关键词： 城轨车辆   斜齿轮传动系统   故障机理   多源激励   可解释智能诊断  

摘要： 斜齿轮传动系统作为城轨车辆的关键部件之一,其健康运行对保障车辆可靠性以及安全性至关重要。而斜齿轮传动系统一旦发生故障,轻则影响车辆服役性能,严重时将导致灾难性事故。振动信号作为斜齿轮传动系统的有效表征之一,被广泛应用于斜齿轮传动系统状态监测与故障识别;但目前,城轨车辆斜齿轮故障振动表征主要集中于部件级研究,在运行环境与车辆系统的相互作用下,其振动表征呈现多源耦合、瞬态冲击、强噪干扰等特点,使之前部件级所取得的基础共性研究结果难以描述含服役特性的问题。因此,研究斜齿轮故障系统级动力学特性及故障机理,探索响应信号与故障特征的演变规律,并构建适用于城轨车辆斜齿轮传动系统的故障识别方法十分必要。本文针对城轨车辆斜齿轮传动系统故障在多源强噪环境下机理与表征不明、故障振动表征在智能诊断应用中受限等问题,从系统级故障机理与表征分析、故障振动表征应用两个层面开展研究。 在系统级故障机理与表征分析层面,本文建立了变速工况下城轨车辆-斜齿轮-轨道空间耦合动力学模型,揭示了系统级下斜齿轮含有裂纹与剥落故障时的动态特性与振动表征规律。具体内容包括:(1)针对斜齿轮部件级研究结果难以描述系统级、强耦合相互作用下的动力学现象问题,利用势能法与微元法计算斜齿轮时变啮合刚度作为激励,将其嵌入到所建立的变速工况下城轨车辆-斜齿轮-轨道空间耦合动力学模型中以获取更高准确度的动力学模型。最后,通过线路实测验证了模型的可靠性与可用性,为斜齿轮系统级故障机理与表征分析提供了基础;(2)针对系统级斜齿轮故障机理与表征等问题,利用势能法与微元法计算了斜齿轮在裂纹以及剥落故障下的时变啮合刚度,并将其嵌入至耦合动力学模型进行计算与分析,揭示了斜齿轮裂纹与剥落故障在系统级作用下的动力学响应特性以及振动表征随故障参数变化的关联机制;(3)针对多源激励对斜齿轮故障影响问题,考虑了以车轮多边形故障形成的谐波型周期激励、扁疤故障形成的冲击型周期激励以及实测车轮非周期性磨耗的随机型激励对城轨车辆斜齿轮传动系统故障影响,得到了在多种车轮激励影响下斜齿轮故障表征随车轮激励参数变化的演变规律。 在故障振动表征应用层面,本文针对斜齿轮故障振动统计表征与时频表征开展了在智能诊断中的应用研究,应用过程综合考虑了上述系统级故障机理与振动表征特点。具体内容包括:(1)针对多源强噪对城轨车辆斜齿轮传动系统影响问题,利用小波阈值去噪与奇异值分解方法(Singular Value Decomposition,SVD)分别对信号空间与特征空间进行多尺度空间降噪,降低强噪声对故障信号干扰的同时,也降低了通过特征提取进入特征空间的噪声点与离群点干扰,增大了故障类别之间度量的相异性,更加易于分类;(2)针对故障样本全局冗余,局部稀疏的小样本特性,本文利用故障机理驱动与递归特征消除方法对降噪后的特征完成维归约,得到故障表征的最佳特征子空间,在最佳监测方向选择上进行了应用,并在试验台上得到了验证;(3)针对以故障时频表征作为卷积神经网络的输入在智能诊断应用中可解释性较差等问题,本文构造了小波感知去噪时频网络。网络逐层可解释,增强了网络模型的可解释性,提升了诊断结果的可信度;同时在网络内部实现了多尺度空间去噪,提升了网络泛化能力。通过仿真信号与试验台数据验证了算法的优越性,并在实测线路的斜齿轮故障诊断中得到了较好的诊断效果。进一步,将实测数据结合故障机理分析了领域特性产生的影响,解释了不同测点、不同运行环境下的诊断准确率差异,使网络具备了适用可解释性。 总体上,本文通过理论与实验相结合的方式,研究了城轨车辆斜齿轮传动系统故障机理及其振动表征,揭示了系统级故障机理、振动表征特点与演变规律;根据城轨车辆实际运营环境,构建了适用于城轨车辆斜齿轮传动系统故障智能诊断方法并进行了应用,获得了较好的诊断效果。相关研究成果为城轨车辆斜齿轮传动系统智能诊断与智能运维等方面的工作提供了理论支撑。 图145幅,表10个,参考文献155篇(上述统计结果包含附录)

关键词： 淬火残余应力   时变啮合刚度   动态啮合力   疲劳寿命   裂纹扩展  

摘要： 淬火热处理工艺是提升高速重载齿轮承载能力的重要手段,会产生较高的淬火残余应力,这些残余应力会在齿轮副的啮合过程中长期存在,从而改变啮合过程中齿轮副的接触状态和抗弯性能,并对齿轮动力学响应和疲劳寿命产生影响。为探究淬火残余应力对齿轮副动力学响应和疲劳性能的影响,本文基于热传导微分方程理论,建立了斜齿轮淬火数值模拟模型,分析了淬火残余应力分布规律;利用了有限元法对比分析了有无淬火残余应力作用下斜齿轮副的时变啮合刚度,揭示了淬火残余应力对斜齿轮时变啮合刚度的影响规律;在此基础上,应用集中参数法建立了斜齿轮副的十自由度动力学模型,并使用Runge-Kutta法进行数值求解,分析了淬火残余应力改变时变啮合刚度后齿轮副的动态响应并提取啮合力随时间的演变曲线;基于该动态啮合力,结合初始的淬火残余应力开展了该斜齿轮副的疲劳分析和裂纹扩展研究。针对该斜齿轮副,得出如下结论: 淬火残余压应力的分布特征表现为,齿面应力表现为“压应力”,齿芯应力表现为“拉应力”。应力场分布与温度场变化状态息息相关。通过淬火为齿轮齿面引入残余应力时,也会给齿轮齿根引入更大的残余应力。 淬火残余应力对时变啮合刚度的影响并非单一的增大或减小,而是在齿轮啮合周期内表现出区域性的上下波动,且波峰和波谷相应增大,这种现象会影响斜齿轮副的振动状态。动力学分析结果显示,考虑淬火残余应力的斜齿轮副的动态啮合力时域幅值较未考虑淬火残余应力的动态啮合力时域幅值大。动态啮合力的转频和啮频的幅值谱密度均增大,其中啮频的变化更为显著,特别是法向和切向的啮频幅值比轴向变化更明显。淬火残余应力对齿轮振动加速度的频域影响不限于一倍啮频,还明显影响高倍啮频振动,导致两倍啮频和三倍啮频处的幅值显著增加。 淬火残余应力使齿面Mises应力、接触应力和接触力相较于无残余应力的有所下降,且齿面淬火残余压应力导致啮合时的弹性变形减小,齿根应力具有相似的变化情况。淬火残余应力对齿面齿根疲劳寿命的影响大于动态啮合力的影响。裂纹在齿面方向的扩展速率高于深度方向,且最大扩展速率点位于次表面而非齿轮表面。靠近齿面的裂纹尖端受淬火残余压应力抑制,而远离齿面的裂纹尖端因淬火残余拉应力而加速扩展。淬火残余应力对裂纹扩展的影响既包括其对裂纹应力强度因子的直接影响,也包括由淬火残余应力引起的载荷波动对疲劳裂纹寿命的影响。

关键词： 角度不对中误差   齿面载荷   啮合刚度   动力学建模   齿轮修形  

摘要： 井道施工升降机是一种用于建筑工地与其他需要垂直运输场所的特种设备,主要用于承担施工人员、物料与工具的运输工作,具有提高施工效率、提供安全保障、适应性强、节能环保等优点。在井道施工升降机出租、回收的过程中,发现其驱动齿轮出现齿面偏磨现象,分析可知,齿轮齿条啮合存在角度不对中误差。齿轮齿条传动系统作为井道施工升降机的重要传动机构,由于角度不对中误差的存在,齿轮实际啮合线将偏离理想啮合线,因此齿面所受啮合力沿齿向分布不均匀,进而影响齿轮齿条啮合刚度、动态啮合力等动态性能参数;同时由于角度不对中误差的存在,齿轮及齿条齿面将会产生应力集中现象,进而加剧齿轮应力集中位置的齿面磨损,降低齿轮齿条传动系统使用寿命,影响施工升降机设备的经济性。 鉴于此,本文井道施工升降机齿轮齿条传动系统为研究对象,对角度不对中误差下的齿轮齿条动态响应进行研究与探讨,并通过齿轮修形方法对齿面非线性接触状态进行抑制,对把握施工升降机齿轮齿条传动系统动态性能特征、提高齿轮齿条传动系统运行的稳定性、提高齿轮齿条的疲劳使用寿命具有重要的理论指导意义及工程价值。主要研究工作如下: (1)针对井道施工升降机结构分析其齿轮齿条传动系统的受力情况,依据井道施工升降机结构分析角度不对中误差产生的原因,并分析角度不对中误差类型与大小对齿轮齿条齿面载荷特性的影响。 (2)根据齿轮齿面载荷特性的影响,基于势能法建立齿轮齿条综合啮合刚度解析计算模型,并通过有限元法对其进行验证。在原解析模型的基础上,建立角度不对中误差影响下的齿轮齿条综合啮合刚度模型,并揭示了不对中误差类型、大小对齿轮齿条综合啮合刚度的影响及演变规律。 (3)基于集中质量法建立考虑角度不对中误差及时变啮合刚度的齿轮齿条动力学方程,并考虑了齿轮齿条动态啮合力的变化;通过计算机建立其刚柔耦合动力学模型,计算角度不对中误差方向影响下的大小对齿轮齿条啮合力。 (4)针对齿轮齿条传动系统运行过程中由于角度不对中误差引起的齿面载荷集中、振动加剧等现象,采用齿轮修形方法对存在角度不对中误差齿轮齿条的齿面偏载、啮合刚度、动态啮合力进行抑制,优化齿轮齿面载荷情况、啮合刚度及动态啮合力,以达到减小振动,增强齿轮齿条运行稳定性的目的。

关键词： 螺旋锥齿轮   硬齿面热处理   数值模拟   形性变化规律   协同控制  

摘要： 螺旋锥齿轮以其重合度大、运转噪音小,承载能力高等优点,广泛应用于汽车、航空、航海等领域。热处理是车用螺旋锥齿轮生产制造中不可或缺的环节。螺旋锥齿轮通过硬齿面热处理方法以提高齿轮表面硬度,同时齿轮芯部保留一定的韧性以应对齿轮的高强度啮合。而在热处理过程中,螺旋锥齿轮不可避免地会出现变形,这会影响齿轮的传动性能进而影响使用寿命。由于目前研究仅对变形和性能分别进行了硬齿面热处理工艺参数优化,而缺乏对两者进行协同控制的研究。因此,为了解决螺旋锥齿轮在硬齿面热处理过程中既要获得良好性能,又要有效控制齿轮的变形问题,本文基于螺旋锥齿轮硬齿面热处理多场耦合数值模拟,研究硬齿面热处理工艺参数对螺旋锥齿轮变形与性能的影响规律,以螺旋锥齿轮硬齿面热处理变形与性能协同控制为目的,对硬齿面热处理工艺参数进行多目标优化,通过螺旋锥齿轮硬齿面热处理实验验证数值模型的准确性,并开发螺旋锥齿轮材料及硬齿面热处理工艺参数数据库为实际生产提供指导。本文的主要研究内容如下: (1)螺旋锥齿轮硬齿面热处理数值模拟以及组织性能演化研究。通过建立基于温度场-组织场-应力应变场-渗碳场的螺旋锥齿轮多场耦合模型,得到硬齿面热处理后齿轮的碳元素,温度和组织的分布情况,深入研究硬齿面热处理过程中齿轮表层组织性能演化过程。研究结果表明:在实际生产工艺条件下,数值模型结果显示齿顶渗碳层深度为1.87mm,齿面为1.68 mm,齿面硬度为59.1 HRC,齿芯硬度为39.7 HRC;热处理后的齿面组织含量为大量的马氏体;齿顶和齿面在淬火阶段出现最大压应力。 (2)硬齿面热处理工艺参数对螺旋锥齿轮变形与性能影响规律研究。利用螺旋锥齿轮硬齿面热处理多场耦合数值模拟,定量分析螺旋锥齿轮齿面变形、硬度、残余应力的影响因素,设置正交试验研究不同硬齿面热处理工艺参数对齿轮变形与性能的影响规律,研究结果表明:淬火温度对齿面变形的影响最大;渗碳阶段的碳势对齿轮硬度的影响较大,其中降温扩散碳势对齿轮硬度的影响最大;低温回火温度对残余应力分布的影响最大。 (3)螺旋锥齿轮硬齿面热处理变形与性能协同控制研究。通过PSO-BP神经网络建立硬齿面热处理工艺参数与齿面硬度、齿芯硬度、齿形累计误差的映射关系神经网络模型,结合NSGA-II算法和熵权法获得最佳硬齿面热处理工艺参数。研究结果表明:经过硬齿面热处理工艺参数多目标优化后,齿面硬度增加了0.75 HRC,齿芯硬度增加了0.06 HRC,齿形累计误差减少了0.1361mm,通过协同控制优化得到的最佳硬齿面热处理工艺参数以齿芯硬度小幅增加为代价,大幅增加了齿面硬度以及大幅降低齿形累计误差,达到了螺旋锥齿轮硬齿面热处理变形与性能协同控制的目的。 (4)螺旋锥齿轮硬齿面热处理实验验证及数据库软件开发设计。通过对螺旋锥齿轮进行硬齿面热处理实验,检测硬齿面热处理后齿轮的齿面误差、硬度分布、残余应力分布、碳元素含量、金相组织,以验证硬齿面热处理数值模型的准确性。实验结果表明:螺旋锥齿轮硬齿面热处理数值模拟在齿面变形、硬度、残余应力、碳元素含量、组织转变的预测结果与实验结果相近。为了使生产流程更加高效,减少试错时间,提高生产效率,根据工厂实际生产数据以及模拟数据,开发螺旋锥齿轮材料及硬齿面热处理工艺参数数据库为实际生产提供指导意义。

关键词： 螺旋锥齿轮   硬齿面热处理   多场耦合   数值模拟   温度场均匀化  

摘要： 车桥用螺旋锥齿轮为获得表面硬而心部韧的抗疲劳性能,普遍采用低碳钢制造并进行渗碳-淬火-回火热处理（以下简称硬齿面热处理）。在实际生产中,螺旋锥齿轮会进行连续的硬齿面热处理,难以准确监测各物理场演变,且受到多物理场互相耦合影响,导致很难制定准确的工艺参数,从而产生残余应力过大、严重变形、裂纹等问题。本文基于多场耦合效应,通过考虑相变产生的潜热以及螺旋锥齿轮表面高碳浓度对马氏体起始转变温度（Ms）的影响,进行硬齿面热处理全流程多场耦合仿真建模与数值模拟研究,并据此开展温度场均匀化研究。论文建立的多场耦合模型具有较好的精度,可应用于螺旋锥齿轮硬齿面热处理工艺的仿真计算中,实现温度、组织及应力分布的精确预测,为硬齿面热处理工艺制定提供参考和指导。本文的主要研究内容如下: （1）硬齿面热处理全流程多场耦合仿真建模。根据碳浓度场、温度场、组织场、应力应变场多场耦合效应,进行硬齿面热处理全流程多场耦合仿真建模,多场耦合仿真建模主要包括四个部分:1)碳浓度扩散模型,用于分析渗碳阶段碳原子的扩散情况;2)传热模型,主要用于分析螺旋锥齿轮的传热情况,并计算相变潜热;3)相变动力学模型,用于描述微观组织的相变,包括连续冷却时的扩散相变模型以及碳浓度对Ms的影响方程;4)应力应变模型,主要用于描述残余应力分布和变形。这四个模型相互耦合,实现碳浓度场-温度场-组织场-应力应变场多场耦合求解。最后通过ABAQUS结合其子程序在有限元框架中建立多场耦合模型,实现硬齿面热处理全流程多场耦合仿真建模。 （2）基于多场耦合模型的20CrMnTi钢螺旋锥齿轮硬齿面热处理过程数值模拟研究。基于多场耦合仿真模型,采用ABAQUS软件及其子程序对螺旋锥齿轮硬齿面热处理过程进行数值模拟,分别改进前后的多场耦合模型对淬火马氏体分布进行对比,并研究渗碳后淬火时齿轮组织和应力演变,分析齿轮硬齿面热处理后的碳浓度、硬度、组织及残余应力分布,结果表明,忽略相变产生的潜热和表面高含碳量对Ms的影响会导致轮齿表面马氏体含量高于心部,从而影响模拟结果的准确性。淬火时主要发生淬火马氏体转变,转变结束后表面还残留约21%的奥氏体。渗碳淬火结束后,轮齿表面最大压应力为256MPa,心部最大拉应力则为140MPa。 （3）20CrMnTi钢螺旋锥齿轮硬齿面热处理实验研究。将20CrMnTi钢螺旋锥齿轮放入推盘连续炉中进行硬齿面热处理实验,然后分别对螺旋锥齿轮硬齿面热处理后的表面至心部碳浓度、残余奥氏体含量、硬度及残余应力进行检测试验,最后将预测值与测量值进行对比验证,结果表明,螺旋锥齿轮显微组织成分与预测结果基本一致,碳浓度、硬度、残余奥氏体和残余应力预测值与测量值之间的最大相对误差分别为4.8%、4.3%、4.6%和7.6%,均比较吻合,验证了螺旋锥齿轮硬齿面热处理多场耦合数值模拟的准确性。 （4）螺旋锥齿轮硬齿面热处理过程温度场均匀化研究。首先,采用多场耦合数值模拟研究螺旋锥齿轮硬齿面热处理过程温度场变化规律。其次,基于热流固耦合数值模拟进行螺旋锥齿轮淬火冷却过程介质流场优化研究。最后,利用正交试验分析法分析淬火影响因素对温度分布的影响规律,以确定影响因素的最优参数组合,得到的最优参数组合可使齿长和齿宽方向的温度标准差分别减小到38.68℃和38.4℃。通过介质流场分布优化和影响因素的参数优化的方式来提高螺旋锥齿轮齿面和内部空间温度分布均匀性,为螺旋锥齿轮热处理畸变控制提供参考。

关键词： 云雾边协同   故障诊断   数据预处理   深度学习   迁移学习  

摘要： 风能作为世界范围内最重要的能源之一,它储量富足、可再生且低碳无污染,在解决世界能源短缺问题、推动我国能源转型过程中承担着重要角色。我国的风力发电机组累计和新增容量在全球范围内持续保持领先地位。随着风电装机量的不断提升,风机故障诊断也逐步成为业界关注的重点。齿轮箱作为风电机组的关键组成部分,其运行状况严重影响机组的稳定性。因此,实时监测风电机组齿轮箱的工作状况,并对其进行故障诊断,对确保风机的安全运行、减少运维开支以及提高发电效率具有重要的意义。 分析齿轮箱故障诊断的基本流程,构建了“云-雾-边”协同工作的齿轮箱故障诊断框架,对数据采集与传输、边缘端的数据预处理、云端样本量充足时高性能的齿轮箱故障诊断模型构建、雾端的小样本故障诊断模型构建和信息可视化过程中涉及的关键技术进行分析。通过云雾边协同来减少网络延迟和带宽资源的浪费,充分挖掘雾节点的计算能力,减轻云端的处理负担,突显边缘节点在故障诊断中实时响应的优势。 采用基于随机森林、奇异值分解、孤立森林、Z-score标准化的数据预处理方法,处理原始数据传输过程中的缺失、异常、噪声等现象。采用随机森林算法进行数据插补以处理缺失值,使用孤立森林算法识别异常值,利用奇异值分解技术对数据进行降噪处理,采用Z-score标准化方法统一数据量纲。通过边缘端的数据预处理方法,提高数据挖掘效率,在一定程度上增强了故障诊断模型的性能。 构建一个融合卷积神经网络、双向门控循环单元和注意力机制的齿轮箱故障诊断模型。考虑齿轮箱监测数据具有规模大、时序性和多特征等特性,利用卷积神经网络提取齿轮箱振动数据的重要特征,利用门控循环网络捕捉数据的时序特性,利用注意力机制来动态调整特征的权重分布,从而强化重要特征对模型的影响,同时采用蝴蝶优化算法对模型的超参数进行优化,提升模型的训练效率。通过实例分析验证该方法的可行性。 构建了齿轮箱深度迁移故障诊断模型。考虑齿轮箱更新换代或者工况变化,缺乏足够的样本数据对模型性能的影响,以样本量充足的齿轮箱数据集为源域样本,使用这些样本进行模型训练和特征提取,将稀疏样本作为目标域输入模型中提取目标域特征;采用最大均值差异方法衡量源域和目标域之间的差异,对模型进行微调提升模型的诊断精度;应用经过迁移学习优化的模型对齿轮进行故障诊断,通过实例验证模型的有效性。 基于云雾边协同框架,设计并开发了齿轮箱故障诊断原型系统,实现齿轮箱状态监测、数据管理、故障诊断与实时预警功能,为齿轮箱的故障诊断和预测提供更为精确和可靠的数据支撑及技术手段。