关键词： 齿轮箱   故障诊断   贝叶斯网络   动态贝叶斯网络   结构学习  

摘要： 随着工业技术的不断进步,我国制造业逐渐向智能化发展,对设备运行的安全性和稳定性要求越来越严苛。齿轮箱作为各类旋转机械的核心部件,其能否稳定运行对机械设备至关重要。然而,其内部复杂的结构以及各部件之间的交互作用导致故障信号存在不确定性、模态混叠和故障耦合的问题,使得故障分类与诊断变得十分困难。齿轮箱故障的发生将导致机械设备停机,造成巨大的经济损失,严重影响设备的运行效率。因此,对齿轮箱进行故障诊断方法的研究非常重要。本文以齿轮箱为研究对象,根据其故障特征分别建立贝叶斯网络(Bayesian Network,BN)和动态贝叶斯网络(Dynamic Bayesian Network,DBN)模型,对齿轮箱运行过程中出现的各类故障模式进行诊断。主要的研究内容如下: (1)针对齿轮箱设备结构复杂,运行状态数据由于采集成本和设备结构的限制,导致故障数据量稀少,在少量数据下难以获得网络最佳结构,导致故障诊断精度较低的问题。研究了一种改进BDe评分函数的集成学习贝叶斯网络故障诊断方法,通过在评分函数中引入先验知识,扩充少量数据下网络构建的信息量,采用集成学习的方法将多个不同贝叶斯网络结构集成,构建了一个具有更强故障识别能力的贝叶斯网络,提高了少量数据下贝叶斯网络的故障诊断精度。 (2)针对动态贝叶斯网络在多维数据下结构学习时,需要搜索的候选有向无环图空间大,传统方法难以搜索最优网络结构而导致故障诊断精度不足的问题。研究了一种将R藤Copula模型与动态贝叶斯网络相结合进行故障诊断的方法。采用结构预测模型对所提取特征进行筛选得到相关性较强的特征节点,降低网络空间的大小。采用R藤Copula模型的首层树结构结合传递熵构建动态贝叶斯网络的初始网络结构,通过将初始网络结构在时间序列进行展开得到完整的动态贝叶斯网络进行故障诊断。 (3)针对单一特征提取方法难以充分利用数据中故障信息的问题。提出了基于异构特征的DBN故障诊断方法,对故障数据集中的时域特征和小波包系数进行提取作为故障特征,将两种不同的特征采用典型相关性分析在特征池中对数据特征进行融合,之后采用极度随机树方法对融合特征进行重要性分析去除冗余特征,采用异构特征构建DBN模型进行故障诊断,通过实验对本文方法有效性进行验证。 综上所述,本文通过改进的贝叶斯网络模型对齿轮箱在故障诊断中存在的问题进行解决。首先,通过改进贝叶斯网络的评分函数并结合集成学习的方法,成功提高了在少量数据下的故障诊断精度。其次,结合了R藤Copula模型和动态贝叶斯网络,有效解决了多维数据下网络结构学习困难的难题。最后,采用基于异构特征的DBN故障诊断方法充分利用故障数据中的信息,并通过实验验证了方法的有效性。这些研究对提升制造业设备运行效率和降低齿轮箱故障带来的损失具有重要意义。

关键词： 滚动轴承   齿轮   故障诊断   变分模态提取   深度学习  

摘要： 旋转机械为国民经济与现代工业的发展发挥了巨大作用。滚动轴承和齿轮等作为旋转机械的关键零部件,在机械动力传递过程中起到了关键作用。由于高压、高转速以及长时间的运行等恶劣的工作环境,滚动轴承和齿轮很容易疲劳甚至失效,从而造成旋转机械故障和停机,更有甚者会导致严重的经济损失与人员伤亡。于是,对于旋转机械的故障进行及时有效地诊断具有非常重要的意义。科技在不断提高旋转机械性能的同时,也使得机器设备的振动信号更加复杂,而传统的时频分析等故障诊断方法无法有效地分析这些复杂耦合且非平稳的信号。除此之外,传统的故障诊断方法也非常依赖于专家的经验。因此,本文以旋转机械中的两类关键通用部件,滚动轴承和齿轮,为研究对象,从减少人工经验干预、降低模态混叠和最大限度地保留故障信息等角度进行旋转机械智能诊断方法的研究。主要研究内容如下: (1)针对轴承振动信号中的噪声干扰与变分模态提取算法依赖人工先验知识的问题,提出了一种混合蛙跳算法(SFLA)优化变分模态提取(VME)的故障诊断方法。为保证提取得到的故障特征信息尽可能完整,提出了基于相关系数、信息熵和包络谱峭度的复合指标,并将其最小值作为SFLA智能化寻找VME中近似中心频率与惩罚因子的最佳参数组合的目标函数。通过仿真信号与两组试验台信号数据验证了该方法抑制噪声与模态混叠的有效性。 (2)针对故障信号中复杂的多尺度信息与滚动轴承的智能诊断,将时频分析方法与深度学习相结合。利用混合蛙跳算法优化变分模态提取与连续小波变换的方法预处理轴承信号,构造轴承故障的时频图数据集;利用可变形大核注意力机制与Lion优化器改善YOLOv8深度学习网络架构,并通过数据集训练和验证改善后的网络。实验分析表明,信号预处理能够减少噪声的干扰,有效提高深度学习网络的特征提取能力,改进后的网络提高了多尺度信息的识别能力。 (3)针对齿轮箱中故障特征信息耦合的问题,提出改进麻雀搜索算法优化变分模态提取的故障诊断方法。利用Logistic混沌映射与柯西分布改进麻雀搜索算法,并将复合指标的最小值作为其目标函数,以保证齿轮故障特征信息的完整性,通过平方包络谱解调分析提取的故障模态分量,以达到抑制噪声和其他无关分量的作用。两种实验台的齿轮故障分析表明所提方法能够有效识别齿轮箱的复合故障与单一故障。

关键词： 增速齿轮箱   失效相关   齿轮传动   Copula函数   可靠性分析  

摘要： 高速试验是航空等领域高速超高速传动、润滑及密封系统设计开发的重要环节,试验器高输入转速的实现通常采用较成熟的电机配增速箱的方案。随着高速试验台工作转速不断提升,增速齿轮箱振动加剧,易引发多模式失效,影响整个系统的安全运行和稳定性,必须精确评估高速试验台增速齿轮箱的可靠性。为此,本文基于应力-强度干涉理论和失效相关理论,结合Copula函数,以高速试验台增速箱齿轮传动系统为研究对象,开展计及齿轮不同失效模式之间相关以及不同齿轮之间失效相关的可靠性分析,以期为高速试验台增速箱齿轮传动系统的高可靠性设计开发提供理论依据。论文主要从以下几个方面展开研究: (1)单级有限元静力学分析和稳态热分析。基于某高速试验台增速箱齿轮传动系统详细参数进行建模装配并简化,根据齿轮常见失效模式,在ANSYS Workbench中对输入级齿轮开展齿轮啮合接触有限元静力学分析和稳态热分析。考虑啮合位置变化对齿轮应力的影响,选择啮入到啮出三个不同啮合位置分别开展静力学分析计算各啮合位置的应力大小,确定应力最大值,为后续不确定性静强度可靠性分析提供最大应力数据。 (2)单级多失效模式相关静强度可靠性分析。考虑齿轮材料和载荷参数的离散性,基于有限元分析,结合蒙特卡罗法与响应面法,建立齿面接触疲劳、齿根弯曲疲劳和齿面胶合三种失效模式的可靠性参数模型,对输入级齿轮进行单失效模式下的不确定性静强度可靠性分析,并与国标算法进行对比验证;最后,采用Gumbel Copula函数对输入级齿轮传动进行考虑相关性的静态可靠性分析,明确失效相关对增速箱齿轮传动系统可靠性的影响。 (3)单失效模式各级齿轮动态可靠性分析。通过动力学仿真获取各级齿轮副动态啮合力,并计算对应应力-时间历程,采用雨流计数法对其进行统计分析,基于应力-强度干涉模型与非线性疲劳累积损伤理论,考虑载荷作用次数和齿轮材料强度退化对可靠性的影响,建立单失效模式下齿轮动态可靠性分析模型,并与不考虑强度退化时的动态可靠度进行对比,分析增速齿轮传动系统各齿轮单失效模式下的动态可靠度随时间变化规律,并探究载荷分配差异性对星轮可靠度的影响。 (4)计及相关性的系统动态可靠性分析。以各齿轮在不同失效模式下的可靠度为基础,构建Copula函数模型,选取适当的Copula函数来表示齿轮不同失效模式间的相关性,并以最小平方欧式距离为原则对Copula函数模型进行评价和最优性选择,从而基于最优Copula函数计算考虑失效模式相关的各齿轮动态可靠度。在此基础上,通过增速齿轮传动系统耦合关系及失效相关性分析,逐级计算分析了高速试验台增速箱齿轮传动系统既考虑各齿轮失效模式相关又考虑系统不同齿轮间失效相关的动态可靠度随时间变化规律。

关键词： 变位系数   变位斜齿轮传动系统   时变啮合刚度   动态特性   多目标优化  

摘要： 齿轮传动作为一种机械传动方式,在各种传动中被广泛应用。斜齿轮相对于直齿轮具有啮合性能好、重合度大和结构紧凑等优点,但由于其结构更加复杂,导致时变啮合刚度的计算难度也大幅提升。目前,国内外学者主要集中在利用解析法对直齿轮啮合刚度进行计算,针对斜齿轮的相关研究相对匮乏,这在一定程度上限制了斜齿轮在传动系统中的应用及其性能优化。变位设计作为一种有效的优化方法,能够显著提升齿轮的抗疲劳性能,进而延长齿轮的使用寿命,提升传动系统的整体性能。因此,深入研究变位斜齿轮的时变啮合刚度计算方法,并对其进行传动系统的动态特性分析与参数优化设计,不仅具有重大的理论意义,还具备极高的工程应用价值。这将有助于推动齿轮传动技术的进一步发展和完善,为机械传动领域的进步提供有力支撑。 本文以变位斜齿轮及其传动系统为研究对象,主要进行了如下研究: (1)提出了变位斜齿轮时变啮合刚度的计算方法。基于切片理论和积分思想,充分考虑了基圆与齿根圆之间的实际差异,研究了斜齿轮时变啮合线和啮合角的计算方法,得到了每个切片层的啮合刚度和单齿的时变啮合刚度;同时考虑了由于重合度引起的时变啮合刚度的变化,对齿轮啮合过程中啮合时序的变化规律进行了分析,得出了综合时变啮合刚度。 (2)建立了变位斜齿轮时变啮合刚度解析模型,并通过有限元方法验证了该模型的准确性。探究了在不同变位系数下,斜齿轮的各刚度分量以及单齿和综合时变啮合刚度的变化规律。结果表明,随着从动轮变位系数的增大,正变位齿轮、等变位传动齿轮和正传动齿轮时变啮合刚度减小。所得结论为后续变位斜齿轮传动系统的动态特性分析提供了理论依据。 (3)建立了变位斜齿轮传动系统动力学模型,并通过实验验证了该模型的准确性。研究了不同变位情况和工况对变位斜齿轮传动系统的动态啮合力、动态传递误差和轴向振动加速度的影响。结果表明,正传动齿轮的动态传递误差增大,动态啮合力和轴向振动加速度减小;负传动齿轮的动态传递误差减小,动态啮合力和轴向振动加速度增大。所得结论为后续变位斜齿轮传动系统的参数优化设计提供了理论支撑。 (4)建立了变位斜齿轮传动系统低动力、低误差多目标优化模型,并采用NSGA-II算法进行了优化。以主动轮和从动轮的变位系数为设计变量,最小化动态啮合力和动态传递误差为目标函数进行寻优求解,得到了在不同工况下优化后的变位系数,并对相应的轴向振动加速度进行了分析。与优化前的结果进行了对比,结果表明,优化后系统的各项动力学性能指标均得到了改善。此设计为变位斜齿轮传动系统的优化提供了一种有效方法。

关键词： 面齿轮   齿面误差   齿距误差   软件开发  

摘要： 面齿轮副是一种特殊的齿轮传动方式,具有传动效率高、传动平稳和传动比大等优点,在工业生产中有着广泛的应用前景。近年来,面齿轮的设计理论已经逐渐完善,但对其误差检测仍没有统一的标准。为了保障面齿轮的使用性能,确保面齿轮传动系统的良好运行和长期稳定性,本文根据企业的实际工程项目,开发面齿轮测量软件,加强面齿轮检测技术研究与实践,完成面齿轮齿面及齿距误差的测量。 主要研究内容如下: 1.分析面齿轮齿面误差和齿距误差的测量原理与测量方法,确定齿面测量方式,并对齿面测量区域进行划分。设计面齿轮在齿轮测量中心回转工作台上的定位方案、轴交错点位置设置方案、R轴和T轴零点校正方案,建立测头半径补偿模型、坐标系的转换与统一模型以及误差评定模型,并设计面齿轮齿面误差和齿距误差两个测量项目的测量路径。 2.结合Microsoft Visual C++工具开发面齿轮齿面误差和齿距误差测量软件。根据面齿轮测量软件实际工程需求,设计软件的测量主流程架构,并对测量软件功能模块进行划分。基于GMC260齿轮测量中心开发面齿轮人机交互界面模块、测量控制模块、数据处理模块、绘图模块和数据管理模块,完成各项误差曲线绘制和齿面偏差图的程序开发。在齿轮测量中心上对面齿轮齿面误差和齿距误差两个测量项目进行实际测量,并输出各测量项目的误差报告。 3.设计相关实验,生成各误差项目的测量报告,通过多次重复测量实验和二次装夹后的实验数据分析,对面齿轮测量软件和测量方法的可行性和正确性进行验证。实验结果表明本课题开发的面齿轮测量软件可以对面齿轮齿面误差和齿距误差进行精确测量,对于提升面齿轮设计制造精度和工作性能具有重要意义。

关键词： 凸轮泵   流量脉动   非圆齿轮   承载能力   流场特性  

摘要： 凸轮泵是一种高效低噪、结构成熟度高的非接触式容积泵,被广泛应用于石油、食品、交通等领域。但凸轮泵在运行过程中不可避免地出现流量脉动问题,进而影响输送系统的稳定性,对人员健康构成潜在危害。本文提出一种基于非圆齿轮驱动的凸轮泵流量脉动平抑方法,在抑制任意类型凸轮泵流量脉动的难题上具有广阔的应用前景。 根据凸轮泵的工作原理与流量特性,逆向推导了平抑用非圆齿轮的理想传动比,提出了基于傅里叶级数的节曲线设计方法,讨论了非圆齿轮关键设计参数对平抑后瞬时流量的影响,结果表明:基于非圆齿轮的凸轮泵脉动平抑方法可以大幅消除流量脉动,当傅里叶级数项数不小于2时,流量不均匀系数降低至0.01以下。 构建了脉动平抑用非圆齿轮的齿廓模型,依据非圆齿轮的承载特性建立了中心距、模数、齿数的计算方法,制定了脉动平抑用非圆齿轮的设计流程,构建了某型号凸轮泵脉动平抑用非圆齿轮的三维模型。 采用计算流体力学仿真软件,构建了非圆齿轮驱动凸轮泵的流体仿真模型,探究了非圆齿轮变速驱动凸轮泵的流场特性,定量分析了关键参数对泵性能指标的影响规律,明晰了非圆齿轮驱动凸轮泵在不同工况条件下的工作特性,结果表明:非圆齿轮能大幅抑制泵的流量脉动与压力脉动,随着输入转速、项数、介质黏度的增大以及进、出口压差和转子-转子间隙的减小,脉动平抑效果显著提高。 搭建了基于非圆齿轮驱动的凸轮泵流量特性测试的试验平台,记录了凸轮泵出口的瞬时流量数据。试验数据和理论模型、数值模拟的流量特性变化趋势基本吻合,验证了非圆齿轮驱动凸轮泵方案降低出口流量脉动的可行性。

关键词： 高速列车   齿轮箱轴承   轴承载荷   应力谱   寿命预测  

摘要： 作为高速列车关键零部件齿轮箱的重要组成部分,齿轮箱轴承在高速列车正常运行时,会受到来自电机的扭矩、齿轮啮合力同时还有来自线路的复杂随机振动激励共同作用,其性能好坏往往能够直接影响传动系统的稳定性以及列车运行的平稳性。由于我国高速铁路的运营系统具有单程里程长,环境恶劣、线路复杂等特点,这对齿轮箱系统部件的可靠性评估提出了更高的要求。因此,研究实际运行工况齿轮箱内部主要支撑轴承的动载荷分布特性以及开展相关的台架试验,对监测齿轮箱运行状态、提高高速列车运营安全性等具有重要意义。 因此,本文借助中车戚墅堰工艺研究所齿轮箱传动系统试验台架,以我国某型动车组的SE-380型齿轮箱内型号为NU214ECP圆柱滚子轴承为研究对象,设计并开展不同齿轮啮合激励下及不同电机转速下齿轮箱轴承载荷应变的测试试验,在试验中设置了“仅内部激励”和“内外激励共同作用”两种激励条件,台架试验的外部激励是通过两个作动器对输出轴两端的支撑轴承座施加垂向的基础振动实现的,而不同车速下的作动器激励信号是通过高速列车线路实测轴箱垂向振动加速度所构造的,采集高速列车在从武汉到广州全程的速度信号与时域振动加速度,根据车速曲线截取振动信号并计算功率谱密度,在各个车速下加减速过程的功率谱密度进行线性平均后得到加速度信号的平均功率谱密度,对平均功率谱密度添加随机相位后进行傅里叶逆变换得到各转速下的激励信号。由此研究并描述了不同工况下的轴承内部滚子滚道的载荷分布情况。 针对滚动接触条件下复杂应力状态,建立了简化的轴承力学传递模型,发展了一套改进的载荷路径法即滚子外滚道应变—应力—载荷—次表面剪应力的传递路径,提出了新的应力表征参量轴承外滚道下的次表面剪应力来更加准确描述疲劳破坏规律,编制了齿轮箱轴承次表面应力谱结合轴承钢的扭转S-N曲线去预测与评估齿轮箱轴承在试验工况下的理论寿命和损伤值,同时,以试验工况下的预测寿命及自变量扭矩与转速的数据,对其进行多项式拟合,根据实际线路武广线运行条件下的牵引曲线以及速度时间曲线以积分形式获得了实际线路下的预测寿命。 图72幅,表6个,参考文献78篇