关键词： 齿轮   图像编码   小样本故障诊断   深度学习   密集卷积连接网络  

摘要： 齿轮是机械设备的关键零件,一旦齿轮发生故障就会造成整个机械设备无法正常运作,因此对齿轮故障进行研究,可降低机械设备维护成本同时提升零部件的使用寿命。由于齿轮故障的短时性,造成齿轮的故障诊断是一个小样本故障诊断问题。本文的主要研究内容如下: (1)针对传统信号分析依靠人工经验进行故障识别导致识别精度低的问题,讨论基于图像编码与深度学习网络相结合的方法进行故障识别的可行性。该方法将一维信号转化为二维图像,结合密集卷积连接网络进行故障诊断。在实验室行星齿轮箱数据集与东南大学齿轮箱数据集上进行故障诊断试验,结果表明,将二维图像作为特征输入深度学习网络进行故障诊断具有良好的诊断性能; (2)为深入研究齿轮故障特征的时序相关性,提出一种基于改进采样法的马尔可夫变迁场编码与密集卷积连接网络相结合的齿轮故障诊断模型。所提方法能够把一维原始信号编码为二维图像,再利用密集卷积连接网络强大的特征提取能力,实现齿轮故障的精确识别。使用该方法在行星齿轮箱数据集与东南大学齿轮箱数据集上进行试验验证。实验结果表明:该模型在齿轮故障诊断方面达到了99.86%和99.78%的高精度;在样本数量和工况变化的条件下,该方法仍然表现出稳定的识别精度;与其他图像编码方法相比,该方法具有更高的识别精度和更强的鲁棒性; (3)针对单通道振动信号特征反映不全面,且诊断精度受制于所选通道振动信号与故障关联程度的强弱,以及跨工况数据缺少标签导致识别精度浮动的问题,提出一种基于多传感器特征融合与改进密集卷积连接网络相结合(Combining multi-sensor feature fusion with improved dense residual networks,MFF-IDN)的齿轮故障诊断方法。通过格拉姆角和场变换将多传感器信号分别转换为二维图像,然后采用离散小波变换重构多通道图像,以改进密集卷积连接网络为训练模型。在行星齿轮箱数据集和东南大学齿轮箱数据集上进行试验验证,该方法平均诊断精度达到99.68%、99.23%;此外,在行星齿轮箱数据集上设计了6种跨域诊断任务,在3种不同转速下进行同平台跨转速故障诊断与抗噪实验分析,在训练样本为40的含噪环境下时,MFF-IDN的平均识别精度达到91.73%。证实此方法具有优势和扩展性。

关键词： 核电齿轮箱   Copula   可靠性   多失效相关   可靠性优化设计  

摘要： 核电齿轮箱是核电站的关键部件之一,要求具有长寿命、高可靠、高安全以及低维修等特点,其一旦发生故障将可能导致核电站长时间停机,甚至引发核泄漏等风险。因此,对核电齿轮箱进行可靠性研究具有十分重要的意义。传动系统是核电齿轮箱容易发生故障的部位,且具有多种失效模式,各失效模式间存在复杂相关性,使用现有可靠性分析方法进行求解困难。为了提高核电齿轮箱的可靠性,本文对核电齿轮箱传动系统的可靠性及其优化设计方法进行研究,主要内容如下: (1)针对核电齿轮箱失效模式众多分析困难的问题,首先分析了齿轮箱的结构与工作原理,并以其传动系统作为研究对象。然后利用故障模式、影响及危害分析(Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA)方法对传动系统的失效模式进行筛选和分析,确定其失效关键部件和主要失效模式,并建立相应的失效功能函数,为后续可靠性研究奠定基础。 (2)针对核电齿轮箱传动系统多元失效模式间存在复杂的相关性,首先构建了一种混合Copula(Mixed Copula,MCopula)模型来描述其相关性。然后提出一种动态灰狼粒子群优化算法(Dynamic Wolf Particle Swarm Optimization,DWPSO)估计二元混合Copula模型的参数,提高了二元系统可靠性分析的准确性与效率。接着提出了一种分层DWPSO-MCopula模型,使用分层框架降维处理多元失效相关问题,并通过实例验证了提出方法的有效性。最后利用分层DWPSOMCopula模型对核电齿轮箱传动系统进行静态可靠性分析。 (3)针对传动系统多元失效相关及小失效概率下的时变可靠性求解困难问题,首先引入Kriging模型实现时变功能函数的快速离散,将其等价为高斯过程,并结合随机过程重要抽样法(Random Process Importance Sampling,RPIS),提出了一种RPIS-Kriging模型,有效地处理系统小失效概率下单失效模式的时变可靠性分析。然后结合分层DWPSO-MCopula模型,提出了一种时变可靠性分析方法(Time Varying Reliability Analysis Method,TVRAM),提高了多元失效模式相关系统时变可靠性分析的准确性与效率,并通过实例验证了提出方法的有效性。最后利用TVRAM法对核电齿轮箱箱传动系统进行时变可靠性分析。 (4)针对传统可靠性优化设计求解效率低的问题,首先,基于DWPSO算法与TVRAM模型,提出了一种DWPSO-TVRAM的可靠性优化设计方法,有效地解决传统可靠性优化设计求解效率低的问题。然后,以传动系统体积为优化目标函数,利用DWPSO-TVRAM方法对其进行可靠性优化设计。结果表明,该方法使传动系统的体积减少了约3.3%,且能确保核电齿轮箱在整个设计寿命内安全运行。

关键词： 高速列车齿轮箱   孔洞缺陷   疲劳性能   有限元模拟   寿命预测  

摘要： 齿轮箱系统作为高速列车走行部的重要组成部分,对保障高速列车运输能力及安全稳定运行起到了至关重要的作用。随着列车运行速度的增加,长期服役的齿轮箱系统容易发生疲劳失效。另外,为减轻高速列车簧下质量,我国齿轮箱箱体材料选用铸造Al-Si-Mg合金,在铸造过程中会不可避免地引入孔洞缺陷,这些孔洞缺陷会影响裂纹从萌生到扩展直至断裂的整个过程,对齿轮箱的服役安全造成严重威胁。因此为保障高速列车安全稳定运行,深入研究孔洞缺陷对齿轮箱箱体疲劳性能的影响尤为重要。 本文采用实验与仿真相结合的方法,基于经典力学模型,探究了典型铸造缺陷孔洞对齿轮箱箱体疲劳性能的影响,主要内容包括: (1)开展了拉伸、断裂韧性、高周疲劳寿命和疲劳裂纹扩展实验,并探究了应力比对齿轮箱箱体材料疲劳性能的影响。结果表明,随着应力比从R=0.1增加至R=0.7,齿轮箱箱体的疲劳极限从49.5 MPa降低至28.5 MPa;Goodman模型能较好地描述应力比对疲劳强度的影响;疲劳裂纹扩展速率曲线呈左移趋势,且Paris公式中的拟合参数C和m变化较大。 (2)利用扫描电镜观察试样断口特征,从微观角度分析了孔洞对齿轮箱箱体材料疲劳性能的影响。从拉伸和高周疲劳试样断口发现裂纹极易由尺寸较大(500μm以上)的孔洞处萌生,这是导致齿轮箱箱体试样拉伸性能和疲劳性能降低的主要原因;从疲劳裂纹扩展试样断口发现在稳定扩展区和快速断裂区均存在尺寸较大(400μm～600μm)的孔洞,对裂纹扩展速率和寿命造成不利影响。进一步阐明了孔洞缺陷对裂纹萌生行为的影响大于裂纹扩展行为的作用机制。 (3)对高周疲劳寿命试样断口上的孔洞尺寸及位置进行统计,发现孔洞等效直径基本在400μm以下,并集中分布在280μm左右。根据Teschke模型,对齿轮箱材料Al-Si-Mg合金S-N曲线分散性产生影响的孔洞尺寸主要集中在200μm～500μm,进一步表明Al-Si-Mg合金的疲劳寿命分散性是由孔洞缺陷所引起。利用KT图确定了齿轮箱箱体中孔洞缺陷的安全尺寸为276μm。 (4)将标准试样及齿轮箱箱体有限元模型与实验数据相结合,探究了具有不同几何特征的孔洞对齿轮箱箱体材料疲劳失效机理及箱体疲劳寿命的影响。提出了循环载荷下箱体关键位置处最大孔洞的等效直径与孔洞两侧最大应力值、齿轮箱箱体等效寿命以及孔洞处应力强度因子关系的模型。结果表明,孔洞等效直径大于0.36 mm时,裂纹进入稳定扩展阶段,大于0.5 mm时试样的疲劳寿命开始急剧下降,而当孔径大于2.4 mm时裂纹进入失稳扩展阶段,箱体将迅速失效。

关键词： 车铣复合加工中心   Esprit编程软件   异形斜齿轮传动轴  

摘要： 本文利用建模软件、Esprit编程软件,基于9轴4联动车铣复合加工中心,以加工复杂异形斜齿轮传动轴为例,阐述了Esprit编程软件配合9轴4联动车铣复合加工中心进行加工的过程,利用该机床的多轴配合尽可能地避免人为操作误差。并且对复杂异形斜齿轮传动轴的三维建模、加工工艺方案、刀具选用、刀轨生成以及加工零件G代码的生成等内容进行重点剖析,并通过实际加工来证明该加工方法及机床的加工优越性,为复杂零件的加工提供参考。

关键词： 减速器输入级   变形   Romax   齿轮  

摘要： 本文以某型减速器输入级为研究对象，基于Romax分析模型开展系统变形分析及齿轮啮合错位量分析，并对加工后的试验件进行齿轮印痕发展试验，并对比齿面印痕与仿真分析的一致性。结果表明，基于Romax软件考虑系统变形情况下的齿面优化设计能较为明显地降低齿面接触应力，改善齿轮印痕，降低齿轮的传动误差，并提升齿轮的均载性能，优化后的齿面状态在实际试验过程中表现良好，满足设计要求。

关键词： 精密谐波齿轮   成形法磨齿   砂轮拟合修整方法   误差建模的优化方法  

摘要： 谐波减速器是一种在工业领域广泛应用的高精度传动装置,利用柔轮和刚轮之间的配合来实现高效、精确的传动。成形法是制造柔轮和刚轮的高精度加工方法,能够精确控制齿廓的几何形状和表面质量。在成形法磨齿过程中,砂轮修整的精度对于谐波齿轮常用的短齿制渐开线变位齿廓的加工精度至关重要。本文提出了一种直线拟合渐开线变位齿廓的砂轮高精度修整方法,开发了相应的精密成形磨齿装置及关键技术,用于实现精密小模数渐开线变位谐波齿轮齿廓的高精度成形磨削,尤其是在内齿轮齿廓的高精度磨削。论文主要研究内容包括: (1)小模数渐开线变位廓形的成形砂轮高精度拟合修整方法。基于不同广义圆锥曲线(主要考虑双曲线和直线)的空间形成原理,建立了砂轮拟合修整方法的数学模型。通过合理设定精密谐波齿轮齿廓计值范围,并考虑由拟合修整原理产生的齿廓总偏差,揭示了不同广义圆锥曲线拟合渐开线变位齿廓的精密成形原理。为了实现最佳逼近渐开线变位齿廓,应用了Chebyshev逼近方法,并结合正交数值模拟分析,研究了影响拟合原理性误差求解精度的变化规律。通过确定最佳匹配的求解方法,优化了成形砂轮拟合修整的工艺参数以减小拟合原理性误差,并验证了使用不同广义圆锥曲线进行高精度拟合修整渐开线变位齿廓的可行性。结果表明,虽然直线优化拟合的齿廓偏差略高于双曲线优化拟合的齿廓偏差,但是砂轮直线拟合修整的工艺参数确定与实际操作比较简便。 (2)砂轮修整的映射关系与几何复映误差的传递规律。在验证映射模型准确性的基础上,根据成形砂轮的修整调整量与截形角之间的映射模型,确定了双曲线和直线拟合对应的砂轮修整调整量。根据各关联尺寸及其偏差对成形砂轮截形角偏差的映射模型,结合考虑各关联尺寸偏差的最不利影响,通过调整砂轮修整量或金刚石笔偏摆角,提高了成形砂轮修整精度。通过数值模拟分析方法,利用金刚石笔的单自由度直线修整运动和翻转180°的对称双锥面运动,结合砂轮修整装置的精密装配工艺和调整,实现了砂轮的高精度修整。在直线和双曲线拟合修整中,砂轮截形角偏差的拟合均值与设计值之间相对偏差的绝对值是相同的,并且满足实际工程精度需求。然而,直线拟合分析相对简单,更为便捷。根据不同的几何复映误差模型,减小了较大的节圆压力角,并解决了左、右齿面上节圆压力角不相等的问题。通过调整和测量金刚石笔直线往复修整运动机构的直线度误差,确保其在有效行程范围(0mm～10mm)内不大于0.3μm,为实现高精度成形磨削小模数渐开线变位谐波齿轮齿廓提供了有力的技术支持。 (3)成形磨齿装置空间几何误差模型的保真度提高与精准性校验。在成形磨齿装置的设计中,采用MBS和HTM技术建立了成形磨齿装置的空间几何误差模型,为合理设定砂轮相对工件齿轮的空间几何位置误差提供了理论支持。另外,为了提高空间几何误差模型的建模精度,在对比分析具有相似拓扑结构的不同成形磨齿装置及其空间几何误差模型的基础上,综合考虑了影响含参变量表征空间几何误差模型建模精度的因素和理论计算误差源。然后,基于小误差假设理论,提出了一种优化算法及其校验方法。通过数值算法、迭代算法、优化算法以及现有算法的比较,结合一维分布抽样和高维空间中网格抽样的数值模拟校验方法,提高了舍去高阶无穷小项含参变量表征的空间几何误差模型的保真度,并验证了参数化建模精度的准确性。该方法为合理设定和精确调试砂轮相对工件齿轮的空间几何位置误差提供了理论支持,并对精密成形磨齿装置的研发设计和精密成形磨齿加工具有重要的实际应用意义。 (4)精密小模数渐开线变位谐波齿轮齿廓的成形磨削技术方法。通过应用转子动平衡原理设计的可拆卸式砂轮组件,并结合1级精度螺旋标准齿轮与蜗杆传动的精密分度圆转台,开发了一种新型的谐波齿轮成形磨齿装置。该装置基于直线高精度拟合修整渐开线变位廓形砂轮,利用圆转台和直线工作台的间歇式运动配合以及砂轮单自由度直线修整的运动控制,解决了小模数谐波齿轮内、外齿廓的高精度集成化成形法磨削加工问题。在研究装置的关键参数标定和精密磨齿加工调整方法的基础上,进一步确定了精密谐波齿轮的成形法磨削工艺参数。通过数值模拟和实验分析,以m=0.5的外齿柔轮与内齿刚轮的渐开线变位齿廓为例,验证了采用砂轮直线优化拟合修整与精密谐波齿轮齿廓成形法磨齿的可行性。结果表明,该方法能够实现小模数渐开线变位谐波齿轮内、外齿廓的高精度成形法磨齿加工。 通过直线拟合渐开线变位齿廓的砂轮高精度修整,形成了一种精密谐波齿轮齿廓成形磨削技术方法,提高了小模数柔、刚轮齿廓的磨齿精度。

关键词： 中央锥齿轮传动系统   非线性时变动力学模型   激励非线性   支点安装不对中   轴承缺陷  

摘要： 航空发动机中央锥齿轮传动系统是与高压转子相连接的重要的传动链路,用于将高压转子的功率传递给发动机滑油泵、起动机等附件。由于中央锥齿轮传动系统结构复杂、要求轻量化,并且功率大、转速高、工作环境恶劣,具有复杂的非线性振动特性,在工程实际运行时经常发生振动故障,包括齿轮轴系振动过大,以及振动导致的齿轮和轴承损坏等。针对航空发动机中央锥齿轮传动系统进行非线性振动特性的理论研究,对掌握其振动故障机理与规律、开展动力学优化设计十分重要。 本文以某大推力涡扇发动机的中央锥齿轮传动系统为典型对象,开展中央锥齿轮传动系统的振动特性、齿轮非线性影响,以及考虑支点安装不对中和支点轴承缺陷时的振动机理与规律的理论分析和数值仿真研究,并进行了必要的模拟试验验证,完成的主要工作和取得的主要结果如下所述。 引入弧齿锥齿轮十二自由度的集中质量模型,提出了中央锥齿轮传动系统线性时不变动力学模型建立方法,获得了中央锥齿轮传动系统固有特性及不平衡振动响应计算方法。在中央锥齿轮传动系统振动特性研究的基础上,提出了基于有限元法的具有中央传动锥齿轮的双转子系统整体动力学模型建立方法,获得了不平衡对系统的径向振动与齿轮啮合力的影响规律;利用中央锥齿轮传动系统动力学特性模拟试验台试验结果对计算结果进行了验证。结果表明,径向振动峰值对应的转速与齿轮啮合力峰值对应的转速不同,双转子的不平衡量影响啮合力峰值。 引入考虑非线性因素的弧齿锥齿轮啮合模型,建立中央锥齿轮传动系统非线性时变动力学方程,实现了中央锥齿轮传动系统在复杂激励下的非线性振动的高精度仿真;在此基础上,提出了在非线性啮合动态激励下的中央锥齿轮传动系统整体动力学模型,系统地研究了齿轮内部激励以及齿轮系统负载等因素对中央锥齿轮啮合力的影响规律,进而获得了齿轮系统的振动规律,并利用试验台测试结果对计算结果进行了验证。结果表明,负载越小、齿侧间隙越小或者传递误差幅值越大,中央锥齿轮轮齿间的碰撞越剧烈。 引入支点安装不对中对中央锥齿轮传动系统的激励机制,建立了考虑支点不对中的中央锥齿轮传动系统动力学模型,研究了中央锥齿轮啮合作用对齿轮系统振动特性的影响规律,获得了不平衡量与不对中角度对中央锥齿轮传动系统振动响应及齿轮啮合力的影响规律。结果表明,不平衡量与不对中角度的增大基本不会影响齿轮啮合力高频处的振动。 建立了考虑支点轴承外圈缺陷的中央锥齿轮传动系统动力学模型,研究了不同缺陷宽度、缺陷深度以及轴承间隙对振动响应的影响规律,进而还研究了含轴承外圈缺陷、轴系不对中以及不平衡耦合故障下中央锥齿轮传动系统的振动特性影响规律,并进行了不平衡量与不对中角度变化的影响的对比分析。结果表明,缺陷宽度越大,系统的振动越剧烈,较大的不平衡量与不对中角度会使系统的振动冲击加剧。 本文的研究丰富与发展了航空发动机中央锥齿轮传动系统的动力学理论,为航空发动机中央锥齿轮传动系统的动态优化设计、故障监测与诊断提供了理论支撑。