关键词： 风电齿轮箱   内齿圈齿根应变   故障信息增强   残差网络   故障诊断  

摘要： 随着风电行业的迅猛发展,对于风电机组可靠性的要求也越来越高。在实际工作中,风电机组受环境恶劣的影响,导致零部件极易受损。齿轮箱作为风电机组的核心组成部分之一,一旦发生故障导致风电机组长时间的停机维修,会造成严重的经济损失。因此加强对风电齿轮箱故障诊断技术的研究,对于风机设备的安全稳定运行具有重要的理论意义和应用价值。本文基于内齿圈齿根应变信号对风电齿轮箱行星轮系轮齿故障诊断方法进行研究,主要研究工作如下: 对风电齿轮箱轮齿故障对内齿圈齿根应变的影响机理进行研究。从风电齿轮箱的基本结构及工作原理入手,分析齿轮箱轮齿故障类型及产生原因,并利用有限元分析法构建行星齿轮箱模型,仿真并计算不同类型轮齿故障与正常情况的应变特征,通过对比分析发现从内齿圈齿根应变中可以识别不同类型轮齿故障的变化特征,进一步说明应变信号作为载体信号的优势。 对基于应变分离的风电齿轮箱轮齿故障信息增强方法进行研究。在时域同步平均技术(TSA)的基础上,提出基于应变分离的内齿圈齿根应变轮齿故障信息增强方法。对原始信号进行重采样以保证啮合周期内采样点数相同,对重采样后的信号加窗截取,并根据齿序特征对截取数据段映射并重新排列构成完整有序的周期信号,再对重构信号进行时域移动同步平均(TSMA),进一步消除噪声和非同步分量的干扰,同时保证信号的周期性。最后通过构建仿真应变信号的方式对所提方法进行验证,验证结果表明,应变分离方法可以有效增强轮齿故障信息,并为图像分类工作提供更好的数据。 对基于应变图像的风电齿轮箱轮齿故障分类方法进行研究。首先将经过应变分离后的应变信号进行周期性切分并转二维图像形成图像数据集。通过在残差模块中加入CBAM注意力机制模块改进Res Net-50网络模型。利用准备好的数据集对改进后的Res Net-50网络模型和原始网络模型进行训练并测试,为了更清晰的展现分类结果,使用T-SNE降维可视化方法观察聚类效果。采用应变分离后的仿真信号进行图像分类方法验证,最终结果表明所提改进网络方法可以提高网络分类的准确率。 对基于内齿圈齿根应变的风电齿轮箱故障诊断应用进行研究。构建包含断齿、齿面剥落、崩角三类故障齿的风电齿轮箱故障诊断模拟实验台,利用光纤光栅传感器实际测得行星齿轮箱内齿圈齿根应变信号,将测得的应变信号进行应变分离 以增强轮齿故障信息,再将分离后的信号按固定周期分割并转为二维图像,利用同一数据集对基于CBAM注意力机制模块改进的Res Net-50网络和原始网络模型进行训练并测试,同时利用训练好的网络中最后一层数据进行T-SNE特征降维并观察聚类效果。结果表明了本文所提基于内齿圈齿根应变的风电齿轮箱故障诊断方法的有效性。

关键词： 高速列车齿轮箱   传动系统   台架试验   模态参数识别   斜齿轮   滚动轴承  

摘要： 高速列车传动系统由输入轴、输出轴、齿轮副、齿轮箱箱体、轴承座、滚动轴承等部件构成,负责提供牵引力矩驱动列车前进。在高速列车轻量化的需求下,齿轮箱箱体材料通常为铸造铝合金,而输入轴、输出轴、齿轮副、轴承座、滚动轴承的材料通常为钢,这意味着齿轮箱箱体与其余部件之间将形成一种“软包硬”的结构形式。高速列车传动系统在传递扭矩的过程中,齿轮啮合将在传动系统中产生内部激励;同时,车轮与轨道在滚动接触过程中也会由于轨道不平顺、车轮多边形等因素为传动系统提供外部激励。在特定条件下,较“软”的齿轮箱箱体可能会发生模态共振;同时传动系统中滚动轴承的滚子、滚道、保持架可能发生点蚀、剥离、断裂等失效行为。研究传动系统在内外激励作用下的动态行为对预防齿轮箱箱体、滚动轴承等部件失效,保障列车平稳安全运行具有重要意义。本文针对高速列车传动系统在内外激励作用下的动态行为开展了以下研究: (1)基于高速列车传动系统试验台开展了同时考虑内外激励的齿轮箱台架试验。将线路实测的高速列车轴箱振动加速度作为激振信号模拟传动系统的外部激励。在台架试验中设置了一系列转速工况与扭矩工况,研究了不同运行工况、不同激励条件对齿轮箱振动行为与滚动轴承载荷动态行为的影响。 (2)基于高速列车传动系统试验台开展了齿轮箱的工作模态参数识别。针对内部激励与外部激励采用了不同的模态识别方法。通过测试齿轮箱多个部位的振动加速度响应获得了齿轮箱在不同扭矩工况下的模态参数。研究了齿轮箱在不同扭矩工况下的工作模态特征。 (3)针对高速列车传动系统中的斜齿轮发展了一种能够同时考虑法向行为与切向行为的斜齿轮啮合接触分析模型。通过斜齿轮啮合接触分析模型求解复杂工况下的斜齿轮啮合法向激励与切向激励。研究了扭矩工况与轮齿的圆弧修形对斜齿轮啮合法向与切向激励的影响。 (4)针对高速列车传动系统建立了一种刚柔耦合动力学数值模型。将斜齿轮啮合接触分析模型计算的法向与切向激励整合到动力学数值模型中。将齿轮副考虑为刚体。将输入轴、输出轴、齿轮箱考虑为柔性体。考虑了滚动轴承内部滚子与滚道的接触行为、C形支架堆叠橡胶的弹性支承。基于齿轮箱的工作模态参数对传动系统模型进行了修正。 (5)基于建立的传动系统刚柔耦合动力学数值模型,对斜齿轮轮齿的圆弧修形量、齿轮箱轴承的径向游隙对传动系统动态行为的影响进行了研究。同时在高速列车的牵引曲线上设置一系列牵引工况。假设列车在各牵引工况下稳定运行,研究了牵引工况对传动系统的动态行为及非线性稳定性的影响。

关键词： 有限元分析   栅格法   齿轮修形   齿面接触分析   变桨轴承齿轮  

摘要： 随着科技的发展和人民生活水平的提高,人们越来越重视环境和生态的保护,而当下占比最大的石油和煤炭能源则会造成环境污染和温室效应。在碳中和的背景下,寻找替代煤炭和石油的清洁能源显得越发急切,人们开始利用风电机组将风能转化为电能。风电机组通过变桨轴系中变桨齿轮的啮合传动来改变叶片的迎风角,从而使风能的利用率达到最高,而这一过程是由变桨驱动齿轮和变轴承内齿圈啮合完成的。作为变桨轴系的重要零件,变桨齿轮经常未达到额定寿命就已损坏。为了提高变桨齿轮的使用寿命,本文基于变桨轴系有限元模型,建立了一整套齿轮修形方案。通过对不同修形量的齿轮仿真运算,根据其齿面应力结果筛选出符合设计要求的齿轮修形参数。该研究方法可提高变桨轴承齿轮修形的效率和准确性。主要研究内容如下: (1)对风电行业发展趋势进行了阐述,概述了齿轮修形研究现状和齿轮有限元建模的关键点。对有限元建模以及齿轮修形中涉及到的接触分析和算法进行了详细的介绍;分析了齿轮齿向载荷的分布以及齿向修形的三种方式:两端修坡、齿向修鼓以及螺旋线倾斜修形。 (2)提出了一种风电变桨轴承齿轮修形的精确建模方法。根据齿廓方程建立离散齿廓点,然后划分网格,并使用栅格法加密齿轮接触区;根据渐开线法线性质几何推导出加密区域节点的偏移方向,沿偏移方向偏移节点,得到修形后风电变桨轴承齿轮模型。该方法所建立的变桨轴承齿轮模型比三维软件直接生成的齿轮模型具有更高的精度。 (3)进行了风电变桨轴承齿轮的有限元分析计算。建立了10-50μm多个不同修形量的驱动小齿轮修形模型,并分别将其装配到变桨轴系中进行有限元仿真分析。对比计算结果确定了最佳修形量。随着齿轮修形量的逐渐增大,齿面接触应力会出现先增大再减小最后又增大现象。修形量为40μm时修形齿轮齿面接触应力最小。 (4)分析了支撑轴系变形与齿轮修形量的关系,推导得出了考虑支撑轴系变形条件下的齿轮修形量的关系表达式。计算得到的修形量与有限元仿真分析所得到的齿轮修形量结果基本相同,仅相差1.2μm。

关键词： 高速人字齿轮   动态激励   振动特性   稳健优化  

摘要： 高速人字齿轮传动系统广泛应用于能源、石化及航空航天等领域。齿轮传动系统高速运转时,在系统内外激励作用下极易产生振动,从而影响传动系统的精度和稳定性。开展高速人字齿轮传动系统的动力学性能优化研究,对降低系统的振动和噪声,提高运行可靠性至关重要。本文以高速人字齿轮传动系统为对象,研究了齿轮内外动态激励计算方法,建立了柔性多体系统动力学仿真模型,提出了齿轮传动系统稳健优化设计方法。本文主要研究内容如下: (1)研究了高速人字齿轮传动系统动态激励计算方法,基于能量法建立了齿轮时变啮合刚度计算模型,并通过有限元法进行了对比验证。此外,对齿轮传动误差、齿侧间隙等齿轮激励进行了分析求解,并采用轴承专用分析软件计算了滑动轴承支撑刚度和阻尼。 (2)基于柔性多体动力学理论,建立了高速人字齿轮箱动力学仿真模型,进行了箱体模态和齿轮转子系统临界转速分析。提出了共振点甄别的频率原则、阻尼原则和能量原则,能够更为有效的筛选工作转速范围内的有害共振点。在此基础上,分析了不同转速下系统的振动位移和加速度的变化规律,为进行高速齿轮传动系统动力学优化设计奠定了基础。 (3)构建了高速人字齿轮传动系统动力学性能6σ稳健优化设计模型,通过敏感度分析得到不同箱体尺寸设计变量对振动响应的影响程度,在此基础上采用Kriging插值法进行了响应面分析。结果表明,优化后齿轮箱表面振动加速度大幅降低,同时箱体质量也有所减少。最后,通过对比优化前后设计变量的概率密度分布变化及可靠度,验证了稳健性优化设计方法的有效性。 (4)试制了优化后的高速人字齿轮箱样机,搭建了样机综合性能实验台,在不同工况下对系统振动特性、噪声、温升及功耗等各项性能进行了实验测试。

关键词： 齿轮箱   深度迁移学习   对抗训练   开放集   故障诊断  

摘要： 齿轮箱作为核心的传动部件,对于推进技术进步有着举足轻重的影响。齿轮箱经常在高温、高速等苛刻条件下运行,因此特别容易发生故障。当故障发生时,往往难以迅速发现,有时候这些问题甚至能导致整个系统的停摆,造成严重的财产损失和人员伤害。因此,确保齿轮箱的安全运作显得尤为关键。恶劣的工作环境还意味着难以直接从齿轮箱上收集振动数据,这进一步加大了开发有效故障诊断模型的难度。 近年来,深度神经网络因其端到端建模、自适应特征提取等优势,在故障诊断方面取得了显著成效。深度学习技术通常要求所有数据在相似的环境条件下,拥有一致的分布和特征空间。但实际上,在工程应用场景中,设备与机械往往在多变的工作条件下操作,受到众多不确定性因素的干扰,如载荷的波动和新型故障的出现等。这些因素会导致收集到的数据在不同的工作条件下具有不同的分布,即数据分布偏移。深度学习模型在训练过程中通常假设训练和测试数据具有相同的独立分布。当出现分布偏移时,这一假设的不成立可能会显著影响模型的泛化和诊断性能。 针对实际工作条件变化频繁和新故障出现的问题,本文以齿轮箱作为研究对象,研究基于对抗性学习的深度迁移学习方法,采用领域自适应策略达到不同域数据的适配,减小数据分布差异,并检测出源域中未出现的故障类型,在此基础上构建故障诊断模型,从而提高故障诊断的效果。本文的主要工作如下: (1)针对诊断模型在无监督迁移情境中难以掌握数据的先验分布,从而无法有效缩小不同领域间分布差异的问题,提供了一种基于Wasserstein距离的深度迁移学习故障诊断方法,采用改进的特征提取模块用于特征提取,添加对抗性训练策略来最小化源和目标特征分布之间Wasserstein距离,采用域对抗性损失引导分布差异逐步减小,增加分类损失项来保证分类效果。通过齿轮箱数据集进行实验,证明了所提方法的有效性。最后通过对比其他方法的结果,证明所提方法在故障分类上的优越性。 (2)针对在不同工作条件下源域与目标域的标签空间差异引起的模型无法辨识新类别而产生的问题,研究基于迁移学习的齿轮箱开放集故障诊断方法。首先,基于改进的残差网络构建特征提取模型提取源域和目标域的特征,训练分类器来识别源域和目标域的已知故障类型,添加阈值将目标域中新出现的故障分为新类。利用齿轮箱数据集进行了实验,证明了新类识别的有效性。最后,通过PHM2009数据集的多次迁移实验进一步说明在齿轮箱的故障诊断中模型的有效性。 (3)针对实际工作中齿轮箱中往往会出现多种新故障模式,使得传统的注重边缘分布对齐的方法效果不佳的问题,在基于迁移学习的开放集故障诊断实验的基础上,添加加权学习策略来代替固定阈值,增加卷积自编码器和K-means聚类方法,解决了传统诊断方法难以识别在目标样本中未标记新故障类别问题,并识别出新的故障类别的数量。齿轮箱数据集的实验结果表明,采用的故障诊断方法提高了设备的故障诊断率。

关键词： 齿轮滚轧   变齿厚轧轮   有限元分析   工艺优化   实验验证  

摘要： 齿轮是机械传动重要元件,常见加工方法主要有切削加工和塑性成形。滚轧成形工艺作为齿轮塑性成形的一种重要成形方式,具有材料利用率高、生产效率高、力学性能好等特点。轧轮是齿轮滚轧成形设备的核心部件,其质量和精度对最终成形齿轮品质具有决定性影响。传统的轴向滚轧轧轮齿顶难以压入工件、轮齿受力恶劣、使用寿命低,鉴于此,本文提出了一种直齿圆柱齿轮轴向滚轧变齿厚轧轮几何设计方法。根据齿轮滚轧成形基本原理,对变齿厚轧轮几何结构设计进行了深入的分析研究,结合有限元分析与滚轧实验,研究变齿厚轧轮的最佳变位系数范围与工艺参数。本文研究内容如下: (1)变齿厚轧轮几何设计理论模型构建:通过改变标准齿条刀具与工件中心距,得到变变位系数工件的齿廓方程,将同一截面不同时刻的工件齿廓沿轴向方向等间距排列和三维重构,得到齿轮轴向滚轧过程工件的三维齿廓;根据齿轮轴向滚轧成形中心距恒定以及重构的工件齿廓方程,推导出变齿厚轧轮切入段、精整段与退出段的齿廓方程;通过Matlab软件绘制变齿厚轧轮齿廓离散点,利用齿廓离散点坐标值对模型进行三维构建。 (2)变齿厚轧轮变位系数优化分析研究:推导齿轮滚轧工件坯料尺寸与变位系数范围计算公式,结合具体实例和变齿厚轧轮设计理论,建立圆柱齿轮轴向滚轧变齿厚轧轮有限元模型;借助Deform分析工件坯料在滚轧成形过程的金属流动变化和应力应变分布规律,以及变齿厚轧轮变位系数范围对成形载荷、材料流速与齿廓误差的影响规律,从而确定变齿厚轧轮变位系数范围。结果表明:切入段变位系数为-2～0、精整段变位系数为0、退出段变位系数为0～-0.5的变齿厚轧轮优于其余两种变齿厚轧轮。 (3)变齿厚轧轮轴向滚轧工艺参数优化研究:以上述研究确定的变齿厚轧轮滚轧模型为基础,通过正交试验法分析摩擦因子、轧轮转速和进给速度等工艺参数对成形载荷、有效齿高和齿廓误差的影响规律。结果表明:主要因素为轧轮转速,摩擦因子与进给速度为次要因素,较优的工艺参数组合为:轧轮转速4.94rad/s、进给速度0.5mm/s、摩擦因子0.15。 (4)直齿圆柱齿轮变齿厚轧轮滚轧成形实验研究:结合理论计算与有限元模拟,对轴、底板等关键零件进行结构设计与强度校核,对电机、减速器等部件进行选型,研制完成圆柱齿轮轴向滚轧成形实验装置;通过自研实验装置对最优变齿厚轧轮与工艺参数进行验证分析。结果表明:滚轧成形得到的齿轮分齿均匀、齿廓良好、尺寸符合要求,与有限元模拟结果基本一致。

关键词： CATIA   参数化   斜齿轮   行星齿轮  

摘要： 在CATIA环境中利用渐开线公式建立圆柱斜齿轮模型，实现了内外斜齿轮的参数化建模，由于齿轮模型在三维数模软件中没有合适的接触类型来约束，导致齿轮无法正确地装配，特别是行星齿轮组，涉及多对内外齿轮同时啮合；研究了齿轮啮合的原理以及行星齿轮传动过程中行星轮的运动过程，最终装配成行星齿轮组，为后续模拟仿真等研究打下了坚实的基础。

关键词： 激光熔覆   响应面   熔覆层表面质量   实体成形   齿轮修复  

摘要： 作为一种新型增材制造方法,激光熔覆再制造成形技术在修复受损部件方面具有广阔的发展前景。当前激光熔覆增材制造的研究多用于基体表面性能强化涂覆,对于其在多层实体成形方面的探索仍显不足。在机械领域,产品常因其复杂的表面和形态特点,使得传统激光熔覆修复方法在实际操作中面临挑战。尤其是零件表面对激光束的干涉效应,可能会阻碍修复过程的顺利进行。因此,本文主要通过激光熔覆技术来实现基体表面成形控制,并以齿轮断齿的修复为例,设计了有效的修复工艺流程。具体研究内容概述如下: 基于BBD试验设计开展了单道激光熔覆试验,研究在不同工艺参数下熔覆层性能的影响状况。通过应用响应面法,成功地构建激光工艺参数与熔覆层质量之间的预测模型。再利用试验进行对比,验证了模型在宽高比、稀释率和显微硬度等方面的准确性,模型误差分别控制在3%、2.2%和3.1%的范围内,表明预测模型具有较高的预测精度。进一步通过响应曲面分析发现扫描速度对熔覆层的熔宽和熔深具有显著影响,而送粉速率则对熔覆层的宽高比、显微硬度和稀释率产生较大影响。基于上述预测模型,确定了最优的激光熔覆工艺:送粉速率为2.7r/min,激光功率为1844 W,扫描速度设定为311mm/min。 在进行轮齿再制造的研究中,开展了多道多层熔覆的深入探讨。基于单道试验的熔覆层形貌数据,构建了一个用于表征熔覆层形貌的模型,推导出了理论上的最佳搭接率和提升量。根据这些最佳数值,选定了适当的单因素试验水平,以深入验证搭接率和提升量的影响。在试验中,对每组试验的截面形貌进行了详细观察,并计算了实际的熔覆道之间搭接率和提升高度,以便与理论值进行比较。通过综合比较和分析,最终确定了最优的激光熔覆搭接率和提升量。接着进一步优化再制造形貌,需要进行扫描路径的试验,选取双向直线逐行扫描和回形扫描两种扫描路径,并在每种路径下进行了四层熔覆处理。对比选择出最佳的熔覆路径。 本文介绍了一种利用激光工艺参数控制实现齿轮断齿修复的方法。在熔覆过程中,通过激光工艺参数来控制熔覆层成形高度,再根据高度对实体进行分层切片处理,使得成形件更加准确可靠。在齿轮修复过程中,采用了不同的搭接率策略来实现修复目标,优化熔覆效果并提升修复质量。最终经过试验验证,表明修复后的齿廓与原始轮齿的齿廓高度吻合,保持了良好的完整性,且未出现变形或齿面塌陷等不良现象,验证了该修复工艺的有效性和可靠性。