关键词： 激光熔覆   等离子熔覆   硬度   耐磨性能   冲击韧性  

摘要： 为了修复失效的坦克传动轴齿轮,本文以失效的坦克传动轴齿轮为主要研究对象,首次使用多因素多水平多目标试验设计方法,选择Ni60合金粉末和WC-TiO2合金粉末,利用激光熔覆和等离子熔覆再制造工艺,在40Cr Mn Mo合金钢基体上分别制备了Ni60合金及其WC-TiO2复合涂层,采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和超景深光学显微镜等方法对涂层组织成分及结构进行表征,并对涂层的硬度、耐磨性等力学性能进行了测试,获得了如下结果。采用等离子熔覆工艺制备Ni60合金涂层,通过分析选取电流170 A;送粉速率6 r/min;离子气流量4 L/min;扫描速度2.5 mm/s进行优化试验,测得涂层硬度为449 HV0.2,比基体硬度提高了1.5倍。涂层截面未见明显的裂纹和孔洞等缺陷,涂层摩擦系数约为0.76,较基体降低约18.4%,磨损机制主要为磨粒磨损和表面疲劳磨损。涂层冲击吸收能量平均值升高到62.9 J,较基体提高约33.8%,冲击韧性得到提高。断口表现为凹凸不平的形态,存在明显的撕裂棱,在撕裂棱之间出现大量的大韧窝,大韧窝周围遍布小韧窝,韧窝分布比较均匀,为典型的韧性断裂。采用激光熔覆工艺制备Ni60合金涂层,通过分析选取激光功率1600 W,气体流量11 L/min,送粉速率10 r/min,扫描速度4 mm/s进行优化试验,测得涂层硬度为727.8 HV0.2,比基体硬度提高了2.03倍。涂层截面未见明显的裂纹和孔洞等缺陷,涂层摩擦系数约为0.61,分别较基体和等离子熔覆Ni60合金涂层降低约14.8%、12.5%,磨损机制主要为磨粒磨损。涂层冲击吸收能量平均值升高到53.75 J,较基体提高约14.4%,较等离子熔覆Ni60合金涂层降低约17%,与基体相比冲击韧性得到提高。断口表面起伏很大,凹凸不平,由大小不同的解理面和白色的撕裂棱组成,为准解理断裂机制,存在了较大沟壑区域,有一些结合力很低的球形物质附着在沟壑壁上,主要为韧性断裂并伴随少量脆性断裂。对比等离子熔覆和激光熔覆的涂层组织和性能结果,选取激光熔覆工艺为修复传动轴齿轮的最优再制造工艺。激光熔覆Ni60/WC-TiO2复合涂层平均值为842.7 HV0.2,是激光熔覆Ni60合金涂层硬度的1.09倍。显微组织可以看出涂层中存在大量WC颗粒和硬质碳化物,起到强化涂层作用。复合涂层平均摩擦系数为0.51,比激光熔覆Ni60合金涂层摩擦系数降低了19.6%。主要磨损机制为磨粒磨损。复合涂层冲击吸收能量平均值升高到52 J,较激光熔覆Ni60合金涂层降低约3.4%,但是比基体的冲击吸收功大,因此复合涂层的冲击韧性得到提高。断口表面起伏很大,凹凸不平,存在大量的WC颗粒、撕裂棱以及解理面,因此断裂方式主要为脆性断裂。

关键词： 齿轮箱   故障诊断   多尺度卷积神经网络   诊断系统  

摘要： 齿轮箱长期在工况复杂、环境恶劣的情况下工作,其中的零件又常常是在高速旋转、较大负载下持续运转,齿轮箱极易发生机械故障。对齿轮箱进行故障诊断,不仅可以使齿轮箱的工作年限更长,减少更换齿轮箱的成本,还可以避免机毁人亡等重大事故发生。近年来,“中国制造2025”、“机器换人、黑灯工厂”等工业现代化的不断推进,工厂的生产设备更加智能化,传统的故障诊断方法对当今的智能化设备故障识别效果稍显不足,面对传统机械设备的转型和升级,对深度学习故障诊断的方法研究具有一定意义。通过齿轮的振动机理分析,发现故障的齿轮进行啮合运动时会产生冲击力,这些冲击产生的振动通过轴承和连接轴导致整个齿轮箱的振动。因此,可以通过分析齿轮箱的振动情况间接地了解齿轮的健康状态。搭建了齿轮箱故障模拟实验平台,采集齿轮箱故障振动信号。针对传统卷积神经网络(CNN)对时序信息特征提取效果不好,对齿轮箱诊断准确率不高问题,提出基于CNN-Bi LSTM-SVM的诊断方法,该方法先将CNN算法与双向长短时记忆算法(Bi LSTM)相结合,使该网络模型同时具有提取空间特征和时间特征的能力,进而对齿轮箱故障数据中故障特征进行深度挖掘,并用支持向量机(SVM)代替传统的Softmax分类方式。通过实验台采集的数据验证,该组合模型诊断准确率为94.3%,比传统CNN网络准确率提高了14.4%。为了避免信号中的全局信息和细节信息可能在降噪、重构或其他操作中丢失,削弱分类的性能问题,提出了CWT-MSCNN的诊断方法,先通过连续小波变换(CWT)将信号转换为二维的时频谱图,并对多尺度卷积神经网络(MSCNN)模型做了改进,通过由4个不同大小的卷积核组成的通道提取时频谱图中的故障特征信息,最后进行特征融合以达到更好的分类性能。用实验台采集的数据和公开数据分别验证了模型性能,在实验台数据集中,改进后的MSCNN模型准确率为97.99%,比改进前的MSCNN模型提高了3.04%;在公开数据集中,准确率达到了98.7%,且收敛速度更快,通过t-SNE降维可视化方法分析,发现改进MSCNN提取的特征向量的类内紧致性和类间分化性较好。在理论分析的基础上,开发了齿轮箱振动信号采集与故障诊断系统,将3、4章的算法融入到系统之中,实现了数据采集、数据预处理、特征提取和图形化显示等功能。CWT时频谱图转换部分通过调用MATLAB实现,模型训练在Python上来实现,将训练好的故障诊断算法模型嵌入Lab VIEW搭建的故障诊断模块中,通过混合编程,使该系统实现了对齿轮箱信号采集分析和故障识别。

关键词： 螺旋锥齿轮   磨削加工   齿轮表面形貌   齿面闪温  

摘要： 附件传动系统是航空发动机必不可少的动力输出部件,螺旋锥齿轮又是附件传动系统必不可少的动力输出零件,是保证发动机正常运行的关键零部件。在航空附件传动系统齿轮箱被击穿、润滑系统被破坏等特殊乏油工况下,螺旋锥齿轮啮合接触处的温度快速上升,如此显著的局部温度升高将使齿轮快速失效。此时摩擦方式为干摩擦,齿面质量对干摩擦引起的闪温大小起着至关重要的影响。磨削作为齿轮加工最终工序对齿面质量起着决定性作用。为研究飞机在这一特殊工况下极限运行时间,本文以某型飞机附件传动系统螺旋锥齿轮为研究对象,基于分形理论对砂轮表面进行模拟,推导磨粒运动轨迹,建立磨削加工后考虑表面形貌的螺旋锥齿轮三维实体模型,将模拟的齿轮模型进行有限元仿真计算齿面闪温,分析砂轮形貌、齿轮形貌和齿面闪温三者之间的关系,实现由计算机生成分形砂轮表面到考虑表面形貌的齿轮三维实体模型再到有限元仿真计算齿面温度的模拟仿真分析。本论文主要研究内容如下:(1)采用结构函数法根据实测砂轮表面数据,计算出砂轮轮廓的分形维数和分形粗糙度参数,推导出砂轮三维表面形貌Weierstras-Mandelbrot分形函数,通过控制变量法模拟不同自变量函数的砂轮表面形貌,将实测砂轮表面形貌与模拟表面形貌进行对比分析,确定自变量函数表达式,最终模拟出基于分形理论的砂轮表面形貌。将模拟的砂轮表面形貌与测试实验结果进行对比分析,从而验证本文模拟砂轮表面形貌方法的准确性。(2)基于螺旋锥齿轮磨削加工轨迹建立齿面模型。根据磨削过程运动学理论,综合考虑磨削加工过程中因砂轮不平衡产生的振动对齿面形貌的影响,推导出磨削平面砂轮上各磨粒的运动轨迹。把齿面向轴向剖面投影,并将齿面和砂轮表面离散化,结合磨削理论,模拟出不同磨削加工参数下的齿面形貌。(3)提出一种测量三维实体齿轮模型齿面形貌的方法。通过坐标变换法,更改三维实体齿轮模型默认的坐标系,新坐标系经过简单平移变换与三维非接触测量轮廓仪测量齿面坐标系一致,为后文对比模拟齿面形貌和真实齿面形貌做铺垫。通过使用磨齿机床,更改各磨削加工参数,并使用三维非接触测量轮廓仪测量齿面形貌,验证本文模拟的齿面形貌的可行性,进一步验证上文模拟的砂轮表面形貌的准确性。此外,基于正交实验法和极差分析法对实验数据进行分析,确定各磨削参数对齿面质量影响程度,得出螺旋锥齿轮磨削工艺参数的优化配置,采用幂函数模型多元回归分析,建立磨削表面粗糙度的回归预测模型。(4)基于上文建立的磨削齿面形貌实体模型,将数值计算法与有限元分析法结合,计算齿轮啮合过程中齿面产生的闪温。并利用ANSYS有限元仿真软件进行摩擦生热仿真,验证数值计算与有限元法结合计算齿面温升的可行性,分析齿面温升规律及确定齿面任意点温升数值。

关键词： 啮合线   低滑动率   蜗杆面齿轮   碟形砂轮磨削  

摘要： 蜗杆面齿轮是一种蜗杆与面齿轮构成的新型空间交错轴齿轮传动,由于传动比大等优势广泛应用于大型运输机等航空装备,其齿面滑动率、磨损以及齿面精度等性能直接影响装备使用效率和寿命。蜗杆面齿轮因传动比大往往会出现齿面滑动率大、齿面磨损严重的情况,但目前低滑动率蜗杆面齿轮齿面设计尚未引起学者们的关注;同时针对蜗杆面齿轮的加工方法的研究也只是对粗加工技术进行探究,尚未形成有效的精密磨削加工技术,无法满足航空装备的高精度、高强度、高寿命的需求。本文以实现蜗杆面齿轮齿面的低滑动率为设计目标,同时保证齿面啮合性能,形成低滑动率蜗杆面齿轮齿面设计方法和基于五轴数控磨齿机的碟形砂轮精密磨削技术,主要研究内容如下所述。(1)形成低滑动率蜗杆面齿轮齿面设计方法。分析蜗杆轴截面齿廓与啮合线的关系,基于蜗杆轴截面齿廓滑动率的计算公式,探究啮合线对齿廓滑动率的影响规律。给定啮合线三次函数,通过调整啮合线函数的参数达到降低齿面滑动率的目的,并得到低滑动率蜗杆轴截面齿廓方程,进而推导出低滑动率蜗杆面齿轮齿面方程。(2)基于低滑动率蜗杆面齿轮齿面设计方法,求解蜗杆面齿轮副空间共轭曲面滑动率,建立蜗杆面齿轮副加载接触分析模型。以啮合线函数参数为优化变量,以蜗杆面齿轮齿面滑动率最大值最小、齿面最大接触应力最小为优化目标,建立基于多目标NSGA-II优化算法的优化模型求解最优解。通过有限元仿真手段对比优化前后的滑移量和齿面最大接触应力,验证理论分析结果。(3)提出基于五轴数控磨齿机的碟形砂轮磨削蜗杆面齿轮精密加工方法。分析碟形砂轮、蜗杆、蜗杆面齿轮三者的相对运动关系,探究碟形砂轮磨削蜗杆面齿轮的加工原理,基于三者的内外啮合关系,创建蜗杆面齿轮的磨削加工坐标系,求解蜗杆面齿轮的磨削加工模型。利用VERICUT软件进行蜗杆面齿轮的磨削加工仿真,根据蜗杆面齿轮的磨削加工运动关系得到碟形砂轮在机床坐标系下的四轴联动方程。开展碟形砂轮磨削蜗杆面齿轮实验加工,加工结果显示,蜗杆面齿轮的齿距和齿形分别为4级和5级精度,验证了本文提出的碟形砂轮精密磨削方法的合理性。本文主要针对蜗杆面齿轮副传动比大造成的齿面滑动率高和蜗杆面齿轮精密磨削刀具设计与路径规划困难两个问题,提出了蜗杆面齿轮的低滑动率齿面设计方法和碟形砂轮精密磨削技术,并加工得到4～5级精度的蜗杆面齿轮。论文的研究成果可以应用于蜗杆面齿轮副的高精密制造领域。图74幅,表7个,参考文献87篇

关键词： 局域强信号   自适应消噪   齿轮故障诊断   监测系统  

摘要： 齿轮是动力传动系统的关键组成部分之一,具有高功率密度和高效率等优点,广泛应用于航空航天、风力发电、高铁等重要装备中。然而高温、重载、冲击等苛刻服役环境极易诱发齿轮故障,严重威胁着机械设备的运行可靠性和人员生命财产安全。传统诊断方法主要依靠布置于齿轮箱体、轴承座等外部位置振动加速度传感器实现振动信号的拾取和进一步的分析诊断。受制于传递路径、界面耗散、背景噪声等因素,振动信号中故障特征衰减明显,限制了齿轮早期剥落故障诊断准确率的提升。因此,开展内部嵌入式或原位信号感知研究、提出适用于内部局域信号的信号消噪方法,实现早期剥落故障微弱特征的增强和提取,对齿轮传动系统安全服役能力提升具有重要的工程价值和理论意义。本文围绕齿轮早期剥落故障原位感知局域信号的采集原理、消噪方法和诊断识别开展研究,构建了含早期剥落故障的齿轮-原位传感器(指布置与齿轮端面的嵌入式传感器)耦合动力学模型,探明了原位感知局域信号(齿轮端面上采集的振动信号)的动态变化规律和调制机理,提出了适用于局域强信号的多层级自适应卷积网络消噪算法,实现了局域强信号中齿轮早期剥落故障特征成分增强和诊断识别,最后开发了一套面向原位感知的齿轮箱无线健康状态监测系统。本论文的主要研究内容包括:(1)针对齿轮原位传感器感知的局域强信号构成不明和调制机理不清的问题,构建了含齿面早期剥落故障的齿轮-原位传感器耦合动力学模型,探明了齿轮局域强信号的构成成分,分析了齿轮原位传感器的信号感知机理以及不同状态下的齿轮振动调制机制,揭示了不同转速工况对齿轮原位传感器感知的局域强信号的影响规律。(2)针对非平稳多源噪声环境下自适应消噪滤波器最优参数全局寻优难的问题,基于维纳滤波和梯度下降原理,提出了一种新的多层级自适应消噪卷积网络构建方法,克服了传统自适应消噪算法消除非平稳噪声时的全局最优参数搜索效率低、不准确等缺点,数值仿真了包含随机、有色等多类型噪声的齿轮故障信号,对比验证了算法的有效性和优越性。(3)针对齿轮传动系统非平稳运行导致的特征频率模糊现象,提出了基于局域强信号转速分量的角域阶次分析方法,搭建了齿轮剥落故障实验台,模拟了齿轮早期剥落故障,测得了正常齿轮和齿面剥落故障状态下的局域强信号,实现了齿轮剥落故障信号中正常信号分量和噪声分量的抑制,验证了算法在角域上消噪的可行性,提高了对齿轮故障诊断的准确性。(4)基于齿轮局域强信号的原位感知方法和数据无线传输原理,设计了齿轮原位感知的振动加速度传感器和无线数据采集板,开发了齿轮箱健康状态无线监测系统,集成了网络传输、系统管理、信号采集、数据存储、数据分析和齿轮故障信号噪声自适应消除及诊断等功能。

关键词： 螺旋锥齿轮   接触印痕   结构光   编码约束   实例分割  

摘要： 螺旋锥齿轮凭借其传动平稳、承载能力高、噪音小、结构紧凑等特点而被广泛应用于航空航天领域的高速重载高精度的机械传动结构中。接触印痕的位置大小以及方向的优劣反映着齿轮的各项综合误差,直接影响着齿轮传动质量、承载能力与振动噪声。目前在生产实践中仍采用“贴色法”的纯人工检测方法,虽然区别于传统的“目测法”,能够进行定量分析,但是存在主观性强、耗费人力且灵活度与效率低的劣势。本文基于机器视觉、图像处理以及深度学习等技术,研究螺旋锥齿轮接触印痕识别与检测方法,通过试验验证对螺旋锥齿轮齿面接触印痕的图像采集-三维重建-点云处理-参数测量的全自动化检测流程。论文的主要研究工作如下: 1)对螺旋锥齿轮接触印痕与全齿面的识别技术与方法展开研究。基于深度学习与图像处理技术,通过YOLACT单阶段实例分割方法实现对接触印痕与齿面区域的图像分割,得到了后续立体匹配与三维重建所需的目标区域的轮廓信息。 2)针对螺旋锥齿轮反光、低纹理复杂曲面寻找到适合的图像采集方法,通过加入结构光图案投影的方法,增加齿面表面纹理信息,辅助以双目工业相机,无需单独对投影设备进行标定。通过三维重建得到深度信息并恢复齿面三维形状,解决了由于检测目标表面纹理与环境因素而产生的图像区域采集不完整的问题。 3)基于结构光编码约束与双目相机极线约束实现对齿面图像特征的立体匹配。通过对采集到的结构光图像进行编码解码,求得解包裹相位后的绝对相位值。以该编码值为约束,加上极线约束进而锁定左右图像上对应点的位置,实现特征点匹配。根据已知特征点进行深度计算,然后得到了三维重建后的齿面稠密三维点云。 4)搭建完整的螺旋锥齿轮接触印痕检测软硬件系统。以两个工业相机加投影仪设备搭建硬件平台,基于python语言进行编程,以Py Charm与Anaconda作为开发平台,设计软件系统用于实现对螺旋锥齿轮齿面接触印痕的图像采集-三维重建-点云处理-参数测量全自动化检测流程。最后实现了螺旋锥齿轮接触印痕的识别以及得到了其几何形状参数以及边界距离参数的检测结果。 论文提出的螺旋锥齿轮接触印痕识别与检测方法能够大大提高检测的准确度与效率,得到的接触印痕检测结果与贴色法得到的结果相对误差控制控制在合理范围内,可达到检测要求,能够为螺旋锥齿轮的表面质量判断提供新的技术与方法,具有较高的应用价值。 图66幅,表15个,参考文献73篇

关键词： 准双曲面齿轮   端面滚齿法   颤振   切削动力学建模   颤振抑制   加工形貌预测  

摘要： 准双曲面齿轮传动可以方便地实现空间交错轴间动力和运动的传递,且具有许多优点,比如重合度高、承载能力强等。在当今的工业生产生活中已经被应用于航空航天、汽车、舰船和工程机械等诸多重要领域。摆线齿准双曲面齿轮采用连续分度法进行双面铣齿,这种方法又被称为端面滚齿法。端面滚齿过程中因切削力引起的机床振动是影响准双曲面齿轮的加工精度与齿面表面质量的重要因素,这将导致被加工齿轮在工作过程中的冲击和噪声。但由于准双曲面齿轮的加工原理复杂、曲面复杂,当前未有高效精确的针对端面滚齿法的切削动力学模型和有效的颤振抑制手段。 针对上述挑战,本文以准双曲面齿轮副大轮的半展法成法为研究对象。从端面滚齿法的加工过程中工件与刀盘之间的相对运动和加工原理出发,提出了准双曲面齿轮工艺系统切削动力学建模的矢量化方法。系统分析了端面滚齿过程中的切削力、机床振动、齿面加工振纹等,以此为基础,设计了一种可调谐分布式阻尼动力吸振器对端面滚齿过程中的颤振进行抑制。主要内容包括以下五个方面: (1)以某国产螺旋锥齿轮数控铣齿机床为研究对象,在机床各个运动部件的相对运动关系和准双曲面齿轮啮合原理的基础上,采用齐次变换矩阵研究了端面滚齿过程中齿面的形成。提出了齿面形成过程各加工周期下被加工齿面上同源点的概念,将同源点之间的差矢量向对应时刻下被加工齿面位置点的法矢量投影,构造了高效高精度的准曲面齿轮端面滚齿加工过程的矢量化瞬时切削厚度模型;根据准双曲面加工过程的边界理论,得到在各进给位置瞬时切削宽度的解析解。结合经典的金属斜角切削理论,将端面滚齿过程在切削区域沿刀具切削刃方向离散化为基本的金属斜角切削过程,首次构建了高效的全解析式准双曲面齿轮端面滚齿加工铣削力预测模型。与已有的端面滚齿法半解析切削力预测模型相比,所提出的矢量化全解析式铣削力预测模型可以完整的预测整个刀盘上所有刀条的切削力合力。对端面滚齿加工过程切削力的预测效率提高了75.67%,预测误差小于5%。 (2)考虑机床振动的影响,利用所提出的矢量化方法仿真得到了在计入机床振动后被加工齿面的实际加工形貌。同理,根据各个切削周期被加工齿面上同源点的定义方法,提出了考虑了机床振动的齿面扩展同源点的概念。利用考虑了机床振动后的扩展同源点与对应无振动理论齿面同源点之间的差矢量向理论齿面对应点的法向量投影,构建了因振动引起的切削厚度的变化模型。结合同源点构造的切削厚度模型,对切屑再生效应进行了矢量化表征。考虑加工过程中齿面上各个点法向量的非线性时空变化特点、刀盘上刀具切削刃与工件之间的啮入啮出行为、加工过程中的非连续间断切削过程和因振动引起的跳动效应,建立综合了机床结构模态参数、准双曲面齿轮加工工艺参数、刀盘几何参数、准双曲面齿轮齿坯设计参数和材料参数的全解析式准双曲面齿轮端面滚齿工艺系统的切削动力学模型。与工业生产中的实测振动、有限元分析模型相比较,其误差控制在15%以内,可高效完成准双曲面齿轮端面滚齿加工全过程的机床振动仿真分析,并实现了工程应用、理论模型和有限元分析三者的相互印证。与本文中由半解析切削力预测模型扩展而来的切削动力学模型相比,其计算速度提高了36.11%。 (3)基于扩展同源点的概念,计算了准双曲面齿轮加工过程中刀具切削刃在齿面法线方向上的振动分量引起的齿面形貌的变化,利用计算机可视化编程实现了对被加工齿面振纹和三维形貌的仿真预测。与实际加工振纹相比,预测得到的齿面加工形貌和实际形貌具有相同的特征,表明了半展成法加工过程中出现的齿面直纹是由于加工过程中出现的机床颤振引起。 (4)为消除加工过程中出现的齿面颤振振纹,设计了一种新型的可调谐分布式阻尼动力吸振器并对其参数调谐优化算法进行研究。与传统的调谐质量阻尼器相比,所提出的非传统调谐阻尼动力吸振器具有较高的结构灵活度,对端面滚齿加工过程中主要频率振幅的抑制效果提高了57.63%。 (5)集成了准双曲面齿轮端面滚齿加工的切削动力学分析研究软件平台。可利用软件对螺旋锥齿轮加工过程的仿真,提取加工过程中的切削力、切削振动、表面形貌误差等各类信息。为新一代的准双曲面齿轮加工机床的开发和设计提供理论基础和技术指导。