失，还可能对人们的生命安全构成严重威胁，影响机械装备的平稳运行。因此，及时、准确的判断齿轮箱所处状态，找出故障至关重要。本文基于人工智能技术的发展，结合参数化时频分析方法与机器学习方法，提出一种基于多项式调频小波变换和支持向量机的齿轮箱故障诊断算法。　　首先，针对现代工业设备中齿轮箱所发出的非平稳信号存在时频表示不精确的问题，研究多种参数化时频分析方法，并通过对比提出利用多项式调频小波变换的变换核参数估计方法来提高对齿轮箱振动信号进行时频表示准确度。通过实验对比分析不同阶数下对齿轮箱振动信号的时频表示效果，选择恰当阶数的多项式调频小波变换来提高齿轮箱振动信号的时频表示聚集性，并通过迭代估计确定多项式调频小波变换的核函数。　　其次，深入讨论了多项式调频小波变换的变换核参数对齿轮箱振动信号时频表示的重要性，并提出了将多项式调频小波变换的变换核参数作为齿轮箱振动信号的特征向量组，用于分析齿轮箱振动信号。　　最后，本文利用MATLAB平台建立了一种基于多项式调频小波变换和支持向量机的齿轮箱故障诊断算法。首先提取齿轮箱振动信号的其他时域和频域特征组成特征向量组，并对特征向量组进行数据预处理，然后对比分析不同核函数下添加变换核参数前后的模型准确率，最后通过公开数据集进行算法的泛化性实验。实验证明该算法能够有效提高齿轮箱故障诊断的准确率，并具有较好的泛化性。

关键词： 增距式抽油机   非圆齿轮   换向机构   运动学分析   有限元分析  

摘要： 无游梁抽油机的换向机构作为抽油机关键部件之一,起着至关重要的作用。当前,用于增距式抽油机的换向方式主要有机械换向和电机换向,其中机械换向采用的是曲柄滑块机构和滑轮组,它采用独特的“增距传动”原理,可实现远超游梁式抽油机的长冲程运动,从而减少冲程损失、提升产量及泵效,但由于抽油杆的运动为近似简谐运动,换向机构不能产生急回,采油效率的提高受到限制。针对目前增距式抽油机机械换向机构的不足,并结合现场节能增效需求,提出了一种效率高、换向可靠的非圆齿轮曲柄滑块换向机构,以解决增距式抽油机换向机构无急回特性和无法较好适应周期性负载的问题,对提升增距式抽油机的工作效率和可靠性具有重要意义。 (1)本文基于非圆齿轮能实现变传动比的传动特点,通过圆柱齿轮和非圆齿轮组成的减速箱与曲柄滑块串联来实现增距式抽油机的机械换向,对非圆齿轮曲柄滑块换向机构中滑块的推、拉力计算及运动分析,确定了曲柄与从动非圆齿轮的最佳固连角度,使抽油杆在下冲程过程中产生快退运动,从而提高采油效率,而在上冲程过程中近似等速运动,增强了系统的稳定性。通过调整曲柄与从动非圆齿轮的相对固连位置,可以使曲柄轴转矩适应于悬点载荷的变化规律,从而减小电动机的功率和负荷波动,使抽油机系统更加节能。 (2)依据非圆齿轮啮合理论,完成了非圆齿轮节曲线和齿廓的设计计算,通过对双圆弧齿廓椭圆齿轮的参数计算,利用Solid Works软件完成了双圆弧齿廓椭圆齿轮的三维模型,通过正确装配得到换向机构的三维模型。为了分析椭圆偏心率对传动比的影响,分别将椭圆偏心率为0.2、0.3和0.4的齿轮副模型导入ADAMS软件进行运动学分析,通过计算对比仿真传动曲线和理论传动比曲线,分析了产生误差的原因,为双圆弧椭圆齿轮应用提供理论参考。当椭圆齿轮偏心率为0.3时,建立曲柄与从动非圆齿轮固连角度分别为0°、21.8°和50°时的换向机构的仿真模型,对其进行运动学仿真分析,得到换向机构中滑块的位移、速度和加速度曲线图,通过比较分析不同固连角度下的滑块运动规律,验证了理论设计的合理性。 (3)为了测试椭圆齿轮传动的承载能力,利用ANSYS软件对其进行了有限元静力学分析与瞬态动力学接触分析,得出了在工作载荷作用下,啮合力最大位置处附近的局部轮齿的弯曲应力分布,以及双圆弧椭圆齿轮传动时齿面接触应力的变化,分析了椭圆齿轮偏心率和齿宽对齿面接触应力的影响。为确保抽油机工作时的稳定可靠,对抽油机机架进行了强度分析。

关键词： 点线啮合齿轮   温度场   热力耦合   有限元模拟   综合评判  

摘要： 点线啮合齿轮传动过程中啮合齿面既有点接触又有线接触,因此承载能力大、传动效率高、使用寿命长,广泛应用于矿山、起重、冶金等重载行业。采煤机、提升机、刮板输送机等煤矿设备用减速器低速轴线速度一般在1～2m/s,传递功率多在100k W以上,煤机用点线啮合齿轮减速器在低速重载工况下齿面磨损加剧,啮合面摩擦热效应增大导致温度升高,润滑油黏度降低诱使润滑油膜破裂,齿面在过大挤压力作用下出现胶合失效。本文以低速重载点线啮合齿轮为研究对象,基于摩擦学理论和赫兹接触理论,研究点线啮合齿轮副热力耦合行为,包括齿轮本体温度场分布、齿轮热变形以及热力耦合接触分析等,为齿轮修形设计提供依据;根据齿面载荷分布、应力变形和耦合变形对点线啮合齿轮进行综合修形研究,确定齿廓、齿向修形方法,通过有限元模拟得到最佳修形量。主要的研究内容如下: (1)点线啮合齿轮齿面方程与三维模型构建:基于齿轮齿面展成加工原理,分析点线啮合齿轮齿面成形理论,建立齿条刀具法面齿廓方程;利用空间坐标变换和齿条—工件相对运动关系,推导齿条刀具端面齿廓方程,求得点线啮合齿轮主、从动轮齿面方程;将齿面方程导入Matlab软件进行编程并求解出齿面坐标点集,结合Solidworks对点线啮合齿轮进行三维精确建模,为后面齿轮热力耦合特性分析及轮齿修形奠定模型基础。 (2)点线啮合齿轮温度场及影响因素研究:基于切片法、赫兹接触理论与摩擦学原理,推导齿面温升与摩擦热流密度计算公式;利用有限元软件ANSYS(APDL),分析轮齿各表面生热情况及啮合面温度分布规律;研究点线啮合齿轮传动几何参数(变位系数、压力角)及工况参数(输入功率、主动轮转速)对齿面温度场的影响。研究表明:主动轮齿面最高温度出现在齿宽中部靠近齿顶部分,从动轮齿面最高温度出现在凹凸齿廓交界处附近;一定范围内,增大压力角、减小变位系数、增大转速、减小输入功率均有利于改善齿面温度场分布。 (3)点线啮合齿轮热力耦合分析研究:基于齿轮啮合理论,建立有限元四齿分析模型,用Workbench对点线啮合齿轮齿面接触应力分布和力变形进行模拟分析;采用间接耦合的方法将温度场模拟结果作为边界条件加载到静力学分析中,研究热力耦合应力分布结果及耦合变形分布结果,将力分析结果与热力耦合分析结果进行对比,探究热力效应对齿面载荷的影响。研究表明:点线啮合齿轮齿面载荷分布不均匀,齿顶处存在较大应力集中;相较于力特性分析,受温度场热载荷的影响,热力耦合场下的齿面应力集中更严重。 (4)齿面综合分区修形方法研究及评估:针对点线啮合齿轮齿面应力集中及载荷分布不均等问题,提出齿廓、齿向综合分区修形方案;基于力特性下的载荷集中进行修形,以最大接触应力和消除棱边效应为评判准则,模拟出齿廓修形、齿向修形最佳修形参数;针对热力耦合场应力集中现象,以耦合变形量作为起始修形量进行修形,模拟确定最佳修形参数,最后以载荷分布和齿面温度场对修形效果进行综合评判。研究表明:力特性下齿廓修形最佳修形量为55um,齿向修形最佳鼓形量为20um,应力集中和棱边效应基本完全消除;热力耦合特性下只存在齿顶应力集中,齿面无明显棱边效应,故只进行齿廓修形,最佳修形量为70um。

关键词： 航空发动机齿轮   时变可靠性分析   单循环高斯过程模型   改进相关性主动学习函数   灵敏度分析  

摘要： 航空发动机作为飞机的心脏,其可靠性直接影响飞机的性能与安全。然而,航空发动机的可靠性研究工作也存在耗时长、投入高、实现困难等特点。其中,航空发动机齿轮传动系统的性能直接影响航空发动机的正常运转,齿轮传动系统可靠性是航空发动机可靠性的关键因素。高可靠性的齿轮传动系统不仅有助于飞机稳定的飞行,还可以减少总体成本。因此,航空发动机齿轮传动系统可靠性研究的开展有利于促进我国航空工业的发展,缩小与国外的差距,打破技术垄断。航空发动机齿轮传动系统在多失效模式可靠性建模、不确定性量化、可靠性评估复杂性等方面存在诸多挑战。 本文主要对航空发动机附件传动系统中传动齿轮进行时变可靠性研究,通过构建时变极限状态函数完成齿轮三种主要失效模式的时变可靠性建模,再基于单循环高斯过程代理模型进行时变失效概率的计算,最后完成齿轮时变可靠性灵敏度分析。本文完成的主要工作如下: (1)针对航空发动机传动齿轮时变可靠性建模中传统方法难以描述时变应力和结构疲劳损伤累积作用的问题,在应力强度干涉模型及损伤累积模型的基础上,提出了一种考虑齿轮多失效模式时变极限状态函数构建方法,并基于构建的多失效模式串联模型,完成了考虑不确定性随机输入变量下航空发动机传动齿轮时变可靠性评估。 (2)针对航空发动机传动齿轮时变可靠性评估计算成本高昂、效率低的问题,提出了一种代理建模方法,并用于时变可靠性评估,该方法结合了单循环高斯过程和改进考虑相关性学习函数的优势,相对其他方法在精度和效率方面表现更为优异。 (3)针对输入变量联合概率密度信息不完全的航空发动机传动齿轮灵敏度分析问题,使用Copula函数描述该结构系统输入随机变量间相关性,完成灵敏度分析。同时考虑输入随机变量间相关性以及多失效模式间相关性,在基于Copula的矩独立灵敏度分析方法的基础上,改进得到一种不完全概率信息下基于Copula的矩独立灵敏度分析方法,并完成了航空发动机传动齿轮灵敏度分析。

关键词： 同轴面齿轮   分汇流   误差   刚度   静/动态均载   动力学验证  

摘要： 均载特性作为衡量具有分流特性与汇流特性的齿轮传动系统其稳定性与可靠性的重要指标,同时该类型传动系统的使用寿命与应用前景直接由其均载性能优劣决定。双发同轴面齿轮分汇流传动系统因其同时具有分流与汇流特性,使其逐渐成为同轴双旋翼高速直升机传动系统的重点研究对象,同时其均载特性更是研究的关键点。 本课题围绕双发同轴面齿轮分汇流传动系统的均载特性进行研究。在考虑安装位置角、多种误差(制造误差、安装误差)、多种刚度(扭转刚度、支承刚度)等多激励因素的基础上,针对系统的静力学均载特性建立其静力学模型,后续采用最小二乘法进行求解步骤,得到体现系统各级静态均载特性的静态均载系数。针对系统静态均载特性在不同因素影响下的变化规律进行重点分析研究。研究结果显示,安装位置角为180°时,系统左右输入端表现为完全均载状态,各级静态均载系数相等。制造误差及安装误差在Ⅲ级齿轮上的影响明显高于Ⅰ级与Ⅱ级齿轮。此外,在扭转刚度较小以及支承刚度较小的情况下,系统的静态均载特性能得到提升。 在考虑制造误差、安装误差、扭转刚度和支承刚度等因素的基础上,根据集中质量参数法建立其84自由度的弯曲-扭转耦合动力学模型。进一步推导了系统的动力学微分方程,并利用Runge-Kutta法进行求解,重点针对制造误差、安装误差、扭转刚度和支承刚度对系统动态均载特性影响规律进行分析。研究结果显示,Ⅲ级齿轮的误差是主要影响系统动态均载特性因素。系统动态均载特性会随着分扭轴与双联轴扭转刚度的增大而变差;而各齿轮的支承刚度增大则会先改善后边差系统的动态均载特性。因此,合理控制支承刚度在一个适当范围内对系统动态均载特性的提升有利。 最后利用ADAMS多体动力学仿真软件对系统进行多体动力学有限元仿真分析,其中包括当Ⅰ级及Ⅲ级齿轮制造误差为5μm时系统动态均载特性的变化规律的验证,制造误差、分扭轴与双联轴扭转刚度、Ⅰ级输入小锥角齿轮与Ⅱ级小圆柱齿轮支承刚度变化时系统动态均载特性变化规律的验证,通过将多体动力学有限元仿真得到的结果与理论计算的结果进行比较,得到两者的差值最大为0.380,满足工程误差允许的±5%,进而验证了系统的动态均载特性与动力学模型的正确性。 基于上述研究结论,揭示了系统静/动态均载特性的在相关因素影响下的变化规律,为该构型传动系统的进一步研究提供了理论依据,同时也为实际工程应用奠定了理论基础。

关键词： 纳米金刚石   齿轮油   分散性能   冷却性能   摩擦学性能  

摘要： 纳米金刚石(NDs)作为一种新型润滑油添加剂,具有提高摩擦性能、降低磨损以及延长机械设备使用寿命的潜力,引起了广泛的研究兴趣。然而,尽管NDs在润滑领域的优势已逐渐显现,其在齿轮油中的分散特性及润滑机理仍是一个有待深入研究的课题。明确NDs在齿轮油中的分散状态及其影响润滑性能机制,对于提升齿轮油的应用水平至关重要。本文选用市场上典型的两种航空合成齿轮油和一种矿物齿轮油,选用不同含量的NDs添加剂和不同种类的分散剂,基于现有对NDs添加剂的研究基础上,结合试验室性能检测及分子动力学模拟,探究NDs在齿轮油中的分散性能、对齿轮油的冷却性能和摩擦学性能的影响。分析NDs对齿轮油中的影响规律,揭示NDs增强齿轮油冷却和摩擦学性能本质机理。为更好的使用NDs添加剂齿轮油提供理论依据。本文的主要工作如下: 1.采用三种不同分散剂(油酸OA、聚乙二醇PEG200、硅烷偶联剂KH550)将不同含量(0.05 wt.%、0.10 wt.%、0.20 wt.%、0.30 wt.%、0.60 wt.%)的NDs分散在三种齿轮油中,探究其分散性能。结果表明:三种分散剂对NDs分散在试验齿轮油中的分散效果为:油酸(OA)最佳,聚乙二醇(PEG200)次之,硅烷偶联剂(KH550)分散效果最差。NDs在齿轮油中含量为0-0.30 wt.%范围内分散良好,0.60 wt.%时沉淀严重。 2.通过升温试验测试各试验组齿轮油在90℃恒温水浴中由25℃升温至65℃的升温速率。分析NDs含量、齿轮油类型、分散剂种类、NDs在齿轮油中的分散性能等因素对齿轮油升温速率的影响。并通过构建微观齿轮油分子模型进行分子动力学模拟与试验相结合,探究NDs增强齿轮油冷却性能机理。结果表明:NDs在增强齿轮油冷却性能方面有着较好的效果。在0.05-0.60 wt.%含量范围内,试验齿轮油的升温速率随着NDs含量的增加逐渐降低并趋于平稳。 3.通过摩擦系数、磨斑直径和表面形貌等表征方式分析不同试验组的齿轮油摩擦学性能。结果表明:NDs能够有效增强齿轮油的抗磨减摩性能,在NDs含量为0.10 wt.%时性能最佳,相较未添加NDs的齿轮油,平均摩擦系数降低47.26%-52.12%,磨斑直径降低23.53%-39.22%。NDs分散不均会降低齿轮油的抗磨减摩性能,并且随着NDs含量的增加而加剧波动。合成油在降低摩擦系数、提高润滑效率等方面均表现出明显的优势。