关键词： 数据增强   深度特征提取   故障检测   故障诊断  

摘要： 故障诊断是工业系统健康监测的核心。然而,现有数据驱动的方法往往建立在类别平衡的数据集上,而实际情况下,工业系统的样本往往呈现不平衡分布,这给故障诊断带来挑战。因此,解决不平衡样本问题对于提升设备稳定性、降低能耗、优化生产效率至关重要。数据生成模型通过生成伪故障样本来平衡样本数量,从而提高模型性能和鲁棒性。其中,非线性独立分量估计(Non-linear Independent Component Estimation,NICE)模型能够更准确地描述故障状态,提高特征区分度,进而提高了故障诊断的准确性和可靠性。NICE作为一种数据生成方法,能更好地模拟机械振动信号的特征,为机械设备的健康监测和维护提供有力支持。本文以齿轮箱为研究对象,具体研究内容包括: (1)针对齿轮箱早期故障检测中故障样本稀缺的问题,提出一种单类深度特征提取(One-Class Deep Feature Extraction,OCDFE)方法。针对零样本故障检测任务的需求,本方法综合NICE和深度自编码器的优势,通过最大化数据的对数似然,使得特征提取器能够学习正常数据的潜在分布。在测试阶段,特征提取器对未知数据进行深度特征提取和合成伪故障特征,以实现对齿轮箱不同类型故障的检测。实验结果表明,OCDFE方法提取的异常特征具有明确的区分度,显著提高故障检测的准确率。 (2)针对故障样本不平衡导致的故障样本不足问题,构建一种基于频域非线性独立分量(Frequency-domain loss Nonlinear Independent Component Estimation,FNICE)的故障样本增强方法。将齿轮箱振动信号转化为频域信号突出故障特征。通过编码器从极其有限的样本中提取关键特征,将其转换为隐空间表示。随后,利用解码器进行逆向采样,生成与原始振动信号相似的样本,生成的样本用于扩充有限的数据集,实现齿轮箱样本的平衡。实验结果表明,与现有的NICE相比,所构建的方法能更有效地生成质量更高的故障样本,显著提升故障诊断的准确率。 (3)针对增强故障数据的故障诊断性能不高的问题,提出了一种双损失非线性独立分量估计(Dual-Loss Nonlinear Independent Component Estimation,DLNICE)方法。该方法综合利用时域损失和频域损失约束隐空间的退火参数,将生成样本与真实样本之间的分布偏差融入NICE采样的退火参数中。通过训练学习监测数据的分布,提升生成样本的脉冲性和循环平稳性。实验结果表明,t-SNE可视化显示了不同故障样本之间的明显边界。在基准实验台上,平均准确率达到88.7%,验证了DLNICE方法的有效性。

关键词： 弧齿锥齿轮   空间共轭曲线   平面对数   齿面接触   振动特性  

摘要： 弧齿锥齿轮因为其优异的承载能力及传动平稳性,同时拥有实现传动轴交错的动力传输能力,因此被广泛用于汽车、轮船、航空载具中的动力传输机构中。随着目前针对相关零部件在高速及重载工况下传动性能与设计加工效率指标的与日俱增,需要对弧齿锥齿轮进行齿面设计进一步改善与精确建模方面研究,并探寻齿轮在复杂工况下因冲击载荷而引发的传动性能的变化,确保齿轮在各种工况下的可靠性与稳定性。 本次研究以空间共轭曲线啮合理论为切入点,结合球面渐开线弧齿锥齿轮齿面成型原理,引入平面共轭对数对齿轮工作啮合齿面进行改进设计,同时解决利用展成法等理论进行齿轮设计时,出现的计算时间过于冗长以及齿面精度不足的问题。 其次,在之后的参数化建模环节,利用B-spline曲线对程序输出的曲面离散点坐标进行矫正与精度改善,避免将离散点坐标输入到建模软件中与生成曲面时产生曲面失真与畸变的现象。利用拟合后的离散点生成齿槽面,并在齿坯实体上利用该曲面进行阵列切割,分别创建主、从动轮的三维建模,进而得到精确的弧齿锥齿轮配合模型。 再次,对弧齿锥齿轮建模进行六面体(Hex)网格单元划分,对其进行齿面接触应力与弯曲应力分析,进而验证模型的静力接触特性分析,验证其拥有在预期设计中相较于利用展成/变性法生成的齿轮模型所具有的接触强度方面的提升,以及对轴角装配误差敏感性的降低。 在后续工作中,对弧齿锥齿轮进行动态接触分析,得到处于不同惯性载荷、阻尼及摩擦系数的工况下,齿轮在传动过程中其旋转角速度与接触应力的数值变化趋势及波动情况,由此得到三种参数对传动特性的影响作用,为之后的弧齿锥齿轮虚拟样机参数设置提供依据。 最后,建立弧齿锥齿轮虚拟样机模型,模拟高速及重载的工作环境并进行动力学分析,得到在不同复杂工况条件下,弧齿锥齿轮转动角速度的变化曲线、接触区域因冲击载荷等因素而产生的啮合法向力的波动情况,以及齿面啮合区域各方向的振动位移,探究齿轮在该工况下的传动特性;对齿轮进行模态分析,进而得出固有振动频率等数据,分析在高速旋转下齿轮的可靠性。

关键词： 磁齿轮   磁场调制   转矩特性   Halbach阵列   铁损  

摘要： 磁齿轮是一种新型的传动装置,其工作原理依赖于磁体之间的磁力耦合作用,实现动力的有效传递。相较于传统的机械齿轮,磁齿轮在工作时,主、从动轮之间可以实现无接触式的转矩传递。该设计不仅从根本上解决了传统机械齿轮在齿牙啮合时产生的磨损问题,还显著减少了工作时的振动和噪音。而且它还具有实现过载防护和物理隔离传递转矩等优势,因此在工业领域中得到了广泛的应用。本文通过对磁齿轮特性的研究,改进磁齿轮的结构和磁极排列方式来提高其转矩性能。 磁场调制式磁齿轮作为一种创新型拓扑结构的磁性传动装置,从表面看,其内外转子永磁体的极对数并不匹配,无法进行有效的转矩传递。为了深入分析其工作原理,本文通过解析法探究永磁内转子、调制环以及永磁外转子之间磁极对数、转速和转矩之间的数学关系。并基于其同心式结构进行尺寸参数设计,通过磁场云图和磁力线分布图研究内、外转子之间磁耦合效应。 为了验证理论分析的准确性,采用有限元法对其工作原理进一步推导。对内、外永磁体在单独作用下的气隙磁密进行剖析,在此基础上,加入调磁环进一步探究其对磁场的调控机理,后利用叠加法计算出内转子与外转子共同工作时的气隙磁密,得出调磁块个数与磁齿轮内、外转子磁极对数之间的关系。并研究磁场调制式磁齿轮不同设计参数对转矩特性的影响,考虑永磁体的利用率和磁齿轮机构的转矩传递能力选取最佳尺寸参数范围。为了提高制造效率和加强结构稳定性,研究在调磁块上加装三种不同连桥对磁场调制式磁齿轮的转矩性能和磁通密度产生的影响。 Halbach阵列充磁具有强化一侧磁场并削弱另一侧磁场的特性。根据这一理论,本文提出了一种采用Halbach阵列正弦充磁的方式应用于磁齿轮,对两种不同充磁方式下磁齿轮内、外层气隙磁密波形进行分析,并通过傅里叶分解得出谐波分布图。通过仿真计算得出Halbach阵列充磁方式下磁齿轮的动、静态输出转矩。铁损是磁齿轮运转时的主要损耗方式,根据铁损产生的机理,研究永磁体内部、内外转子轭铁、调磁块中磁密变化规律。并研究在不同转速下两种充磁方式的铁损量,得到铁损与转速之间的关系。 最后设计并搭建磁齿轮扭矩测试实验平台,对不同参数条件下的调磁块、内、外层气隙厚度、永磁体厚度以及轭铁厚度分别进行最大转矩测试,将实验测试的结果与仿真结果进行对比,验证仿真分析的准确性,进而证实了 Halbach阵列充磁方式优化设计的有效性。

关键词： 大方坯   裂纹   非稳态模拟   温度场   应力场   圆角半径  

摘要： 20CrNiMoA齿轮钢常被用于耐磨损零件的制造,在汽车、铁道、船舶和机械制造等工业领域有着广泛应用。连铸是齿轮钢生产线上的重要环节,能够将液态钢水凝固成铸坯,在连铸过程中,伴随着铸坯温度下降,铸坯温度场与应力场急剧变化,而温度场与应力场的不均匀变化与裂纹的产生密切相关。 本文选取了江苏某钢厂生产的20CrNiMoA大方坯作为研究对象,首先对铸坯裂纹形貌进行了深入分析。然后,结合有限元模拟和物理实验,系统研究了连铸过程中温度场和应力场的变化规律。研究旨在提高铸坯表面质量、优化生产工艺提供理论支持。本文的主要研究内容包括: (1)对连铸坯表面裂纹进行金相观察,发现连铸坯角部存在横裂纹。通过检测裂纹内元素成分,确定20CrNiMoA钢连铸坯表面裂纹产生区域。 (2)基于高温拉伸实验与断口形貌确定了第三脆性区间与断裂机理,明确材料在高温下的力学性能变化规律,为后续模拟提供计算基础数据,同时为分析铸坯热裂倾向提供依据。 (3)构建铸坯连铸过程的仿真模型,通过改变拉速、过热度、冷却强度和结晶器圆角半径对铸坯的温度场和应力场进行模拟分析,研究铸坯温度场与应力场的演变规律,明确铸坯高温应力应变的分布与大小及铸坯出现裂纹缺陷与工艺参数的关系。 (4)根据仿真结果,分析现行水量的合理性,结合温度场与应力场变化规律提出表面裂纹控制的优化方案。使方坯具有良好的表面质量,实现综合调控的工艺参数优化。

关键词： 双离合   行星齿轮减速器   Romax Designer仿真分析   齿轮修形优化  

摘要： 行星齿轮减速器是一种精密的传动装置,具有传动比大、使用寿命长、传动平稳等优点,在机械制造装备、汽车、船舶、冶金、化工以及风能发电等多个领域中被广泛应用。但目前市面上行星齿轮减速器大多是单速输出,其在传动性能、应用范围和生产效率等方面对动力源存在一定的局限性。因此,提高行星齿轮减速器的传动性能、使用寿命和扩大应用范围具有重要的研究意义。 针对以上问题,本文设计了一种应用于数控机床的双离合行星齿轮减速器。它在传统行星齿轮减速器理论分析的基础上进行了创新性结构设计,采用了双离合器实现了双速输出。首先在Solidworks软件中建立了该减速器模型,利用Romax Designer软件中的CAD Fusion模块将箱体导入,同时在该软件中对轴、轴承和齿轮进行了静力学分析,所得结果均满足设计要求。 其次对整个双离合行星齿轮减速器进行了动力学特性分析,研究了该减速器的固有特性,通过ANSYS软件对该减速器的行星架和箱体进行了约束模态分析,判断该减速器是否发生共振;同时查看了箱体表面振动加速度和线性模态柔度峰值的频率点,并对轴承进行了动态响应分析,得出在1432Hz处振动加速度与变形量最大。针对以上问题,采用了微观修形方法,提高了齿轮的传动平稳性和使用寿命,降低了振动与噪声。 然后根据齿轮的齿廓修形与齿向修形原理,采用手动修形方法对太阳轮和齿圈进行了优化,优化后发现太阳轮和齿圈的啮合传动误差分别下降了71.2%和18.8%,但太阳轮单位长度载荷值却有了一定程度的升高,齿圈的偏载现象没有得到改善。因此采用遗传算法对太阳轮和齿圈进行微观参数多目标综合修形。修形优化后得到齿轮最优参数,对比优化前后各项仿真结果发现:太阳轮和齿圈的啮合传动误差分别下降了85.86%和89.6%,从而改善了齿轮的啮合特性,降低了减速器的振动与噪声;太阳轮和齿圈的单位载荷分别下降了10.95%和46.67%,而接触应力也分别下降了1.53%和34.21%,改善了齿面偏载问题;与此同时箱体表面的振动加速度峰值与减速器在Y方向上的偏移量分别下降了30.99%和76.6%,提高了传动系统的平稳性。 最后对双离合行星齿轮减速器进行了实体加工与装配,按照该减速器实际工况进行了试验。通过试验检测结果与仿真分析结论对比可得:该减速器样机传动比保持在5.06左右,传动效率达到85.0%左右;实测振动加速度最大值与仿真优化后的峰值基本对应,振动加速度突变频率与仿真振动加速度峰值频率的位置基本一致;啮合斑主要集中在齿面中部,分布均匀,传动更加平稳;箱体温升试验误差在合理的允许范围内,满足减速器的设计要求。