关键词： 机车齿轮   齿根裂纹   动态响应   车轮多边形   钢轨波磨   应力强度因子  

摘要： 齿轮传动系统作为机车最为主要的部件之一,在复杂的工作环境中容易引发裂纹的萌生扩展甚至断齿等一系列行为,有可能造成严重的事故和经济损失,因此研究含齿根裂纹齿轮传动系统的动力学特性以及裂纹扩展机理的对齿轮传动系统的安全运行有重要的理论意义和工程价值。本文主要研究内容如下:首先,基于势能法求解健康齿轮和齿根裂纹故障齿轮的时变啮合刚度,分析了不同裂纹参数时的单齿啮合刚度与双齿啮合刚度的变化规律,得出啮合刚度随着裂纹深度和角度的增加呈下降趋势;建立6自由度齿轮传动系统动力学模型,将不同裂纹扩展深度下齿轮时变啮合刚度代入动力学方程进行求解得到传动系统的振动特性,得出裂纹故障使得传动系统出现周期性振动冲击,且随着裂纹深度的增加振动冲击加剧;对时域信号进行分析,计算不同统计指标对不同故障程度的敏感度,得出脉冲因子对裂纹故障特征较为敏感。其次,运用ABAQUS有限元软件建立传动系统有限元模型,分析不同中心距误差和齿面摩擦系数内部激励作用下齿轮传动系统接触特性,得出存在最佳装配中心距减小啮合冲击,齿面摩擦系数对传动系统接触特性影响较小;利用动力学仿真软件建立机车多体动力学模型,选取不同阶数车轮多边形和不同波深的钢轨波磨得到不同工况下从动齿轮振动位移,将其作为外部激励施加到有限元模型中求解传动系统接触特性,得出轮轨激励的存在使得传动系统振动加剧,含裂纹齿齿面接触力和裂纹尖端应力增加,轮齿断裂风险增加,影响机车运行安全性。最后,分析不同裂纹扩展深度时齿轮的固有特性,得到固有频率比随裂纹深度的变化,为齿轮箱体等其余部件的设计提供参考;运用围线积分法求解齿根裂纹应力强度因子探究齿根裂纹扩展机理,通过改变载荷的大小与施加位置模拟不同接触状态;在ABAQUS中采用扩展有限元法模拟齿根裂纹的扩展路径,通过提取PHILSM值进行裂纹面重构,求解裂纹扩展深度变化规律。

关键词： 齿轮箱   多信息融合   测点优化   模型压缩   故障识别  

摘要： 齿轮传动系统作为机械设备中最为常用的传动系统,广泛应用于风力发电、航空航天、石化冶金、轨道交通、武器装备等领域。由于其结构复杂、运行环境恶劣,齿轮箱容易出现各种类型的故障,若不能及时有效地对齿轮箱进行状态监测与故障识别,随着故障的加剧,关键装备中齿轮传动系统的失效可能会导致重大的安全事故和经济损失,同时随着现代工业的发展,对设备的状态监测与故障识别提出了更精确、更快、更智能的要求。因此对齿轮箱状态监测和故障识别方法的研究始终是一个热点,也是实际工业应用中关注的焦点之一。在实际工业场景中,针对齿轮传动系统的状态监测和故障识别依然存在许多难题,例如,齿轮箱多振动信息难以有效融合、传感器布放存在冗余,这都使得齿轮箱的故障识别达不到预期效果。近年来,人工智能和深度学习理论被越来越多地应用于机械设备故障识别领域中,并取得了不错的效果。因此本文以卷积神经网络为基础,同时结合信息融合相关理论,面对实际工业场景中故障识别的多振动信息融合、测点优化、模型压缩问题进行研究,具有重要的学术意义和工程价值。论文的主要研究工作包括:1针对齿轮箱多振动信息难以有效融合同时模型故障识别能力不足的问题,基于集成学习原理,构建了多信息融合故障识别网络模型,提出了多个单信息源网络单元提取特征和一个多特征网络单元融合特征的学习模式,实现了多信息源故障特征的提取和状态识别,实验分析结果表明该方法增强了故障状态特征的表征能力,提高了故障识别精度。2针对齿轮箱内部结构复杂、空间紧凑,传统设备监测方法测点布放多而散、测点选取手段缺乏的问题,考虑测量位置、传感器数量对设备状态表征能力以及故障感知精度限制较大,基于特征选择优化理论,综合过滤法计算成本低和包裹法性能优越的优势,提出了基于多信息融合故障识别网络的后向搜索测点优化方法,实验分析结果表明该方法能有效地选取冗余性低、识别精度高的测点,提供了一种时间复杂度低、测点少而精的测点优化手段。3针对实际工业环境中边缘设备存储空间有限、计算能力弱、实时性要求高,导致大模型部署应用存在限制的问题,采用知识蒸馏和模型量化技术,提出网络模型多维压缩方法,从网络结构和权重参数类型两个维度对本文提出的多信息融合故障识别网络分级压缩,实验分析结果表明与未压缩前相比,模型占用空间下降、计算速度加快,同时其故障识别精度损失较小,提高了本文所提多信息融合网络的工程实用性。4为了验证本文提出的多信息融合故障识别网络的有效性,设计并搭建了传动齿轮箱实验台,模拟了四种摩擦片齿轮故障,完成了多故障类型、多测点的振动信号采集,构建了摩擦片齿轮多信息源故障样本集;进一步对本文提出的方法从模型识别精度、测点优化结果和模型压缩效果三个方面进行了验证与分析。

关键词： 行星齿轮传动系统   变位齿轮   动态特性   振动实验  

摘要： 变位行星齿轮传动系统被广泛应用于航天航空、船舶重工、矿山机械等领域,但由于变位后轮齿的齿侧间隙发生变化,导致其振动和噪声不稳定,而轮齿间载荷是产生振动与噪声的原因之一。目前,对变位行星齿轮传动系统载荷分布规律的研究较少,本文以NGW-11变位行星减速机为研究对象,针对变位行星齿轮传动系统由于制造误差和安装误差,以及构件的变形等因素的影响,使得轮齿的工作齿廓间产生过大或过小的间隙,导致行星传动系统振动大,噪声大的问题,开展了变位行星齿轮传动系统建模及实验研究。本文主要研究内容如下: （1）结合变位行星齿轮的结构特点,基于有限元法,开展变位行星齿轮传动系统时变啮合刚度研究。讨论中心距的变化对变位行星齿轮轮齿时变啮合刚度的影响规律,结果表明:行星轮内啮合的时变啮合刚度与中心距的变化成正比,行星轮外啮合的时变啮合刚度与中心距的变化成反比。 （2）开展纯扭工况变位行星齿轮动力学建模与仿真研究是建立变位行星齿轮传动系统复杂模型的基础。基于转子动力学理论,考虑时变啮合刚度和行星轮的偏移,建立纯扭工况变位行星齿轮传动系统的五自由度动力学模型,采用龙塔库特法分析行星轮在不同偏移情况下对变位行星齿轮传动系统振动特性以及载荷分布特性的影响规律,分析结果表明:行星轮标准安装时系统的振动位移与偏移后的振动位移相差0.5×10-3mm,几乎没有变化;对于载荷特性,偏移后的幅值和平均值略微增加,是标准值的1.2倍。 （3）针对由于综合误差的激励导致行星齿轮传动系统呈现出复杂的振动和冲击响应的问题,开展综合误差下变位行星齿轮传动系统动力学建模与仿真研究。综合考虑时变啮合刚度和行星轮的偏移,各齿轮的安装误差和偏心误差,轴承的支撑刚度以及由于太阳轮和行星轮浮动引起的内外啮合线上的侧隙改变量,建立综合误差下变位行星齿轮传动系统的十五自由度动力学模型,分析行星轮在不同偏移情况下对变位行星齿轮传动系统动态特性的影响规律,分析结果表明:行星轮偏移后载荷的幅值为261k N比标准值大10k N,平均值为23k N与标准值一致。将变位行星齿轮传动系统综合误差下的动态特性与纯扭工况的动态特性进行对比分析,结果表明:综合误差下载荷的幅值由纯扭工况的284N增大到251k N,平均值由97N增大到21k N。 （4）为了验证理论研究的有效性,开展行星减速机传动系统振动实验研究。依据振动测试原理,搭建行星减速机传动系统振动测试实验平台,得到变位行星齿轮传动系统的振动响应,将实验结果与仿真分析结果进行对比分析,分析结果表明:实验结果振幅的变化趋势与仿真分析结果中振幅的变化趋势相似,验证了仿真结果的有效性。

关键词： 齿轮箱   振动噪声   轴系柔性效应   转子效应   低噪声设计  

摘要： 低振动与低噪声品质是现代装备发展的一个重要目标和特征。齿轮传动装置作为机械装备的重要基础件,被广泛应用于汽车、机床、风电、化工等领域,其振动特性和噪声水平直接影响机械装备的运行品质和服役性能,进一步关系到机械装备的产品竞争力和经济效益。齿轮系统工作状态极为复杂,由于受到多种来源激励的作用产生振动噪声,严重影响装备的使役性能。因此,深入系统地研究如何准确预测齿轮箱的振动噪声,探明影响齿轮箱振动噪声的主要因素,并在此基础上实现有效控制具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文对传统的齿轮箱振动噪声分析方法进行了改进,提出了一种考虑轴系柔性效应的齿轮箱振动噪声分析方法,通过试验验证了该方法的有效性;基于该方法系统地分析了轴系构形参数对齿轮箱振动噪声的影响规律;进一步提出了适用于中高速下考虑转子效应的齿轮箱振动噪声分析方法,探明了连续工况下不同激励因素对齿轮箱振动噪声的作用规律;提出了考虑系统构形-箱体的齿轮箱整体低噪声优化设计方法,运用该方法对二级齿轮箱进行了低噪声优化设计,实现了辐射噪声的有效控制。本文主要的研究内容如下: (1)为了能获取更为准确的轴承响应以预测齿轮箱的振动噪声,采用广义有限元法建立了通用的齿轮传动系统模块化动力学模型。在系统激励方面,采用改进的能量法对齿轮啮合刚度进行了精细化计算,该方法综合考虑了齿根圆与基圆不重合、轮体弹性、齿间结构耦合的影响。以二级平行轴齿轮传动系统为对象,研究了齿轮传动系统的固有特性,发现齿轮传动系统振型不仅包括齿轮副的扭转振动与平移振动,还存在传动轴的横向弯曲振动形式。开展了齿轮传动系统振动响应试验,将其与理论结果进行了对比,验证了所建模型的有效性。 (2)提出了通过齿轮系统模块化动力学模型计算轴承动载荷,并以该载荷为激励,采用有限元结合声学边界元法计算齿轮箱振动噪声的方法。以二级齿轮箱为对象,阐述了齿轮箱振动噪声分析方法的实现流程与途径。探究了轴系柔性效应和工况参数对轴承动载荷和齿轮箱辐射噪声的影响。研究发现:考虑轴系柔性效应后系统新增了轴系弯曲振动模式,导致系统振动能量增加,箱体主要共振模式发生改变。开展了齿轮箱辐射噪声试验,验证了分析方法的有效性。 (3)深入系统地分析了传动轴刚度、齿轮安装位置与轴位角等轴系构形参数对齿轮箱振动传递特性与辐射噪声水平的影响规律。研究发现:随着传动轴刚度的递增,轴承动载荷波动幅值呈缓慢上升趋势,由于箱体的主要共振模式发生改变,齿轮箱场点噪声分布也发生变化;齿轮副安装位置变化不会改变轴承动载荷的激励频率成分,但会使激励频率成分幅值发生变化,齿轮箱各场点噪声分布情况不变;轴位角的改变影响了轴承动载荷分配情况与对应的箱体结构尺寸,随着轴位角的增加齿轮箱场点噪声分布表现为顶部场点噪声增加,两侧场点噪声逐渐降低趋势。以上研究结果为齿轮箱的低噪声设计提供了理论指导。 (4)为了提高齿轮箱振动噪声分析方法在中高速下的计算精度,推导了由初始弯曲、进动、齿轮几何偏心产生的附加不平衡力,将其参与到齿轮系统模块化动力学模型中,形成了考虑转子效应的齿轮箱振动噪声分析方法。探究了不同工况条件下进动效应与齿轮几何偏心对齿轮箱振动噪声的作用规律。研究表明:当转速大于3000 r/min时,振动噪声分析模型中需要计入进动效应的影响;随着转速的升高,进动效应引起系统动载荷与箱体辐射噪声增加,同时出现峰值转速增加与共振区偏移现象;齿轮几何偏心引起系统振动与辐射噪声增加且出现边频调制现象。 (5)提出了一种综合考虑系统构形-箱体的齿轮箱整体低噪声优化设计方法,该方法以齿轮基本参数和轴系构形参数为设计变量,通过Kriging代理模型技术建立了系统的振动-噪声-质量多目标联合优化数学模型,并运用遗传算法得到了最优设计参数,从而减小齿轮箱内部动态激励来初步降低齿轮箱的振动噪声。在此基础上,依据声学贡献量分析确定了箱体优化设计区域,建立了基于可变肋板模型的噪声响应优化数学模型,通过遗传算法获得了满足质量要求且辐射噪声最小的肋板布局参数,对箱体进行结构设计以进一步降低齿轮箱的辐射噪声。运用该方法对二级齿轮箱进行了整体低噪声优化设计。结果表明,整体低噪声优化设计后,整个声场的辐射噪声均有所降低,顶部场点上的有效声压级降低了13.15dB,各场点优化噪声比例均在10%以上,设计方法效果显著。

关键词： 齿轮故障智能诊断   共振稀疏分解   二代小波   深度强化学习  

摘要： 煤炭是我国主体能源特色产业,在社会经济发展中处于核心地位,对于矿用设备的要求也随着社会的发展逐渐提高。随着设备的组成结构越来越复杂并且故障产生的风险也逐渐变多,对于设备的安全性问题以及维修保障方面的问题也被重视起来。在矿用设备中,采煤机的重要性不言而喻,在采煤机被投入使用之前,设计质量与制造质量必须符合标准,同时还要保证其全寿命周期内的品质达标,也就是保证采煤机达到良好的可用性水平。由于在制造水平、材料和费用这几个方面都有一定的限制,因此矿用设备的可靠性不能被无限制地提高,所以设备想要达到良好的可用性标准就不得不提升对设备的维修水准,这样其维护困难、维护费用高涨等问题也随之解决。在采煤机摇臂中,齿轮是极易出现故障的关键部件之一,对齿轮的故障特征进行研究可以准确了解摇臂系统目前的状态等,这具有特别重要的理论和现实意义。 为了提高对采煤机摇臂齿轮箱的故障智能诊断的效率及准确率,以采煤机摇臂齿轮箱高速区直齿圆柱齿轮为例,研究了高速区直齿轮的故障智能诊断方法。首先分析了齿轮作为齿轮箱中最容易受损的零部件,其裂纹故障更容易发生,接着对高速区直齿轮进行了静力学分析得到齿轮基本参数,针对齿轮故障信号的振动特性,分析了齿轮轮齿的啮合刚度情况及不同裂纹深度及不同裂纹扩展角度对刚度的影响。同时建立齿轮动力学模型,根据仿真分析说明齿轮在正常情况下与故障情况下的早期故障特性,接着提出一种基于融合共振稀疏分解的二代小波特征提取方法,解决了采煤机工作环境恶劣情况下齿轮特征提取不明显的问题,先通过稀疏分解的方法将原始信号分解成高,低共振分量以及残差分量,再对包含着故障特征的低共振信号进行故障特征提取,对提取后的信号利用二代小波再次进行过滤提取,从而得到信号的特征频率,并结合仿真实验说明其可行性。 对振动信号特征提取分析之后,提出利用深度学习融合强化学习的齿轮故障诊断方法。对比原有卷积神经网络的识别效率,该方法在原有的卷积神经网络模型基础上,加入强化学习算法提高特征提取效率,得到深度强化学习故障诊断模型,通过对模型进行网络训练,从而提升故障诊断的准确率,最后搭建模拟实验平台采集故障数据进行实验,进而验证了本文齿轮故障智能诊断方法的可行性。 该论文有图78幅,表26个,参考文献104篇。

关键词： 减速器   传动系统   时变啮合刚度   动力学建模   动态特性  

摘要： 行星齿轮传动属于复合齿轮传动领域,是一种过约束传动,常用于重要设备的核心环节,在传动过程中容易出现不均载、折断和裂纹等外部问题以及刚度激励、误差影响、啮合冲击等内部问题。现有文献对行星齿轮传动系统的研究大多都集中在研究系统故障诊断方法和均载特性等方面,关于传动系统本身动态特性的研究较少。因此,本课题以NGW型行星齿轮减速器中单级渐开线直齿圆柱齿轮行星传动系统为研究对象,采用模拟和理论相结合的方式,分别建立行星齿轮传动系统动力学仿真模型和平移-扭转动力学模型,分析了系统在不同驱动值和负载条件下啮合力的变化规律,并对在转速、偏心误差、齿廓偏差和齿侧间隙影响下的传动系统振动响应展开研究,得到了各影响因素下系统动态特性的变化情况。主要研究内容和主要结果如下:(1)采用有限元分析方法,分别对太阳轮和行星轮、行星轮和内齿圈啮合齿轮对单齿啮合时的啮合刚度进行仿真求解,对单齿啮合刚度进行叠加,求出多齿啮合时的啮合刚度,整理得到系统的综合啮合刚度;对行星齿轮传动系统进行了模态分析,得到该系统低阶固有频率和振型的变化情况,验证了模型和所求结果的有效性。(2)简化对传动系统动态特性影响较小的因素,建立渐开线直齿圆柱行星齿轮传动系统平移-扭转动力学模型,根据模型中的几何关系,推导得到系统动力学方程,为后续求解和研究齿轮系统动态特性奠定基础。(3)基于Hertz接触理论,建立NGW型行星齿轮减速器的虚拟样机,对传动系统中部分构件的速度和啮合齿轮接触力情况分别进行分析,得到传动系统中各物理量在时域和频域上的变化趋势,发现齿轮啮合力变化范围和周期随系统转速的变化而改变。(4)在MATLAB中建立系统动力学方程,调用ODE45函数对方程进行求解,基于分岔和混沌理论分析行星齿轮传动系统动态特性,得到特定条件下的时域图、相图、Poincaré截面图和快速傅里叶变换(FFT)频谱图。发现当改变太阳轮转速时,系统在中低速运转条件下基本保持周期运动状态,高速运转时运动状态开始发生变化;当改变相同转速下偏心误差、齿廓偏差或齿侧间隙值的大小时,系统表现出丰富的振动响应特征,为研究各误差因素下系统动态特性的变化趋势提供数据支撑。

关键词： 非圆齿轮马达   结构设计   运动学分析   输出特性分析   优化设计  

摘要： 非圆齿轮液压马达是一种新型的低速大扭矩马达,其具备单位排量大、运转平稳、抗油污能力强、容积效率高等特点。由于设计和加工难度大,导致该类马达在实际应用上受到制约。本课题以3-4阶非圆齿轮液压马达作为研究对象,针对轮系的本体结构设计、轮系的运动规律分析、马达的输出特性分析和马达的优化设计四个部分展开研究。首先,非圆齿轮液压马达的核心零部件为一组变中心距NGW轮系,通过分析非圆行星轮系的几何关系,给定满足轮齿均布条件的太阳轮节曲线,推导出了内齿圈节曲线需要满足的条件和内齿圈节曲线方程。根据刀具与齿坯间的纯滚运动关系和空间位置,建立坐标变换矩阵,通过包络法得到非圆齿轮液压马达核心零部件的三维实体模型。其次,通过对行星轮在运转过程中的运动规律分析,判别马达在运转过程中是否存在刚性冲击,对比了轴转型和壳转型马达行星轮的速度、加速度变化情况。结合配流盘的设计理论,得出马达各腔存在液压力矩时所对应的太阳轮转角范围。再次,在对轮系运动规律和配流规律分析的基础上,以角排量的脉动率作为衡量马达运转过程中的平稳性的物理量,分析对比了同参数水平下高阶椭圆和帕斯卡蜗线两种类型马达的运转平稳性。基于缝隙流动理论,推导了马达容积效率的计算式。考虑到液压液作用于太阳轮上的力,推导了更精确的马达输出扭矩公式。通过对非圆齿轮副重合度的分析,校验了马达是否存在困油现象。最后,基于三次设计理论对马达整个设计过程进行优化,以马达的平均排量为目标函数,马达的体积、行星轮半径、非圆齿轮副的重合度为约束条件,对节曲线施加误差扰动,通过对SN比的统计分析,得出各参数水平对误差扰动的贡献率,确定符合设计要求的最优的参数组合。本文通过对马达本体结构设计、输出特性分析和设计过程优化的分析,为该类马达的工程普及提供了理论依据。

关键词： 重载齿轮   渗碳淬火   多物理场耦合   相变参数   性能预测  

摘要： 渗碳淬火作为重载齿轮的关键热处理工艺,能够有效保障齿轮的表面强度、抗疲劳性能和服役寿命,被广泛应用于矿山机械、列车、风电、航空航天等领域。随着制造业的迅速发展,对于重载齿轮可靠性的要求越来越高,传统的“试错”式工艺评价手段已经难以满足需求。随着智能制造的兴起,数值模拟与热处理技术的结合可实现对热处理工艺关键参数如温度、相变和应力等变化的“可视化”,极大提高了热处理工艺过程的优化效率,同时实现对渗碳层性能的有效预测。因此,本文针对18Cr2Ni4W低碳合金钢重载齿轮的渗碳淬火过程,利用COMSOL Multiphysics软件进行了多物理场耦合建模与分析。通过实验测量和软件计算建立了渗碳后不同碳含量的18Cr2Ni4W合金的热学、力学和相变动力学的材料参数数据库。通过化学分析法和热电偶测温等方法,验证了渗碳淬火模拟模型对碳浓度和温度预测的准确性。通过光学显微分析(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微分析(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)、显微硬度测试等分析测试手段对冷却相变模型及硬度预测模型进行了验证。最后,根据模拟预测的结果,讨论了齿轮在渗碳淬火过程中的应力演变规律和渗碳淬火后的畸变状态。主要结论如下:(1)分析了模拟渗碳过程中涉及的关键参数:碳浓度,提出了合金元素影响因子对模型进行优化。使用机械剥层法和化学分析法对渗碳层的碳浓度进行了实验测量;对比了不同形式的扩散系数计算模型对18Cr2Ni4W渗碳模拟的准确度,发现对于合金元素含量较高的钢材,合金元素对碳扩散系数的影响不可忽略。为了提高渗碳模拟的准确性,本文基于Tibbett的扩散系数计算模型添加了Cr和Ni元素的影响因子。经实验的验证,添加了合金元素影响因子的计算模型对碳含量的预测结果更准确。(2)基于实测的热力学参数与相变数据,修正并优化了淬火物理场建模的关键参数,实现18Cr2Ni4W渗碳淬火相变模型的准确预测。实验测定18Cr2Ni4W合金钢的加热膨胀曲线,获取了不同碳含量下的奥氏体化参数;使用Leblond相变模型对贝氏体相变进行了模拟,通过新的校准方法获取了18Cr2Ni4W合金钢不同碳含量下的Leblond模型相变参数。通过对渗碳后的18Cr2Ni4W钢的马氏体转变动力学(K-M公式)参数的实验分析,结果表明K-M相变参数α数值大小受合金成分的影响,其数值会随着碳含量的增加不断减小;不同的淬火温度也会对α数值产生影响。因此,在使用K-M公式对合金钢的渗碳淬火的马氏体相变模拟时,模型必须充分考虑成分变化和淬火温度对参数的影响。(3)建立了齿轮渗碳淬火(渗碳-温度-相变-应力应变场)多物理场耦合的有限元计算模型,实现18Cr2Ni4W渗碳淬火后显微硬度的预测与应力分布与演变过程的监测。基于实验分析与测试,对碳浓度、温度和相变演变的预测准确度进行了验证。在硬度预测方面,基于Maynier提出的混合相硬度计算规则,总结了18Cr2Ni4W在不同淬火温度下碳含量与残余奥氏体硬度的关系式,并提出了渗碳淬火后的硬度计算公式;将公式嵌入COMSOL中预测了齿轮渗碳淬火后的硬度分布情况。在应力和应变分析方面,根据模拟结果分析了齿轮淬火过程的应力演变和淬火后的畸变。模拟结果发现齿轮在渗碳淬火后,最大残余压应力并未出现在最表面,这主要与马氏体的转变的顺序和转变量有关;齿轮渗碳淬火后整体畸变趋势呈墩粗状,齿顶圆直径最大涨大了约0.64mm。本文通过数值模拟和实验分析相结合的研究方法,分析和阐述了18Cr2Ni4W合金钢渗碳淬火模拟过程中的主要理论和关键参数,为该合金体系的热处理有限元模拟提供了借鉴;基于优化后的关键参数所建立的18Cr2Ni4W齿轮渗碳淬火有限元仿真与预测模型,可以为18Cr2Ni4W合金钢渗碳淬火提供过程参数与性能演变的对应关系,并对工艺调整提供有益的依据与参考。该论文有图69幅,表10个,参考文献157篇

关键词： 齿轮箱   故障诊断   特征提取   支持向量机   随机森林   参数优化  

摘要： 船用齿轮箱是船舶动力系统的主要构成部件,具有许多优势特征,主要体现为可靠性高、具有较强的传动效率、结构十分紧凑以及应用寿命比较长等,即使在空间有限的条件下,所产生的力矩输出也非常高,因此被广泛应用到船舶行业,发挥出了巨大的应用价值。在船舶设计中,齿轮箱作为不可缺少的重要驱动设备,具有较大的运行强度,而且是在恶劣的环境下作业,极易产生较高的故障率。因此,是否具有良好的可靠性与稳定性,将会对整体的动力系统至整船的性能及安全产生直接影响。在本次研究中,主要对齿轮箱的齿轮故障展开了深入研究,结合当前存在的故障诊断技术,提出了一种基于袋外数据(OOB)与麻雀算法(SSA)优化支持向量机(SVM)方法的齿轮箱故障诊断方法,主要开展了下列研究工作:首先,由于在采集振动信号时,并不能直接采集到齿轮的振动的信号,一般将加速度传感器一般安置于齿轮箱体,因此原始信号会受到传递路径和环境噪声的影响。因此提出采用最小熵解卷积(MED)方法来消除传递路径和环境噪声对原始信号的影响。其次,在多维度提取振动信号的特征信息,包括时域特征、频域特征和时频域特征,对于提取到的高维度特征数据集进行基于随机森林袋外估计方法的数据降维精简,且并不影响后续故障诊断精度。在对齿轮发生故障时的具体故障类型进行判断时,构建了基于参数优化的支持向量机方法的分类器模型,并通过不同的参数优化方法确定最佳的支持向量机参数(包括惩罚参数c和核参数g),并从三种算法中比较出麻雀优化算法的优化性能为最佳。200个测试样本中,只有10测试样本的故障类型预测错误,故障模式识别的准确率达到了95%。最后,从工程实际的角度出发,采用MATLAB编程的方式,设计了船用齿轮箱故障诊断软件系统,为在实际中对齿轮箱内部齿轮进行故障分析和诊断提供了一种有效的思路。

关键词： 风电机组   故障诊断   Jensen-Renyi散度   寿命预测   性能退化  

摘要： 随着风电机组运行年限的增加，越来越多较早投产的机组即将面临退役的现状，齿轮箱作为风电机组传动链的关键部件之一，长期处于变工况、非平稳运行状态，故障率较高。为了指导运维和最大限度的延长机组寿命，需要对其故障情况与剩余寿命进行及时准确的把握。本文以风电机组齿轮箱为研究对象，分别从齿轮箱的故障诊断、性能退化、寿命预测三个方面展开研究。主要研究内容如下：　　针对强噪声环境下风电机组齿轮箱发生故障时特征信息微弱、特征提取效果不佳的问题。利用样本熵与峭度指标构建综合目标函数，突出故障信号的周期性与冲击性特征，然后利用遗传算法对目标函数求解，从而确定变分模态分解（VariationalModeDecomposition，VMD）算法的最优参数组合，通过对分解所得分量进行选取重构，进行包络分析得出故障诊断结果。最后通过仿真、实例验证，表明该方法可以有效地从强噪声干扰信号中提取故障特征。　　针对目前风电机组齿轮箱性能发生退化时特征难以识别，致使故障进一步恶化的问题。本文首先提取不同工况下齿轮箱故障振动信号的多域特征，以弥补单一特征无法准确刻画齿轮箱性能退化趋势的缺点，然后利用高斯混合模型（GaissianMixtureModel，GMM）能对非线性多模态无标签数据建模的特点，得到样本后验概率，通过Jensen-Renyi散度（Jensen-RenyiDivergence，JRD）对后验概率的概率分布进行差异性评估，作为性能退化特征。最后利用tanh函数进行归一化得到表征性能退化的量化指标置信值（ConfidenceValue，CV）。通过工程实际数据验证，本文所建立的性能退化指标能够捕捉齿轮箱故障程度演变过程，可为后期维护决策的制定提供参考价值。　　为了进一步提升风电机组齿轮箱轴承寿命预测结果准确性，本文首先对上节中JRD性能退化指标进行改进，经归一化得到量化指标CV2。其次通过设定检查时刻，将初始退化时刻至当前检查时刻量化指标进行相空间重构作为相关向量机（RelevanceVectorMachine，RVM）的输入，以提取相关向量。然后利用所建立的轴承双指数退化模型拟合相关向量并根据实际退化曲线计算拟合误差，同时利用差分整合移动平均自回归模型（AutoregressiveIntegratedMovingAverageModel，ARIMA）对拟合误差进行预测，并将预测值作为误差修正项补充到双指数预测模型中，以改进预测结果，最后计算轴承剩余寿命。通过实验数据验证，本文所提方法预测方法较准确，为风电机组齿轮箱轴承的寿命预测提供了有效的方法参考。