摘要： 无论是从整机构成还是从停机维护造成影响的角度来看,齿轮箱在双馈及半直驱风电机组成本中的占比都比较大。近年来,为适应风电机组越来越大的单机容量,齿轮箱需具备越来越高的扭矩密度。而提高扭矩密度行之有效的方式是提高行星级数及每级行星轮个数1,这就要求保证每级行星轮均载性能。实际上,GL风电机组认证规范2要求,

关键词： 多轴环板式永磁齿轮   磁性能计算   传动特性   磁场调制   电磁转矩  

摘要： 转矩密度是衡量永磁齿轮最重要的性能指标,由于现有同心式及偏心式永磁齿轮可实现较大的转矩密度(同心式约为3100k N·m/m,偏心式约为3140k N·m/m),因此现有永磁齿轮的研究方向也大多集中在这两方面。但同心式永磁齿轮的转矩密度随传动比增大而减小,而偏心式永磁齿轮的转臂轴承位于摆线轮内部,工作时将承受较大的不平衡磁拉力,较大幅度地缩短了转臂轴承的使用寿命。为解决上述问题,本文提出一种多轴环板式永磁齿轮(Multishafts Ring-Plate Magnet Gear,MRMG)。MRMG主要由内、外两个永磁圈及多个偏心轴组成,通过均布在外永磁圈上的多个偏心轴所形成平摆运动,使内永磁圈所受磁场力发生变化进而使其作定轴旋转运动。由于偏心轴及其附属的转臂轴承个数不受数量及空间尺寸限制,因此除具有与现有偏心式永磁齿轮相同的转矩密度外,还可大幅分散转臂轴承所承受的电磁及机械作用力,较好解决了上述同心式及偏心式永磁齿轮存在的固有缺陷。为此,本文主要围绕以下几方面对所提出的MRMG进行研究:(1)建立具有反馈机制的MRMG动态模型图,直观表达出MRMG动态转矩与转速关系,通过反馈每个动态过程的磁偏角,将内永磁圈自转角速度及外永磁圈公转角速度分别与电磁转矩、损耗转矩、环板与转臂轴承之间的作用载荷相关联,并使MRMG所有物理量均表达为关于磁偏角的单值函数,以量化分析MRMG启动与平稳运行时的动态过程,进而从本质上揭示出MRMG大传动比及高转矩密度的运行机理。(2)基于标量磁位法将MRMG内、外永磁圈划分为一个无源区和两个有源区,通过气隙磁场连续性将这两个有源区联系起来,将磁场边界条件与磁场叠加原理相结合,以获得MRMG的二维气隙磁场及电磁转矩数理模型。虽然基于平面磁场所得的二维模型可快速计算出MRMG气隙磁场及电磁转矩,但二维模型忽略了端部漏磁,因此所得结果与实际偏差较大(误差约为17%),为此还应建立包括端部漏磁在内三维数学解析模型,以准确计算MRMG的气隙磁场及电磁转矩。(3)通过综合灵敏度法分析了MRMG各结构参数对电磁转矩的影响,并利用预测模型给出了永磁体长边长度、短边长度、轴向长度及最小气隙等相关结构参数对最大静态电磁转矩及转矩密度的影响,再结合有限元法对内、外永磁圈轭铁及永磁体厚度进行参数扫描优化,以确定合适的参数优化值。(4)依据动量矩及动能定理,定性、定量分析了MRMG在不同启动位置下的启动过程,深入分析了MRMG在不同位置启动时,其动态转速及转矩的震荡波动及由其所形成的正向与反向冲量之间的关系,从而确定出MRMG最佳启动区间及启动位置。由于MRMG过载时内、外永磁圈也会产生转速及转矩震荡并进行自我调节,所以通过分析MRMG由超载恢复至正常载荷后,外永磁圈所产生的正向及反向冲量关系,并利用有限元法分别对恒定负载及变化负载进行动态仿真验证,确定出MRMG过载后可恢复至正常运行状态的条件。(5)将内、外永磁圈的运动过程离散为磁偏角与静态电磁转矩间的变化关系,建立了MRMG动态转矩及转速数理模型。由于所建模型包含了有限元仿真无法计及的转臂轴承机械损耗,因此计算出的转速比、转矩比及传动效率更趋近于动态实测结果(所建模型误差≤2%,而有限元误差约为6%)。(6)根据MRMG的功率分流特性,将MRMG电磁转矩模型与刚体静力学理论相结合,建立了内、外永磁圈与各传动轴的平衡关系及传动损耗特性,并分析了“单输入/单输出”及“单输入/多输出”两种传动模式的受力稳定性及功率损耗,两种传动模式中以各偏心轴均承受相同载荷时的运行特性为最优(运行效率η=92.76%),其次为各偏心轴承载但有载荷偏差模式(η=83.67%),而“单输入/单输出”模式为最低(η=68.38%)。

关键词： 齿轮齿圈   低速重载   齿面织构化设计   等温弹流润滑模型  

摘要： 重离子治疗是目前治疗癌症最有效的技术手段之一。旋转机架是重离子治疗系统的重要部件,通过其自身运动调整离子束照射的方向和角度,实现对肿瘤精准照射。旋转机架上主要安装有磁铁,低速旋转时承受重载、偏载,造成传动部件齿面无法充分润滑,导致齿面发生磨损、胶合等失效。针对以上问题,本文以旋转机架齿轮齿圈为研究对象,对低速重载工况下齿面润滑状态展开研究,分析不同工况参数对齿面润滑影响规律,提出在齿面进行微织构设计来改善齿面润滑和降低齿面摩擦。本文主要研究内容和结果如下:(1)首先介绍了重离子治疗工作原理和治疗系统组成,以山东某企业的旋转机架为研究对象,针对旋转机架在不同运动状态进行受力和运动分析;利用三维软件完成旋转机架和传动系统三维建模并进行旋转机架运动学仿真,获得主动齿轮输出力矩并得到齿轮齿圈齿面承受载荷范围;利用ANSYS软件完成齿轮齿圈静力学仿真并获得齿面承受载荷分布规律。(2)通过对齿轮齿圈接触模型简化并结合齿轮啮合原理,获得齿轮啮合过程中运动参数变化规律;结合弹性力学、流体力学和齿面磨损等理论,建立齿轮二维等温线接触弹流润滑模型,利用多重网格技术进行齿面弹性变形和压力迭代计算,研究工况参数对齿面润滑状态影响规律,分析齿面摩擦系数在不同工况下的分布规律。(3)考虑粗糙度对齿面润滑的影响,首先建立三维等温线接触弹流润滑模型,利用快速傅里叶变换法进行压力迭代计算,得到光滑齿面油膜压力和膜厚三维分布,其次利用齿面粗糙度随机生成齿面三维形貌,获得粗糙齿面油膜压力和膜厚分布,最后分析粗糙度对齿面润滑的影响规律,得到粗糙齿面摩擦系数分布。(4)考虑空化效应,建立齿面织构化弹流润滑模型,进行齿面织构设计,研究织构类型、几何参数等对织构化齿面减摩特性的影响规律,计算得到低速重载工况下,减摩效果最佳的一组织构参数,分析最优织构参数下齿面摩擦系数分布规律,通过对比织构齿面与粗糙齿面摩擦系数分布,验证了织构化齿面设计来改善齿面润滑状态和降低摩擦系数的合理性和正确性。本文针对齿轮在低速重载工况下齿面润滑状态展开研究,利用微织构技术来改善旋转机传动齿轮齿面润滑状态和降低齿面摩擦。这种方法可提高离子治疗系统旋转机架运动的可靠性,为低速重载齿轮减摩擦设计提供一定理论支持。

关键词： 风电机组   齿轮箱系统   故障预警   状态切分   时序预测  

摘要： 在“双碳”目标和“十四五规划”的政策激励下,风力发电技术不断快速发展,正在逐步成为中国的主力能源之一,单机容量和成本也不断增加。而风电机组常处于恶劣的工作环境,一旦机组发生严重故障,会造成较高的经济效益损失。齿轮箱系统是风电机组中重要子系统,准确预警风电齿轮箱系统的早期故障可以有效提升风电机组的运行效率,降低齿轮箱系统的严重故障率,延长其使用寿命。风电机组监控与数据采集(SCADA)系统采集的数据可以反映整机及部件的健康状况。然而,风电齿轮箱结构复杂、且运行工况多变,采用SCADA数据对其早期故障预警的精度不足,针对此问题,本文主要工作内如下:(1)分析了风电齿轮箱系统和齿轮箱润滑冷却系统的运行原理及故障类型,指出机械类故障和润滑冷却系统故障皆会影响齿轮箱的正常运行,且多会影响齿轮箱系统的温度,而风电机组SCADA数据为多元时间序列数据,基于多元时间序列数据进行齿轮箱系统的温度预测,能够实现对齿轮箱系统的有效故障预警。(2)构建了风电齿轮箱运行策略划分模型。风电机组齿轮箱系统运行工况多变,不同工况对齿轮箱系统的温度有不同的影响。基于对润滑冷却系统的运行机理分析,本文将DBSCAN算法和K-Means算法相结合,对SCADA数据进行聚类划分,以识别出控制不同策略之间的转换条件,进而构建齿轮箱系统工作策略实时识别模型。(3)建立了风电齿轮箱系统温度预测模型。基于SCADA数据聚类划分结果,利用时间卷积网络构建了不同运行策略下的温度预测模型库,通过实时识别运行策略,动态切换相应的温度预测模型,实现对齿轮箱系统温度的预测。(4)实现了风电齿轮箱系统故障预警。基于机组健康运行数据实际值与预测值的残差,通过构建风电机组齿轮箱温度异常预警指标,设置自适应预警阈值,实现了齿轮箱系统的故障早期预警。

关键词： 动刚度   齿面微观形态   时变中心距   动力学特性   波动系数  

摘要： 齿轮传动比稳定、传动精度高、传动效率高、应用范围广,且齿轮广泛应用于工业机械、汽车应用和航空航天工程等领域,是动力传动的关键部件。因此,有必要对齿轮相关指标进行研究。在齿轮研究中,先前学者几乎都是从宏观层面分析而忽略了齿轮轮齿表面的微观形态,且对齿轮系统进行动态分析时将齿轮中心距视为恒定值。在齿轮系统传动中,这显然不符合真实性。基于此,论文中做了以下研究内容:(1)齿轮模型的建立和动刚度的计算:本文中,基于标准渐开线直齿圆柱齿轮,将轮齿等效为悬臂梁,在有限元软件ANSYS中选取Beam54单元,使用参数化编程语言对齿轮进行有限元建模;在FORTRAN语言环境中使用参数化编程语言对齿轮进行理论建模。根据提出的动刚度计算模型,采用Newmark方法求解任意时刻的动态位移,再运用刚度定义式求解齿轮动刚度。求解过程需要组装全局质量矩阵、全局刚度矩阵和全局阻尼矩阵并求解时间步长。利用有限元法和能量法进行了对比验证,证明了动刚度模型的合理性。(2)考虑齿面微观形态和时变中心距:同时考虑齿轮轮齿表面的微观形态(表面粗糙度)和齿轮系统的中心距变化。文中重点探讨轮齿表面粗糙度和时变中心距对齿轮系统齿隙的影响。采用分形理论来模拟齿面的微观形态。推导了基于分形理论的表面粗糙度高度值公式(分形齿隙)和齿轮系统时变中心距公式。先前学者对W-M函数的修改几乎没有考虑齿轮啮合过程的周期性物理意义,而是简单根据总时间或总位移来计算齿轮轮齿表面粗糙度,基于此,我们在分形理论公式中引入了mod函数来填补这个空缺。(3)齿轮动力学模型的建立:为研究齿轮传动系统的动力学特性,在同时考虑恒定驱动力矩激励,恒定负载力矩激励,齿轮齿隙,支撑轴承,支撑阻尼和重力等因素,根据能量原理,运用拉格朗日定理,推导建立了考虑齿轮齿隙的五自由度和六自由度齿轮系统扭振非线性动力学模型。给出了研究分析的假定条件,考虑了齿轮副啮合阻尼,为方便计算,忽略了齿面摩擦。非线性动力学模型采用龙格库塔方法求解,时间步长采用定步长。(4)齿轮系统动力学特性的研究:根据上述的非线性动力学模型,分别在时域和频域内对比了不同刚度模型和不同分形齿隙对齿轮系统动力学特性的影响。主要通过对齿轮系统动态传动误差(DTE)的扫频图、DTE的分岔图、特定转速的DTE图、DTE变化速率图、小齿轮振动响应图、频域图和相图来表示。结果表明:动刚度模型对齿轮系统动力学特性的影响总体上大于静态刚度模型;由于齿轮齿隙的存在,齿轮系统会发生跳跃现象,且这种现象是静态刚度模型滞后于动刚度模型;转速越大,齿轮系统周期运动数越少;转速越大,小齿轮振动响应越显著;在低转速时,分形齿隙对齿轮系统DTE有显著影响,且随着分形齿隙的增大,系统DTE增大;在高速时,分形齿隙几乎没有影响。基于五自由度动力学模型,还探讨了不同波动系数DD对模型DTE的影响图。发现波动系数DD对齿轮系统DTE有显著的影响,并且随着波动系数DD的增大,系统DTE的波动幅度随之增大。

关键词： 航空发动机齿轮   耐久性分析   变工况   多激励   优化设计  

摘要： 航空发动机是航空器飞行的主要动力源,其重要性不言而喻。作为现代航空运输的核心,发动机的运行性能、可靠性和节能效果对飞行安全、经济效益以及环境保护都有显著影响。齿轮作为航空发动机传动系统的主要零部件,往往工作在极端工况下,包括高温、高压、高转速、振动等,承受载荷大,应力情况复杂,因此在航空发动机的相关研究中,对变工况与多激励条件下齿轮传动的耐久性分析是研究航空发动机传动性能至关重要的一环。本文旨在探讨某型号航空发动机系统中齿轮传动的耐久性,以疲劳寿命作为衡量标准,考虑到变工况多载荷条件及齿轮副制造安装误差、宏观参数、微观修形等多种激励,具体研究内容如下:(1)通过对齿轮误差模型进行有限元分析,研究不同精度等级(如无偏差、6级、7级)对应的齿廓误差、螺旋线误差、齿距误差、安装误差对圆柱直齿轮传递误差和接触应力的作用规律。结果显示,齿轮的传递误差和接触应力受到齿廓误差、螺旋线误差、安装误差的直接影响,其中,安装误差的影响最为显著,其次是齿廓误差与齿距误差,且总体呈现精度等级降低、接触应力和传递误差幅值增加的趋势,但螺旋线误差几乎不会对直齿轮接触强度造成负面影响。(2)从疲劳分析的基础理论出发,计算正交设计试验中不同宏观参数(模数、齿宽、齿数和压力角)下齿轮的疲劳寿命,研究各参数不同取值对齿轮耐久性的影响规律,利用极差法和相关性分析方法进一步探讨不同参数对齿轮耐久性的影响程度并选择最佳齿轮结构参数。结果显示,压力角和齿宽对齿轮应力和耐久性的作用较为显著,而且具有一定的单调性;齿数和模数对齿轮应力和耐久性的影响在给定的参数范围内小幅度波动。(3)为降低齿轮传动系统的传递误差,采用复合修形设计对正交组合的样本点进行有限元仿真,运用响应面代理模型构建齿轮修形参数与齿轮传动耐久性之间的函数关系,并通过遗传算法计算最佳修形参数;同时,对各修形参数之间的交互作用进行研究。结果表明,齿轮疲劳寿命随修形参数数值的增加呈现先增大后减小的趋势,且修形优化后的齿轮承载能力和耐久性都有显著提升,齿轮的传递误差值也大幅降低。(4)基于航空发动机直齿圆柱齿轮的虚拟载荷谱,结合马尔科夫链理论与MCMC理论模拟生成用于齿轮疲劳寿命评估的全寿命周期载荷数据。通过雨流计数法提取采集到的扭矩载荷信息,对均幅值建立联合概率密度函数并得出一维程序载荷谱,在n Code软件中结合Miner理论和S-N曲线对齿轮进行疲劳寿命评估,与传统的名义应力法计算结果相比,相对误差低于3%,证明了该方法的有效性和准确度。

关键词： 齿轮箱   数据驱动   故障诊断   状态趋势预测  

摘要： 齿轮箱是旋转机械的主要动力传递设备,工作环境越恶劣,齿轮箱发生故障的概率越大,进而影响整个机械系统的可靠性和安全性。因此,对齿轮箱进行故障诊断和状态监测研究对于确保机械系统稳定运行具有重要意义。由于振动信号能够最直接有效地反映其运行状态,因此本文在基于振动信号的处理层面,对齿轮箱故障振动信号的除噪、特征提取、故障模式识别以及状态趋势预测进行了探索。在此基础上,论文的主要工作及取得成果如下:(1)针对在实际工况中齿轮箱的振动信号非平稳、非线性且高频噪声分布较多的问题,构建了基于EEMD和SVD的齿轮箱振动信号降噪模型。首先,利用EEMD叠加白噪声的信号预处理过程,抑制了齿轮箱振动信号中脉冲噪声的影响,并克服了EMD的模态混叠的问题,然后利用SVD对分量中残余的白噪声进行二次除噪,可以进一步地有效消除高频噪声和白噪声的遗留,实现了EEMD和SVD的优势互补。通过利用实际工作环境下齿轮箱振动信号的降噪实验,证明本文所建立的方案能有效降低齿轮箱原始振动信号的噪声。(2)针对传统单一的LSSVM模型在分类过程中结果易受惩罚因子和核函数的影响,提出基于小波包变换和改进LSSVM的齿轮箱故障诊断方法。通过小波包变换及其能量分布对故障振动信号进行特征提取,然后利用Morlet小波和PSO算法对LSSVM的惩罚因子和高斯核因子进行优化。充分利用Morlet小波在解空间中变换局部解频率更高的特性使PSO算法克服了易陷入局部极值的问题,利用被扰动后的PSO算法对LSSVM的参数进行寻优。通过大量实验表明,改进后的LSSVM分类模型具有更高的齿轮箱故障分类精度,比ELM精度高出9.21%,比BP高出7.14%,对比实验表明本文所建立的模式识别模型优于现有的方法。(3)为了提高齿轮箱振动信号状态趋势预测效率,降低预测误差,研究了基于遗传算法优化LSTM的预测模型,利用遗传算法的全局优化能力对LSTM的神经元个数、训练次数以及学习率进行自适应地组合优化,将预测值和实际值之间的关系构造为适应度函数,以降噪后的振动信号作为输入,对后续的振动状态趋势进行预测。并分别与SVR、ELM、RNN预测模型以及现有方法进行对比。实验证明,本文所建立的齿轮箱振动状态趋势预测模型的均方根误差、平均绝对值误差、平均百分百误差以及均方误差均最小,表明模型的预测精度更高,模型性能更好。

关键词： 纯电动汽车   双电机驱动系统   双行星齿轮排   参数优化   能量管理策略   模式切换控制  

摘要： 随着可持续发展观念的不断深入,新能源汽车已成为汽车行业未来的发展趋势。作为新能源汽车中销量最高的类型,纯电动汽车的相关技术正在迅速发展。尽管电池技术的进步已经显著延长了电动汽车的续驶里程,但目前广泛采用的单电机—减速器驱动系统存在综合效率低、电机功率需求偏高等问题。为了进一步提升电驱动系统的动力性和经济性,本文提出了一种新的基于双行星齿轮排的双电机驱动系统。该驱动系统通过双行星齿轮排实现了双电机的功率耦合,具有两种单电机模式、一种转矩耦合模式和一种转速耦合模式。该驱动系统不仅能够通过合理选择工作模式提高经济性,还能够利用转矩耦合和转速耦合模式拓展驱动系统的工作区域,提升驱动系统的动力性。此外,该驱动系统还可以通过转速或转矩补偿的方式避免模式切换过程中的动力中断,提高舒适性。本文从参数优化、能量管理和模式切换控制等方面入手,对基于双行星齿轮排的双电机驱动系统展开深入研究,主要研究内容如下: （1）研究了基于双行星齿轮排的双电机驱动系统的工作原理和工作模式,建立了不同复杂程度的驱动系统模型。利用杠杆法建立了传动系统的稳态模型,分析了每种模式下功率耦合装置的功率流向,确保不存在功率循环现象。基于电机效率图的缩放及传动系统的效率建立了驱动系统的能耗模型,用于驱动系统的参数优化和能量管理。基于拉格朗日方程建立了驱动系统的二自由度模型和考虑传动轴柔性的五自由度模型,为模式切换控制策略的研究提供基础。 （2）优化了双电机驱动系统参数,提升了电驱动系统的动力性和经济性。建立了双电机驱动系统的参数优化模型,采用多目标优化算法,以动力性和经济性为优化目标,优化了不同构型的双电机驱动系统参数。为了提高经济性指标的计算效率,提出了最小平均能耗的概念。仿真结果表明,以最小平均能耗作为优化目标有效提升了系统的性能,并显著地提高了优化效率。与转矩耦合式双电机驱动系统相比,基于双行星齿轮排的双电机驱动系统在优化后降低了5.02%的能耗和14.56%的电机峰值功率。 （3）研究了双电机驱动系统的能量管理策略,分别提出了基于规则的控制策略和预测性控制策略。基于规则的控制策略采用瞬时功率最小法优化工作模式和电机功率分配。预测性控制策略利用马尔科夫链原理预测了未来车速信息,通过双层算法优化工作模式、电机功率分配和电机转速变化。仿真结果表明,双层算法具有比动态规划更高的计算效率;与基于规则的控制策略相比,基于双层算法的预测性控制策略能够降低电机能耗和制动器动作频率,约束电机转速变化幅度。 （4）针对基于双行星齿轮排的双电机驱动系统研究了无动力中断的模式切换控制策略。将模式切换过程解耦为转矩转移阶段和转速调节阶段。转矩转移阶段旨在保持驱动系统的输出转矩恒定,采用前馈控制实现电机和制动器间的转矩转移。转速调节阶段以保持输出轴角加速度恒定为目标,采用带有积分的带积分的线性二次型调节器实现电机转速的跟踪。采用自适应状态观测器估计制动器静摩擦转矩以获取转矩转移阶段的电机的终端转矩。仿真结果表明,所提出的模式切换控制策略能够完成无动力中断的模式切换,将整车冲击度降低至1 m/s3以下。 （5）设计并建立了基于双行星齿轮排的双电机驱动系统的原理验证台架,验证了提出的模式切换控制策略。根据最优的功率耦合装置参数,设计并加工了功率耦合装置的原理样机,并在此基础上完成了试验台的搭建。完成了所有的模式切换控制试验,结果表明所提出的控制策略能实现所有模式间无动力中断的模式切换。

关键词： 高精密微型齿轮泵   流场特性   数值模拟   卸荷槽   径向间隙  

摘要： 高精密微型双向齿轮泵是应用在电液执行器中的关键动力元件,以高加工精度、高流场性能与微型体积排量实现机械、电力行业中高标准的工程实际需求。针对实际工况中存在的高压下径向磨损、振动以及流量精度不满足预期等问题,从齿轮泵困油、空化等流场特性入手,基于CFD数值模拟方法对齿轮泵性能影响关键的卸荷槽结构和径向间隙进行优化,以满足高效稳定精准的工程实际需求。 本文完成的主要工作如下: (1)以流体动力学数学模型为基础,建立高精密微型双向齿轮泵CFD数值模拟方法,并通过试验验证其准确性与可靠性。该方法以扫略网格的应用和网格无关性验证为建模基础,利用动网格技术实现瞬态模拟,验证适配的RNG k-ε湍流模型、多相流模型以及Zwart-Gerber-Belamri空化模型。通过试验和仿真在不同工况下输出流量的对比,证明了所建模型和数值模拟方法对实际工况有良好的预测效果,验证了利用数值模拟进行后续优化设计的可行性。 (2)建立多流场特性评价指标,研究卸荷槽间距对齿轮泵流场性能的影响。以可视化分析方法分别探究卸荷槽间距对困油现象、空化现象以及流量品质的影响规律。采用多目标优化方法确定各指标权重,通过流场特性评价卸荷槽间距对齿轮泵性能的影响大小并得到最优间距。进一步分析吸、排油腔的相通原理得到最优解的判定依据,从而达到降低振动、缓解气蚀、提高流量精度的工程需求。 (3)探究径向偏心状态下径向间隙对多目标流场特性的影响。结合数值模拟和理论公式,在考虑油膜支撑、困油压力以及流体粘度的影响下,求解径向不平衡力。证明了齿轮发生偏心后径向间隙处发生动压润滑和径向微运动现象,并得到径向间隙量对流量品质、径向力和功率损失的影响规律,通过层次分析法确定了满足低磨损、高流量精度要求的径向间隙取值范围。 本文所得规律和优化结果为降低齿轮泵振噪、延长寿命与提高流量精度等提供了理论依据,所运用的研究方法对相关结构设计具有一定指导意义。

关键词： 风电齿轮箱   共振稀疏分解   无监督稀疏滤波   多模态特征融合   机电信息融合   故障诊断  

摘要： 齿轮箱作为风电机组的重要传动装置,其内部结构复杂,包括轴、轴承和齿轮等多个零部件,由于长期工作在低工作转速、重载荷、交变载荷作用以及强阵风冲击等复杂工况下,故障发生率较高,严重影响风力发电的经济效益和社会效益。齿轮箱一旦某个部件出现故障,将可能引发连锁反应,导致整个机组停机,造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。因此,研究风电齿轮箱的健康监测与故障诊断技术,对各部件的运行状态进行实时监测,掌握运行过程中的状态信息,及时发现故障隐患,采取有效措施避免重大事故的发生,可以有效降低运行维护成本,提高风电产业的经济效益。论文针对风电齿轮箱故障诊断的需求及难点问题,借鉴信号处理、机器学习和数据挖掘领域的最新理论技术,研究基于数据驱动的风电齿轮箱故障诊断方法,为实现其故障特征提取、微弱故障检测和智能诊断提供技术支持。本文完成的主要工作如下:(1)针对信号共振稀疏分解(Resonance-Based Sparse Signal Decomposition,RBSSD)方法中因字典单一导致其在处理低信噪比信号时存在分解不完全的问题和因参数繁多选取困难使其在实际工程中存在应用局限的问题,提出多字典-共振稀疏分解(Multi-Dictionary RBSSD,MD-RBSSD)方法。该方法在RBSSD调Q字典的基础上添加了symlet8字典和正弦字典,通过对RBSSD分解后的低共振分量进行再次分离从而实现对故障脉冲的增强提取。同时,引入相关峭度指标对提取结果进行量化评价,以验证分解结果的可靠性。并通过算法仿真、实验分析和工程案例数据对所提方法的有效性进行了验证。(2)针对故障样本缺乏及难以从原始信号中提取有效的故障特征,同时考虑到振动信号固有的多尺度特性,提出基于多尺度稀疏滤波的故障特征学习方法。该方法旨在从原始信号的多个时间尺度上去捕获互补的故障模式特征。首先,原始振动信号被分解成若干个子尺度序列,然后稀疏滤波网络被用来从不同尺度序列中学习故障特征;最后,将学习到的不同尺度特征用来训练支持向量分类器,来得到故障诊断的目的。通过电机轴承和风电齿轮箱故障诊断案例对提出方法的有效性进行了验证。(3)针对复合故障特征交叉耦合、诊断难度大等问题,同时考虑到时域、频域和时频域不同模态信息的互补性,提出基于多模态特征学习与融合的复合故障诊断方法。首先,构造齿轮箱振动信号的时域、频域和时频域多模态表示,然后设计单模态特征学习网络,分别从三种不同模态的表示中自适应提取故障特征,最后通过注意力机制实现多模态特征的自适应加权融合。通过风电齿轮箱轴承复合故障诊断实验对所提出的方法进行了验证和分析,并与传统的单模态特征学习方法和简单的融合策略进行了比较。(4)针对单一振动信号信息有限难以实现对齿轮箱状态的准确描述的问题,基于信息融合的思想,提出基于多任务协同学习的机电信号融合故障诊断方法,旨在学习振动和电流信号中的互补诊断特征信息。首先,针对振动和电流信号的特性,设计卷积特征学习网络自动从原始信号中学习到有用且互补的特征,然后通过度量学习的辅助任务来约束同类样本类内距离减小,以此来增强所学习到的特征的判别能力,提高故障分类主任务的性能。通过风电齿轮箱机电信号融合故障诊断实验对所提出的方法的可行性和有效性进行了验证。