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： 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： 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： 循环泵齿轮箱传动系统   Kriging模型   时变可靠性分析   全局灵敏度分析   不确定性优化  

摘要： 核电循环泵齿轮箱作为核电装备的关键部件之一,具有传动功率大、使用寿命长和工作安全可靠等优势。然而,国内核电装备技术起步较晚,加之其设计制造非常复杂,导致其可靠性与安全性明显低于国外领先水平。因此,本文对核电循环泵齿轮箱传动系统的可靠性进行分析和研究,主要内容和成果如下:(1)循环泵齿轮箱传动系统静态可靠性分析。循环泵齿轮箱系统结构复杂,工况多变,本文基于代理模型开展静态可靠性方法研究。使用Kriging模型近似系统建模,结合样本点的概率密度和空间位置信息,提出一种新的学习函数,并改进停止准则。同时,为了解决失效模式相关的问题,引入多重响应高斯模型(Multiple Response Gaussian Process,MRGP),建立一种多失效模式相关的可靠性分析方法,并应用到循环泵齿轮箱传动系统的可靠性分析中,与蒙特卡洛方法(Monte Carlo Simulation,MCS)进行对比,验证提出方法的有效性。(2)循环泵齿轮箱传动系统时变可靠性分析与灵敏度分析。循环泵齿轮箱在运行中,材料的性能和载荷往往随着时间发生变化,时变特性较为明显。本文在静态可靠性分析的基础上,对循环泵齿轮箱传动系统进行时变可靠性分析。循环泵齿轮箱的工作过程中,存在多种因素导致齿轮发生故障。本文联合时变可靠性分析模型,对循环泵齿轮箱传动系统进行全局灵敏度分析,得到输入变量对失效概率的不确定性贡献与排序。(3)循环泵齿轮箱传动系统不确定性优化设计。循环泵齿轮箱占用空间较大,不利于制造及维修,在保障其质量、可靠性与安全性的前提下,尽可能地减少体积一直是实际工程追求的目标。基于此,本文以齿轮箱体积最小化为目标函数,利用区间非概率模型描述参数的不确定性,进行不确定性优化设计。传统不确定性优化问题通常为双层嵌套循环,效率较低。本文提出一种基于Kriging模型的改进区间分析方法,代替内层循环优化。此方法对于结构复杂、非线性程度较高的系统有很好的效果。将提出方法应用到循环泵齿轮箱传动系统的不确定性优化中,与双层嵌套循环的区间优化方法进行对比,验证了所提方法的有效性。

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。

摘要： 风电装机规模和机组单机容量均快速增长,对风电机组的安全性和经济性提出了更高要求。风电场通常地处偏远、布局分散,其点多面广、管理半径大,且现场工作艰苦,设备巡检工作量大、健康状态判断难度大。为精准检测到发电机、叶片、齿轮箱等大部件的损坏隐患,各新能源投资企业相继投入巨额资金,为大规模风电场群建设各类生产信息化监控与故障预警系统。通常各类型监测系统之间互不关联,所获得的是分散的、局部的,甚至是冲突的诊断结论,无法形成指导风电设备精准高效运行的故障诊断合力。因此,建立起一套科学的风电机组融合故障诊断决策模式,消除传统单一系统故障诊断结论带来的不确定性,变得至关重要。

关键词： 新型齿轮   变双曲圆弧齿线圆柱齿轮   齿轮机床   专用机床设计   机床稳定性   机床误差   误差补偿  

摘要： 变双曲圆弧齿线圆柱齿轮传动是一种新型齿轮传动,其齿线为空间圆弧线,除中截面齿廓为渐开线外,其余各截面为均匀变化的双曲线族的包络线。由于其齿形的特殊性,变双曲圆弧齿线圆柱齿轮传动具有无轴向分力、对安装误差不敏感、润滑性能良好和啮合平稳等优点,在高速重载的传动场合有良好的应用前景。由于该齿轮是一种全新的齿轮,目前该齿轮主要通过多轴联动数控机床近似加工制造,没有面向该齿轮的高效、高精度的专用加工机床,极大限制了该齿轮工业化推广应用。本文以齿轮加工原理、齿轮几何学、多体运动学、有限元方法和智能优化算法等为基础,根据该齿轮的成形原理,对其相应的加工方法、机床结构设计、加工稳定性、误差特性分析以及误差补偿策略等方面展开研究,提出了面向该新型齿轮高效、高精度制造的专用机床设计方法,开展了该专用机床误差分析与补偿研究,为变双曲圆弧齿线圆柱齿轮专用机床优化设计和高精度加工等提供理论基础,以推动该新型齿轮实现工业化应用。主要研究内容如下:(1)根据变双曲圆弧齿线圆柱齿轮成形原理,提出了旋转刀盘铣削加工方法,研究刀具与齿坯的展成运动关系,推导了变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的齿面方程;基于多体运动学,建立了专用机床系统的拓扑结构模型,进行了该机床结构初步设计,对专用机床功能子系统进行了划分,分析了各子系统的关键技术及实现方式,为指导专用机床优化设计提供了理论依据。(2)综合考虑机床拓扑结构和子系统功能需求,构建了专用机床结构并建立了专用机床的有限元模型,研究了专用机床结构的静动态特性;根据有限元仿真分析结果,提出了针对刀具连接刚度的结构优化方法,建立了立柱固有频率的参数优化响应面模型。对比试验结果表明,优化后的机床结构在质量、静刚度和低阶固有频率等方面皆得到一定程度的优化,验证了结构优化和参数优化的有效性,同时也为避开敏感共振区域、提升结构强度和静刚度提供理论依据。(3)针对专用机床加工稳定性进行了研究,考虑刀盘和主轴存在的时变刚度、结构间隙和线性阻尼系数等因素,建立了专用机床加工执行系统的非线性动力学模型,探究了系统的稳定性变化规律;采用Melnikov方法求解了系统的稳定阈值范围并分析通往混沌的可能途径;探讨了系统进入混沌的具体过程,结合时间历程、相轨迹、幅频特性和Poincaré图验证了稳定阈值的正确性;提出了动力学参数选型原则,并按照原则对机床零部件选型,完成专用机床的样机研制,开展齿轮加工试验,验证了机床结构设计的正确性。(4)根据误差传递原理,研究了机床误差源对齿面误差的作用效果。提出了专用机床误差描述方法,分析含误差时刀具与工件的转换关系,推导考虑机床误差影响效果的齿面方程;参考Gleason制齿轮误差分析原则,提出了齿面误差计算方法,描述了误差曲面的偏离程度和齿轮偏差项的具体形式;开展了机床单误差源和综合误差源的仿真分析和实验验证,阐述了机床误差源与齿面具体偏差项之间的定性和定量关系,同时也验证了机床几何误差模型的正确性。(5)提出一种改进的代理模型方法,探究关键加工参数对齿面误差的影响规律。基于齿轮啮合特性,确定了以凹、凸齿面的中截面齿廓误差与齿向误差作为优化响应,以刀盘转速、冷却液流速以及进给速度为试验因素,设计了全因子试验;结合黄金分割比和切比雪夫映射,提出了一种情景萤火虫(SGSO)算法,用于提升Kriging代理模型的求解精度和效率;利用SGSO-Kriging模型分析了三个关键加工参数对加工精度影响的显著程度,提出了加工参数选定原则。(6)根据微分原理和误差补偿原理,推导了各运动轴误差补偿量的微分表达式,求解得到了线性和角度的补偿值;提出了一种G代码修正方法的补偿策略,进行误差补偿试验;开展了齿轮数据检测,测得齿面误差数据验证补偿策略的有效性,同时也获得单个齿距偏差、齿轮累积偏差、齿廓偏差和齿向偏差等数据,为变双曲圆弧齿线圆柱齿轮误差补偿和精度评价提供理论依据。

关键词： 齿轮箱   故障诊断   深度残差网络(ResNet)   软阈值化   分散注意力   粒子群优化(pso)  

摘要： 随着现代机械化水平不断提高,机械设备一旦发生故障就会严重影响工业生产生活,造成人员伤亡和经济损失,因此研究机械设备的故障诊断方法具有重要的现实意义。齿轮故障是造成齿轮箱无法正常运行的常见原因,而复杂工况下齿轮故障特征往往被噪声所淹没,传统的故障诊断神经网络存在难以从噪声中识别故障特征、不易获得故障数据集、模型收敛较慢等问题。针对以上问题,本文的主要研究工作如下:(1)小波变换:首先对采集的故障数据集进行分析,依据采样频率获得等差时间序列后利用Morlet小波对输入振动信号进行连续小波变换,从而获得故障时频图作为网络的输入。(2)自适应软阈值降噪:其次在深度残差网络(ResNet)的基础上加入自适应软阈值化子网络。将输入的故障时频图复制为相同的两份,一份用于学习合适的阈值,另一份则与学习到的阈值相减达到降噪效果。(3)分散注意力与分组卷积:由于齿轮箱故障振动信号的周期性,故障特征往往集中于局部,因此引入注意力机制模块使得网络能更有效的提取局部故障特征。然后采用分组卷积优化卷积层,使得网络在加深层数的同时避免了模型参数量大量上升,从而提高了模型的计算性能。(4)迁移学习:同时还利用迁移学习中预训练改进后模型的方法解决了生产生活中难以采集故障数据集的问题,而且与原始网络相比,预训练模型能更快收敛。(5)粒子群优化:神经网络的超参数对于网络学习性能具备举足轻重的影响力,传统的人工调参往往难以达到最优解,本文利用粒子群优化方法得到上述改进网络的超参数最优解,从而解决了传统人工调参的局限性和效率低下等问题。最后将故障时频图输入改进后的网络进行故障分类。实验结果表明,基于粒子群优化和改进深度残差网络的模型能有效的识别提取齿轮故障特征,且识别分类准确率高,达到了 99.7%。

关键词： 航空发动机   圆柱齿轮   齿轮修形   应力   振动   试验  

摘要： 通过齿轮合理修形能够改善齿轮传动接触状况及降低由几何传动误差产生的振动和噪声，减小齿轮啮入啮出干涉冲击，提高齿轮寿命。以航空发动机附件机匣渐开线圆柱齿轮为例，通过附件机匣整体仿真、离心力影响分析、轮齿热弹耦合分析，确定齿轮修形方案，有效降低了齿轮啮入及啮出位置最大等效应力。通过附件机匣振动测量试验，对比修形前后齿轮振动能量变化规律，结果表明修形后齿轮振动能量降低17%～80%，有效验证了齿轮修形效果。

关键词： 啮合效率   有限元   时变摩擦系数   Abaqus   传动效率试验  

摘要： 作为重要的传动部件,齿轮已被广泛地应用于各种机械领域,如汽车、航空航天、工业齿轮箱和机床等。在齿轮传动中,传动效率是评价传动质量好坏的一项重要性能指标,而对于传动效率的高低,齿轮啮合效率是主要影响因素之一,因此,为了改善齿轮的传动质量,对齿轮啮合效率的研究是非常必要的。目前,关于齿轮传动啮合效率的研究主要集中在计算方法上,并且随着研究的深入,越来越多学者认为如何计算得到更为准确的啮合效率变得更加重要,所以,在推导啮合效率的计算模型时,许多研究开始考虑相关参数在实际啮合过程中的变化情况,其中很重要的一点便是摩擦系数的时变性特征。基于上述背景,为了能准确计算出齿轮副的啮合效率,并对其影响因素进行研究,以便从设计和使用的角度来提高齿轮传动的啮合效率,本文提出了一种考虑时变摩擦系数的啮合效率计算方法,该方法利用Abaqus提供的子程序FRIC＿COEF,在考虑了齿面实际受力变形和相对运动状况的基础之上,实现了齿面各啮合点摩擦系数在传动过程中的时变性特征;并且,采用BHC-1000型齿轮传动效率试验台开展了相关试验,对计算方法的准确性进行了试验验证,试验结果表明,二者吻合性较好。最后,利用本文所提出的啮合效率计算方法,进一步研究了齿轮转速、载荷、粗糙度和润滑油温度四个参数对斜齿轮传动啮合效率的影响,得出了如下结论:(1)随着转速和润滑油温度的增加,啮合效率会产生上升的趋势;(2)随着扭矩和粗糙度的增加,啮合效率会产生下降的趋势。