关键词： 风电机组   行星齿轮箱   故障诊断   声学   希尔伯特幅值解调   调制信号双谱分析  

摘要： 齿轮传动是各类机器设备中最为常见的传动方式之一,在各种时变重载的工况下,齿轮箱内部结构零件受力状况非常复杂,极容易发生故障,利用状态监测与故障诊断系统对齿轮箱进行实时监测与诊断具有重要意义。声学故障诊断相对于振动方法具有传感器安装方便、全局多目标测量、价格低廉、易于扩展等多方面的优势。论文针对风电齿轮箱开展振动声学特性及其基于声学的故障诊断技术研究,探讨以声学传感技术取代传统的振动监测方法的可行性,进而形成一种更为经济便捷且适用于工业现场的故障诊断技术。主要研究内容如下:(1)从声学理论分析与计算方面研究了行星齿轮箱运行过程中声音产生、辐射及传播的原理,包括结构声波的产生、结构声波的辐射计算、声波传播方程的推导及基于动力传动故障诊断综合实验台行星齿轮箱的声波辐射计算,得到齿轮箱壳体表面声压幅值的简化计算式。(2)研究了行星齿轮箱有限元声学仿真原理与方法,包括模态分析、基于模态叠加法的谐响应分析及谐波声学分析,基于Workbench仿真软件,采用上述分析方法完成了行星齿轮箱辐射声场仿真计算并与理论计算结果进行了对比研究,受条件理想化及模型简化的影响,理论计算值相比有限元仿真值偏小12%。(3)开展基于声音信号的行星齿轮箱故障诊断实验,同时采集声音与振动信号,并对两者进行了数据分析对比研究,声音信号峰值频率完全覆盖了振动信号峰值,且声音信号中包含了更多特征频率峰值,说明通过声音可检测的覆盖范围更广,可以更全面或全局地反映物体的整体动态,故障敏感性强;另一方面,相比其它方法,调制信号双谱分析(MSB)对非调制频率的抑制更加有效。(4)针对基于声音信号的故障诊断方法在10MW海上风电机组行星齿轮箱(额定输入功率11.6MW)上进行了工程应用,对试验过程中采集的振动信号与声学信号从时域、频谱分析、幅值解调、MSB分析方面进行故障诊断对比研究,成功诊断出二级行星轮与齿圈啮合接触问题以及三级齿圈局部故障。同时,通过多工况对比分析发现,随着载荷的增加,振动信号表现出更明显的冲击特征,故障频谱更加凸显,随着转速的降低,振动信号频谱中出现更多干扰频率,而声音信号则对于载荷与转速的变动始终较为平稳。相对于振动信号,在设备载荷与转速频繁波动的情况下采用声音信号进行故障诊断具有更加稳定的优势。

关键词： 齿轮箱振动加速度   信号仿真   退化特征提取方法   性能退化评估   故障预测  

摘要： 随着高速列车运行里程的不断增长,对列车的状态监测已成为保障列车安全稳定运行的重中之重。齿轮箱作为高速列车转向架的核心部件,研究齿轮箱性能退化评估与故障预测方法对于保障列车安全运行意义重大。本文重点探究了齿轮箱退化特征的提取方法,齿轮箱性能退化评估方法以及齿轮箱故障预测的相关方法。论文首先进行高速列车齿轮箱振动信号仿真。根据高速列车齿轮箱轴承与齿轮的相关数据,对齿轮箱正常状态与不同退化状态的振动信号进行仿真。在动力学软件中进行车辆模型动力学仿真以分析外部激励对齿轮箱的影响。将仿真结果综合后,生成了外部激励下高速列车齿轮箱的振动信号。为后文退化特征提取、性能退化评估和故障预测提供了仿真数据。针对高速列车齿轮箱退化特征的提取,提出一种基于改进MCKD与Morlet复小波滤波的退化特征提取方法。通过灰狼优化算法对MCKD关键参数进行优化,实现MCKD参数的自适应选择。将仿真信号以及实验数据振动信号输入参数优化后的MCKD中,得到的滤波信号经Morlet复小波进行二次滤波,滤波结果表明了基于改进MCKD与Morlet复小波滤波的退化特征提取方法的可行性与优越性。针对高速列车齿轮箱性能退化评估研究,提出一种基于小波包奇异谱熵与学习向量量化(LVQ)神经网络的方法。该方法将齿轮箱振动信号进行小波包分解并计算奇异谱熵构成特征向量。将训练样本特征向量输入到LVQ神经网络聚类模型中建立性能退化评估模型,然后将测试样本特征向量输入已建立好的模型中评估性能退化状态。通过仿真数据以及实验数据表明,所提出的方法能较好地区分齿轮箱不同的退化状态,能较早地检测出早期退化状态。针对性能退化评估后故障预测的研究,采用遗传算法优化的BP神经网络、径向基神经网络以及卷积神经网络三种深度学习方法对高速列车齿轮箱的振动变化趋势以及轴承性能退化评估模型进行分析,结果表明卷积神经网络相比其他深度学习方法在预测振动趋势及性能退化评估模型中都取得了更好的效果,为高速列车齿轮箱故障预测提供参考依据。

关键词： 球面渐开线   弧齿锥齿轮   力学分析   啮合特性   承载接触   模态分析  

摘要： 弧齿锥齿轮作为工业传动领域中应用最广泛,最重要的零件之一,因其具有重合度高、传动平稳、承载力大、抗弯强度高、以及传动比大等特点,被广泛应用于航空航天、高速列车、运载汽车、冶金和矿山机械等行业。目前,弧齿锥齿轮的设计和生产方式主要采用以共轭啮合理论指导刀具滚齿切削加工,该方式所生产的轮齿形状是近似球面渐开线齿形,齿廓具有原理性误差,与理想齿轮模型有一定偏差,导致整体模型精度不够;其次国内外采用基于共轭加工原理的设计方法所建立的模型往往忽略了对齿根过渡曲面形状的描述,导致模型完整性缺失。基于近年来国内外学者在弧齿锥齿轮领域的成就和不足,本人在弧齿锥齿轮的几何模型设计,齿轮生产加工,啮合性能分析以及其他方面做了进一步的研究。 弧齿锥齿轮模型设计的准确性以及啮合性能的精确评估都将直接影响整个传动系统的工作性能。因此,需要准确高效的三维模型设计以及精确的啮合性能分析,本文的工作内容可大致分为以下三个部分: (1)对比分析了目前弧齿锥齿轮设计生产的优劣,选择无原理性误差的球面渐开线成形原理对弧齿锥齿轮各个齿廓曲线方程以及齿形线方程进行推导,完成了齿轮副三维参数化模型的创建,提升了弧齿锥齿轮的建模效率的同时,也避免了齿廓原理性误差所导致的模型不精确问题,为后续有限元分析提供准确的三维模型。 (2)结合了TCA(Tooth Contact Analysis)方法与赫兹接触理论对弧齿啮合齿面进行数值计算分析,在Matlab中实现啮合接触轨迹和传动误差可视化,并基于有限元分析平台Hypermesh和Abaqus,创建了高质量的网格以及准确的有限元模型,针对弧齿锥齿轮特殊曲面接触分析中常见的不收敛问题实践出了新的解决方法,并采用有限元分析法研究分析弧齿锥齿轮的啮合性能,得到了边缘接触的位置、一个啮合周期内不同载荷作用下齿面接触应力和齿根弯曲应力分布规律以及接触椭圆变化趋势等相关啮合性能参数。 (3)基于弧齿锥齿轮动力学模型及模态分析理论,对齿轮副的模态以及动态响应进行分析,对比分析了各阶次频率下影响齿轮模态的影响因子,得到各阶次的固有频率和振型,总结了不同载荷下的主要影响因素,以及弧齿锥齿轮动态运行对齿形的影响规律,给出各因素的具体拟合方程,为弧齿锥齿轮的动态响应分析提供定量参考依据。

关键词： 星型齿轮传动系统   人字齿轮   啮合刚度   动态特性   齿轮故障动力学  

摘要： 星型人字齿轮系统作为典型的多路功率分流齿轮传动系统,具有结构紧凑、承载能力大、传动效率高、振动噪声低和运行平稳等特点,被广泛应用于船舶、航空、航天等高精密传动领域。齿轮传动系统在运行过程中会受到内、外激励的作用,导致系统产生振动噪声。对于处于复杂工况下运行的齿轮传动系统而言,其振动噪声问题较为严重,极易导致齿轮和轴承等关键零部件出现损伤故障,影响齿轮装置的性能、服役周期和可靠性,影响机械装备的安全运行。因此,需要针对星型人字齿轮传动系统的动力学建模、动态响应分析,尤其是故障状态下系统的动态性能等问题进行研究。本文主要面向齿轮驱动涡轮风扇(Geared Turbo Fan,GTF)发动机的齿轮箱的设计与运维的技术需求,针对人字齿轮副啮合刚度的建模计算,星型人字齿轮系统的动力学建模分析,以及齿轮箱箱体振动信号处理等方面进行了研究。全文主要工作包括: (1)开展了人字齿轮副啮合刚度的建模与分析研究。构建了内、外啮合人字齿轮副啮合刚度的计算模型,在模型中综合考虑了人字齿轮副啮合过程中的横向啮合刚度和轴向啮合刚度,并计入了混合弹流润滑情况下齿面摩擦对啮合刚度的作用。利用“切片法”处理人字齿轮,通过计算“切片”齿轮副的啮合刚度,推导了人字齿轮副两端斜齿轮副的啮合刚度公式,进而获得人字齿轮副的啮合刚度;分析了不同工况以及不同齿面粗糙度下内、外啮合齿轮副的齿面摩擦系数,从而揭示了摩擦系数对时变啮合刚度的影响规律。将啮合刚度模型的计算结果与有限元仿真的结果进行了对比,验证了所提出的啮合刚度计算模型的准确性。 (2)开展了星型人字齿轮传动系统的动力学建模与动态响应分析研究。基于星型人字齿轮传动系统的结构特点和啮合特性,计入内、外啮合齿轮副的啮合相位、综合传动误差以及时变啮合刚度,构建了星型人字齿轮传动系统的多自由度弯-扭-轴耦合动力学模型;采用数值积分方法求解了系统动力学微分方程,获得了系统的动态响应。基于齿轮箱的振动信号源叠加和振动传递的原理,建立了考虑啮合振动方向和振动传递路径等因素的齿轮箱振动信号模型。搭建了星型人字齿轮传动系统的试验台,利用振动传感器和数据采集系统获取了系统的振动信号,并与动力学模型求得的系统振动信号进行对比,验证了本文所构建的星型人字齿轮传动系统动力学模型以及齿轮箱振动信号模型的可行性。 (3)开展了故障情况下人字齿轮副的啮合刚度建模与分析研究。基于齿轮的典型损伤故障:齿轮裂纹、齿面点蚀以及齿面剥落,对具有典型齿轮故障的人字齿轮副进行了建模分析。建立了综合考虑裂纹沿齿端面和齿宽方向的空间延伸形态的齿轮裂纹故障模型;建立了基于高斯分布以及随机分布的齿面点蚀故障模型,应用“形状无关法”分析齿面的有效接触长度,并通过函数对有效接触长度的变化进行了建模;建立了基于齿面剥落轮廓的齿面剥落故障模型,利用分段拟合的曲线方程准确描述了齿面剥落的轮廓。在人字齿轮副啮合刚度模型中代入典型齿轮故障,计算了具有齿轮故障的人字齿轮副的时变啮合刚度,分析了齿轮故障类型以及故障位置对齿轮副啮合刚度的影响,并揭示了齿轮故障发展对齿轮副啮合刚度的影响规律。 (4)开展了具有典型齿轮损伤故障的星型人字齿轮系统的动态特性研究。针对不同齿轮故障下的齿轮箱动态响应进行了模拟计算,获取了齿轮故障作用下系统的振动信号;分析了齿轮损伤模式及损伤状态对振动信号特征的影响规律;提出了故障特征提取及表征方法,根据齿轮损伤的故障特征对损伤模式进行了诊断和识别,揭示了在齿轮损伤发展过程中故障信号特征的演变规律。依托星型人字齿轮传动系统的试验台,以具有太阳轮裂纹和点蚀故障的系统为研究对象,获取了系统在齿轮故障下的振动信号,将试验测试结果与理论研究结果进行对比分析,验证了齿轮故障下系统振动信号特性理论研究结果的正确性,为星型人字齿轮传动系统的动态特性分析以及故障诊断技术研究奠定了试验基础。

关键词： 高铁齿轮箱   故障诊断   自适应降噪   注意力机制   卷积神经网络  

摘要： 齿轮箱是实现高速列车快速而安全运行的关键因素，其工作性能的优劣对高速铁路列车运行的安全和可靠度起到了至关重要的影响。如何实现对齿轮箱出现的故障进行有效诊断已成为当前高速列车运维领域内的一个重要问题。本文以齿轮箱中的轴承和齿轮作为研究对象，基于振动信号对可能出现的转子故障提出了诊断方法，并通过实验验证了所提方法的有效性。具体研究内容如下：　　（1）针对滚动轴承微弱故障特征不突出、难发现的问题，提出了一种基于最大相关峭度解卷积和共振稀疏分解的振动信号自适应降噪方法。通过对最大相关峭度解卷积三种主要参数的分析，给出了参数的选择准则，并利用粒子群算法实现了对共振稀疏分解的参数优化选取，实现了对滚动轴承微弱信号的降噪。仿真实验表明该方法具有良好的降噪性能，可以高效地分离微弱故障特征，证明了提出的自适应降噪方法有效性。　　（2）针对齿轮箱复合故障通过传统的时频分析方法难以辨别的问题，提出了一种基于BP神经网络的机器学习模型开展诊断。通过实验验证发现，使用改进的互信息最小化ICA方法所提取的特征在BP神经网络模型中可以对齿轮箱复合故障实现高精度诊断。　　（3）针对传统的机器学习方法依赖使用者先验知识的问题，基于前文所提的自适应降噪方法，提出了一种结合注意力机制的双通道卷积神经网络模型，并使用多种转子故障数据开展了分类实验。实验结果表明，相对于传统的机器学习模型，所提出的模型可以实现更高的诊断精度，不依赖先验知识进行特征提取且具有更高的计算效率，适合针对齿轮箱复合故障开展诊断与故障分类。

关键词： 地铁车辆   斜齿轮   变位系数   有限元分析   弯曲疲劳试验  

摘要： 近年来,我国城市总体规模持续快速扩张,乘坐城市轨道交通出行成为越来越多人的选择,其中地铁线路223条,占城市轨道交通的主要部分。地铁车辆的安全性是人们选择地铁出行的底线。地铁车辆传动齿轮箱是地铁运行的关键部件,齿轮箱中齿轮副的可靠性直接影响地铁车辆能否安全运行。齿轮副的可靠性还决定了地铁齿轮箱的维修策略,对地铁车辆齿轮箱维修成本有直接影响。设计时对齿轮副选取合适的变位系数可以使其在适合工况的情况下提升传动质量和可靠性,延长维修周期,降低维修成本。为预测地铁车辆传动斜齿轮弯曲疲劳寿命,需要准确的计算传动斜齿轮的齿根应力。本文根据某地铁车辆运营工况,对地铁车辆传动斜齿轮副进行仿真分析和其当量直齿轮的弯曲疲劳试验,并提出了一种适合某地铁传动斜齿轮弯曲疲劳寿命预测的方法。为使地铁车辆传动斜齿轮副更有经济性,本文以疲劳性能为目标,按照等强度原则通过折线图方法对某地铁传动齿轮副进行了变位系数参数优化。主要研究内容如下:(1)根据某地铁车辆齿轮箱传动齿轮参数建立了斜齿轮副有限元模型,通过ABAQUS对该模型进行地铁车辆运营工况下的瞬态动力学仿真,得到了在不同工况下、不同啮合状态的斜齿轮副的齿根应力云图。得到了啮合过程中齿根应力最大点的位置规律和时间规律,确定了对斜齿轮弯曲疲劳损伤累计起主要作用的工况。(2)通过对单级载荷下齿轮弯曲疲劳试验研究,发现大裂纹扩展阶段对应的疲劳寿命往往小于10%,得到可以将预测齿轮的萌生寿命作为齿轮的疲劳寿命的结论。根据试验结果,提出了一种基于Miner线性累积损伤理论和能量累计曲线的圆柱齿轮弯曲疲劳寿命预测模型。该模型预测弯曲疲劳寿命结果位于试验寿命的3倍寿命区间之内,证明了其有效性和准确性。(3)针对某地铁车辆传动斜齿轮副,建立不同变位系数的齿轮副单齿啮合有限元模型。通过有限元分析,得到了齿轮副大、小齿轮的齿根应力分布云图,绘制了不同变位系数该齿轮副的齿根应力折线图。通过对有限元分析结果和GB/T 3480中方法计算的结果进行了比较,小齿轮齿根的应力误差只有-1.127%,大齿轮齿根应力误差为5.387%,该模型可以满足齿根应力计算精度要求。以此为基础,通过FE-Safe疲劳分析软件,得出了不同变位系数下该齿轮副的疲劳寿命,并绘制了疲劳寿命折线图。(4)结合上述研究内容,按照等强度原则通过折线图方法对某地铁车辆传动斜齿轮进行变位系数参数优化,优化后的齿轮副通过仿真方法得出的综合疲劳寿命是原型齿轮副的3.29倍,且优化后的齿轮副啮合平稳、噪声小可以满足地铁车辆运行要求。

关键词： 齿轮箱   流场   温度场   润滑油道   结构改进  

摘要： 铝合金齿轮箱是动车组转向架的重要传动部件,采用油液飞溅润滑和降温。随着列车速度的不断提升,齿轮箱内部容易出现搅油不充分现象,使得箱体内部和轴承不能充分润滑和冷却,导致箱体及内部零部件的失效,给动车组的运行造成安全隐患。本文以某现役铝合金齿轮箱为研究对象,开展了齿轮箱的内流场以及温度场的仿真研究,提出了齿轮箱流道结构的改进方案。本文主要研究内容如下:(1)齿轮箱热-流-固耦合仿真模型构建。依据某型齿轮箱及相关传动零件的三维模型,综合考虑各种产热与散热条件,建立了齿轮箱内流场和温度场分析的热-流-固耦合仿真模型,并通过试验校正了模型的准确性。(2)齿轮箱流场和温度场的参数化仿真分析。针对转速、注油量和转向等因素进行参数化仿真分析,获得了不同转速、注油量和转向下的齿轮箱内流场和温度场分布规律;通过对齿轮箱各流道的质量流量和温度场的定量分析,开展了现役齿轮箱润滑性能的综合评价,齿轮箱的润滑效果总体良好,但箱体上侧和右侧润滑效果相对较差;内部浸油深度为1.75到2倍齿高时,齿轮箱的润滑和控温效果较好,主要高温区出现在齿轮啮合区和轴承位置。(3)齿轮箱的流道结构设计及效果评价。基于高温区位置、流道流量仿真结果,开展了齿轮箱流道数量及分布的改进设计研究,新流道设计有效增大了流向主动轮与轴承的油量,提高了油液对箱体润滑降温效果。(4)流道改进前后的齿轮箱强度与模态仿真分析。仿真结果表明,改进流道后的齿轮箱与原始齿轮箱对比,强度与模态变化均较小。

关键词： 面齿轮传动   时变啮合刚度   LTCA   动力学   修形  

摘要： 面齿轮传动作为一种新型的齿轮传动方式,与传统锥齿轮传动相比,具有重合度大、承载能力强以及小轮浮动安装等优点。因其优秀的分流、汇流特性,使其在直升机的主传动系统中有着独特的优势。齿轮传动中的振动特性一直是评价齿轮传动主要技术性能指标,探究面齿轮传动中的动态性能,研究面齿轮传动系统减振降噪的设计方法,成为当前研究的热点问题之一。因此,本文针对正交直齿面齿轮传动系统的动力学行为进行了研究,主要包括面齿轮传动系统建模、考虑安装误差的系统时变啮合刚度求解、动力学模型建立、系统振动特性分析、面齿轮减振设计等方面。主要内容如下:(1)根据面齿轮插齿加工原理,推导出面齿轮齿面方程,构建了面齿轮传动系统的模型,进行了面齿轮点接触分析与安装误差分析,并基于轮齿接触分析(TCA)技术和承载接触分析(LTCA)技术建立了考虑安装误差以及轮齿修形的面齿轮副时变啮合刚度精确求解模型。(2)根据构建的TCA、LTCA模型,进行了准静态的面齿轮传动啮合性能分析,获得了齿面接触印痕、几何传动误差、承载传动误差、齿面载荷分布以及齿面载荷分布因子等参数。进一步结合上述时变啮合刚度求解模型,进行了时变啮合刚度仿真计算,通过对具有三种安装误差单独作用,以及安装误差耦合作用的面齿轮副进行啮合刚度仿真计算,得出了偏置误差、轴交角误差及其耦合作用对时变啮合刚度的影响规律。(3)根据齿面啮合原理及面齿轮齿面方程,计算出面齿轮齿面以及过渡面的三维离散点坐标,在此基础上通过Pro/E软件生成面齿轮三维模型,进而运用Ansys有限元分析软件对其进行啮合刚度仿真,得出了时变啮合刚度曲线,并将仿真结果与本文模型计算结果对比,验证了本文时变啮合刚度求解模型的正确性。(4)根据系统动力学集中参数建模理论,建立了考虑时变啮合刚度、齿面摩擦、尺侧间隙、静态传动误差等激励的多自由度平移-摆动-扭转振动耦合的面齿轮系统动力学模型,基于4～5阶变步长的Runge-Kutta法对模型求解,得到了面齿轮传动系统的动态响应,结合系统的分叉图、时间历程图和庞加莱截面图研究了时变啮合刚度、齿面摩擦和啮合频率等激励对系统动态特性的影响规律。(5)基于齿轮减振降噪设计理论,通过圆柱齿轮修形的方法对面齿轮系统进行减振设计,针对修形前后的面齿轮系统时变啮合刚度进行仿真,研究了修形对系统时变啮合刚度的影响规律,通过将修形后的时变啮合刚度导入动力学模型中,得出了修形对系统振动特性的影响。

关键词： 非圆齿轮   电火花线切割   表面完整性   参数优化  

摘要： 非圆齿轮作为一种应用广泛的复杂零件,其加工制造一直以来是研究的重点。电火花线切割加工是一种常用的非圆齿轮加工方式,具有诸多优点。随着现代制造技术的不断发展,对非圆齿轮表面完整性的要求与日俱增,仅使用表面粗糙度作为控制产品质量的主要参数和技术指标的现状,已经不能满足实际需要。而非圆齿轮的表面完整性对齿轮的各方面性能有着极大的影响。因此,从加工方式入手,研究非圆齿轮的表面完整性问题,对改善非圆齿轮的表面质量,提高其使用性能有着重要的意义。本文以Pascal蜗线齿轮为研究对象,对非圆齿轮电火花线切割加工的表面完整性进行了研究。主要内容如下:(1)电火花线切割温度场仿真。对电火花线切割加工的原理进行阐述。对电火花线切割单脉冲放电过程进行仿真分析,得到其在不同峰值电流和脉冲宽度时的温度场分布规律和放电凹坑的深度数值。(2)非圆齿轮电火花线切割加工试验及数据分析。以表面形貌、表面粗糙度、表面残余应力和表面显微硬度为指标,通过正交试验方法进行电火花线切割加工试验,采用方差分析和极差分析的方法得到加工参数对非圆齿轮表面完整性参数的影响规律和最优参数组合。(3)非圆齿轮表面完整性的综合评价。采用层次分析法和熵权法计算表面粗糙度、表面残余应力和表面显微硬度在非圆齿轮表面完整性评价体系中的权重,并使用基于博弈论的组合赋权方法计算综合权重,应用灰色综合评价方法对正交试验结果进行评价,其中关联度值最大的一组参数为最优参数组合。(4)非圆齿轮表面完整性指标的预测与多目标参数优化。基于正交试验数据,使用多元非线性分析方法和BP神经网络方法构建表面完整性预测模型并进行验证。使用蛇优化算法对非圆齿轮电火花线切割加工进行多目标参数优化,得到优化参数集。