关键词： 故障检测   旋转轴   PVDF压电薄膜   准静态标定实验   维间耦合  

摘要： 面向高性能齿轮传动系统服役期间测量急需,本文提出了一种通过动态监测转轴载荷进而对齿轮传动系统全生命周期内轮齿损伤进行监测的新方法,开展了齿轮轮齿损伤监测用压电式四维力/力矩传感器基础理论及实验研究。利用SolidWorks建立了正常工况、断齿以及点蚀工况情况下的直齿轮及斜齿轮传动系统三维实体模型。使用ADAMS进行仿真得到了直齿轮、斜齿轮在五种工况下的传动轴FX、FY、FZ向力值曲线,输入轴FX、FY、FZ向载荷在五种工况下具有明显的周期性,研究结果对直齿轮、斜齿轮传动系统的早期故障诊断提供了可行性依据。完成了四维力/力矩传感器的总体结构设计,对测量原理进行了分析。结合铁木辛柯（Timoshenko）梁理论,分别建立了传感器在FX、FY、MZ、FZ方向加载的力学模型,得到了梁上任意点的应变方程,建立了传感器空间四维力/力矩及空间干扰力矩表达式。利用ANSYS对传感器进行了静力学和动力学仿真分析,对各方向载荷加载时的聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜进行了应变分析和压电耦合分析,得到了FX、FY、MZ、FZ向电压灵敏度和最大仿真维间耦合。动力学仿真分析得到了传感器的前六阶振型及固有频率。以条件数最优和四个方向刚度最大为优化目标,利用MATLAB调用Fgoalattain函数解决多目标函数优化问题,进而对传感器进行尺寸优化。最后,基于负阶跃力标定机理,搭建了四维力/力矩传感器准静态及动态标定平台。对研制的传感器样机进行了静力学和动力学标定实验。准静态标定实验得到了传感器各方向量程、电压灵敏度、最大非线性误差、最大重复性误差和维间耦合误差,动态标定实验得到了传感器轴向固有频率和切向固有频率。

关键词： 非圆齿轮泵   动力学特性   联合仿真   流场仿真   脉动平抑  

摘要： 非圆齿轮泵是一种新型容积泵,兼具凸轮泵和齿轮泵的优势,具有大排量、高容积效率的特点。然而在流体输送过程极易产生剧烈的瞬时流量脉动,引起泵体与管道的振动和噪声,严重限制了非圆齿轮泵在工程中的应用。分析非圆齿轮泵的动力学特性,研究流量脉动平抑方法,对提高非圆齿轮泵的工作性能具有重要意义。本文通过研究非圆齿轮泵传动系统运动学特性及泵的流量特性,运用ADAMS-Simulink联合仿真与计算流体力学(CFD)数值模拟相结合的方法,提出一种利用PID技术实时调控驱动电机转速的流量脉动平抑方案,实现非圆齿轮泵的缓冲减振及瞬时流量脉动的平抑。首先,推导了非圆齿轮节曲线方程及主要设计参数的计算公式,建立非圆齿轮的三维实体模型。根据非圆齿轮设计理论,推导出非圆齿轮节曲线方程并对其封闭性、压力角和根切条件进行校验。基于非圆齿轮的数学模型,通过MATLAB软件虚拟加工包络出非圆齿轮的齿廓曲线,在Solid Works软件建立起非圆齿轮的三维实体模型。其次,研究了非圆齿轮泵的动力学特性:传动系统的运动学特性及非圆齿轮泵流体的流量特性。基于MATLAB分析非圆齿轮泵转子的阶数和偏心率对传动比、从动轮角速度及角加速度变化特性的影响,基于ADAMAS对非圆齿轮副进行运动学仿真分析。阐明了非圆齿轮泵的工作原理,推导了非圆齿轮泵排量和瞬时流量的计算公式,讨论了流量脉动的影响因素,得出非圆齿轮泵的动力学特性与瞬时流量脉动密切相关。然后,研究了基于并联卵形齿轮泵的流量脉动平抑方法。基于Fluent对卵形齿轮泵内部流场进行CFD数值模拟,分析内部流速和压力情况。建立并联卵形齿轮泵流场模型实现三维流场仿真,结果证明流量脉动率下降了25.66%,但该方法存在一定局限性。最后,运用ADAMS-Simulink联合仿真与CFD数值模拟相结合的方法,基于PID控制技术制定了机电一体化的流量脉动平抑方案,减少了传动系统的振动和冲击,大幅降低了流量脉动率。通过ADAMS和Simulink联合仿真,利用PID控制技术实时调控驱动电机转速从而控制齿轮泵转子的角速度运动规律,实现缓冲减震。结合卵形齿轮泵内部流场数值模型,通过Visual Studio平台以程序实现Fluent UDF和Simulink之间的数据交互,在流场模型中精确模拟PID控制后齿轮泵转子的变速比传动关系,平抑后卵形齿轮泵流量脉动降低了30.72%,相较并联卵形齿轮泵流量脉动率下降了5.06%。本文运用了ADAMS-Simulink联合仿真与CFD数值模拟相结合的仿真方法,提出了一种利用PID技术实时调控驱动电机转速的流量脉动平抑方案,该方法与并联卵形齿轮泵比较,能够在不增加泵体结构的情况下产生更好的平抑效果,并且具有低成本、高柔性的优点,为非圆齿轮泵的脉动平抑研究和优化设计提供理论方法和设计依据。

关键词： 航空发动机   齿轮   时域同步平均   脉冲增强   故障诊断  

摘要： 附件齿轮箱在航空发动机中起着重要的动力传递作用,其内部齿轮的健康程度对于齿轮箱的安全运行影响极大。当附件齿轮箱中的齿轮出现故障时,精确的转速难以获取且振动信号仅可通过箱体外壳上有限个测点采集,齿轮故障特征容易被其它零部件的振动和背景噪声覆盖,大幅降低了故障诊断的成功率。为此,本文以航发附件齿轮箱齿轮为研究对象,开展故障特征提取方法研究。主要内容如下:(1)针对无转速测取条件下齿轮箱齿轮谐频振动提取的难题,提出了基于互功率谱时域同步平均(TSA)的特征提取方法。基于估计基频等长度截取原始振动,定义每个分段的相位计算信号,同时构造相对应的参考余弦序列,通过两者的互功率谱检测分段的相位,并将其转化为离散域中的采样点数进行循环平移,补偿取整和频率估计产生的相位差,从而保证参与平均处理的信号分段之间高度同步。研究表明,所提方法能基本消除非整周期截取引起的相位误差累积,实现了齿轮谐频振动的有效提取,且相比于典型方法精度更高。(2)针对多部件振动干扰和复杂路径削弱下齿轮箱齿轮故障特征微弱的问题,提出了基于信号重构与优化脉冲增强的特征提取方法。通过建立可有效衡量故障脉冲强弱的指标,筛选经验模态分解(EMD)结果组成重构信号,去掉故障信息少的分量,并结合重加权峭度和鲸鱼优化算法对多点最优最小熵解卷积(MOMEDA)的故障周期进行寻优,从而获得最优脉冲增强信号。研究表明,所提方法能有效剔除宽频振动中的无关干扰,并规避预估冲击周期偏差带来的特征削弱,完成了齿轮箱齿轮微弱故障脉冲的定向强化与提取,且效果优于典型方法。(3)针对齿轮箱冗杂壳振信号中微弱齿轮故障特征经脉冲增强后可能仍不显著的问题,提出了基于优化脉冲增强与包络同步平均的特征提取方法。首先通过信号重构和故障周期寻优定位最优脉冲增强信号,然后从其包络信号中截取等长度的包络分段,并基于相位计算信号和对应参考余弦序列的互功率谱完成相位检测、转换和补偿,最后利用同步包络分段的平均处理提取与故障相关的谐频成分。研究表明,包络同步平均可突出最优滤波信号中的特征频率,且与理论值比对后实现了齿轮故障判定。

摘要： 前段时间，“命运的齿轮开始转动”这一话题火爆全网，其意思是在某个时间节点，人仿佛受到命运的眷顾，人生轨迹开始发生转变。有人在网络平台上晒出让自己人生发生重大转折的某一决定：或是独自去国外求学，或是选择一个自己喜欢的工作，或是拍摄一段有趣的视频，或是报名参加一个重要的活动……与此同时，也有人开始调侃：“为什么别人的齿轮转出了火星，而我的却停滞不前？”“平庸的我连命运的齿轮都生锈了吗？”其实，那些带着“命运的齿轮”话题标签的视频之所以让人看得心潮澎湃，是因为很多人把一切归为命运，仿佛一个好命的人轻轻松松就能获得成功。但是，“风起于青之末，浪成于微澜之间”，推动命运齿轮转动的力量，从来不止“好运”那么简单。命运的齿轮与时代同频共振。1921年，浙江嘉兴的南湖上，一艘红船缓缓驶过，所有中国人的命运齿轮开始转动；1949年后，“上九天揽月，下五洋捉鳖”的梦想照进现实，

关键词： 齿轮   电子元件   耦合特性  

摘要： 本文旨在研究齿轮与电子元件的耦合特性及其在机械系统中的控制策略。首先介绍了齿轮传动和电子元件的基本原理，并分析了二者耦合的机理和特点。其次进行了一系列实验，探究了齿轮与电子元件的耦合现象，并分析了实验结果。最后提出了一些机械系统中的齿轮与电子元件耦合控制策略，包括控制策略的设计与实施，并评估了其效果。本研究对于深入理解齿轮与电子元件耦合特性及提高机械系统的控制策略具有重要意义。

关键词： 齿轮动力学   齿廓热变形   齿侧间隙   啮合刚度   动态特性  

摘要： 齿轮传动具有传动效率高、传动比稳定等优点,因此在各种机械设备中得到广泛的应用。而在齿轮传动的运行过程中,其动态特性往往会影响到设备的整体稳定性和安全性。随着设备运行向高速化发展,温升导致的齿廓热变形对齿轮传动动态响应产生的影响越来越来显著,为此,本文针对齿廓热变形对系统动态特性的影响进行研究,构建了计算齿廓热变形的数学模型,进而建立考虑热变形的齿轮系统动力学模型并求解,探究不同非线性因素及温度变化对系统动态特性的影响。本文的具体研究工作包括以下几个方面: 基于Blok闪温理论和赫兹接触理论,构建了分别考虑干摩擦和混合润滑两种润滑状态的齿面闪温计算模型;根据齿轮啮合的几何关系和非均匀稳态温度场理论,考虑不同润滑状态下摩擦系数变化对齿廓热变形的影响,推导出齿廓热变形计算模型;利用MATLAB对齿面摩擦系数、齿面闪温以及齿廓热变形进行了数值仿真分析,结果表明:齿面润滑状态以及输入工况对三者大小和变化趋势影响很大,随转速和转矩的增大,齿面摩擦系数、齿面闪温与齿廓热变形均有所提高,且三者之间存在较强的正相关性; 将齿廓热变形考虑到齿侧间隙和时变啮合刚度的数学模型中,在传统非线性动力学模型的基础上引入齿廓热变形的影响因素,建立了考虑热变形的系统非线性动力学模型;利用龙格-库塔算法对动力学模型进行数值求解,得到时间历程图、相图、庞加莱截面图以及分岔图,比较了未考虑热变形和考虑了热变形的系统动态特性变化并分析了系统模型的激励频率、阻尼和啮合刚度幅值对动态特性的影响,揭示了齿廓热变形对系统动态特性的影响规律,证明了考虑热变形的动力学模型的有效性,结果表明:热变形主要影响传动系统的稳定性,对周期性影响不大,激励频率、阻尼以及啮合刚度幅值主要影响其运动的周期性和分岔特性; 最后利用齿轮系统振动实验测试平台分别进行了转速1000rpm、2000rpm和3000rpm的振动加速度信号测试实验,将实验结果与考虑热变形前后的齿轮系统扭转振动动力学模型的仿真结果进行对比分析,发现考虑热变形后的仿真结果与实验结果的吻合度更高,验证了建立的考虑热变形的动力学模型的准确性,证明了该模型可以较为准确地预测齿轮传动系统的动态特性。本文对于齿廓热变形对系统动态特性的影响机理进行了深入的研究和分析,为齿轮传动系统的动态特性研究提供了新的思路和方法。

关键词： 直齿轮副   多状态啮合   轮齿切换冲击   边界冲击   非线性动力学  

摘要： 齿轮传动被广泛应用于各类机械传动系统中,是高精度设备中的重要零部件。齿轮传动是一个包含多种时变参量且运动复杂的非线性系统,其动态特性会直接影响传动的平稳性,而啮合冲击是齿轮传动系统的一种重要内部激励。考虑轮齿的啮合冲击,并研究其对齿轮传动系统动态特性的影响,揭示其作用机理及发生条件,可为进一步减小由冲击产生的振动与噪声提供理论依据。渐开线直齿轮副是最简单的齿轮传动形式,其他齿轮传动形式都是在此基础上进行拓展和延伸,其啮合特性具有典型代表性。论文以最基本的渐开线直齿轮副为研究对象,主要研究内容包括: 首先,根据直齿轮副的多状态啮合特性以及载荷分配率,将啮合冲击划分为轮齿切换冲击和边界冲击两类。其中轮齿切换冲击分为单齿到双齿切换冲击和双齿到单齿切换冲击;边界冲击分为齿面和齿背边界冲击。 其次,基于赫兹接触理论,建立冲击时间与冲击力的计算模型。利用集中质量法和牛顿运动定律,建立考虑轮齿切换冲击的直齿轮副非线性动力学模型,并采用C语言编程求解其动力学方程。结果表明:在换齿位置考虑轮齿切换冲击后,其动态力由跳变转为渐变。 最后,基于能量守恒定律,提出一种齿面和齿背边界冲击的辨识方法。利用集中质量法和牛顿运动定律,建立考虑啮合冲击的直齿轮副非线性动力学模型,并通过C语言编程求解其动力学方程。结果表明:直齿轮副在啮合过程中会出现8种运动状态;在齿面啮合和齿背接触边界位置,相对速度幅值会发生跳跃;若边界冲击结束时刻的力在数值上大于准静态正压力时,则冲击结束后轮齿会发生相对分离。 对照有无冲击系统的分岔图、TLE图、相图、Poincaré映射图和动态力-时间历程图,研究啮合频率、载荷、齿隙、传递误差与阻尼对系统非线性动力学特性的影响。研究结果为揭示系统的啮合冲击机理和进一步减小冲击提供理论依据。

关键词： 行星齿轮箱   故障诊断   经验小波分解   元学习   云边协同  

摘要： 行星齿轮箱是旋转设备中的关键部件,其结构常见于工业机械手、卸船机差动变速箱、汽车变速箱等高速比大扭矩的场景。对行星齿轮箱进行故障诊断研究,开发设备监测维护系统能够提早发现设备故障,从设备维护和安全方面降低企业成本提高经济增长,具有极大的工程应用价值。本文对行星齿轮箱的振动机理、故障仿真模型、微弱故障特征提取和小样本迁移学习方向进行了算法和应用研究。论文的主要内容如下: (1)论述了课题背景和研究意义,阐述了行星齿轮箱的故障诊断和监测维护的重要性。分别总结了行星齿轮箱在微弱故障诊断和智能故障诊断的国内外研究现状,以及小样本和迁移学习故障诊断算法在工业实际应用的重要性。基于上述诊断算法的应用研究,分析了故障诊断在工业互联网中的应用案例。 (2)从齿轮啮合的力学模型出发,建立了齿轮啮合振动信号仿真模型。结合故障传递路径分析不同齿轮产生故障冲击的特点,建立太阳轮、行星轮和齿圈故障仿真振动信号模型。对仿真信号进行谱分析,论述了行星齿轮箱的振动故障特征。搭建了“背对背”工业级行星齿轮箱故障试验台,安装不同故障类型不同故障程度的齿轮故障件,采集多转速工况下故障振动信号,构建行星齿轮箱故障数据集。 (3)针对强噪声高负载下行星齿轮箱的早期微弱故障难以识别和诊断的问题,提出了基于稀疏引导的改进经验小波分解和多点最优最小熵解卷积的早期微弱故障特征提取方法。利用极小值频带划分法与故障综合指标,提高经验小波分解自适应性。计算信号稀疏度提取故障敏感分量。对敏感分量做多点最优最小熵解卷积运算,提取行星齿轮箱中齿轮的微弱故障特征频率。用仿真信号和实测信号验证该方法的有效性。 (4)针对数据驱动的智能诊断方法在实际工程应用中存在的缺陷,提出了基于改进经验小波结合原型网络的元学习智能诊断算法。采用改进经验小波分解提取原始信号数据特征,并进行元学习模型训练。通过小样本实验和迁移学习实验,验证了改进经验小波的特征数据相比原始故障数据,能够提升诊断准确率。并对比分析了所提方法相比于传统智能诊断方法在小样本和迁移学习场景下的优越性。 (5)针对行星齿轮箱故障诊断系统的实时性和智能化需求,基于云边协同计算模式开发了一套行星齿轮箱的故障诊断系统,该系统结合了云计算和边缘计算的优点,提供了数据采集、信号特征提取、在线监测和智能诊断等功能,具有工程实用价值。

关键词： 齿轮故障   故障诊断   小波包分解   小波去噪   BP神经网络  

摘要： 齿轮是传递动力与运动的重要机械元件,是动力系统的核心组成部分。由于长期在高速重载的工况下运行,因此易受到损害导致齿轮故障,进而诱发动力系统故障,造成经济损失甚至人员伤亡。对齿轮进行健康状态监测、及时诊断齿轮的故障类别可以有效提高动力系统的运行可靠性。目前,齿轮故障诊断领域需要解决的主要问题有:1)如何去除故障源信号中的噪声;2)如何准确提取故障特征;3)如何识别混合故障。围绕以上三个问题,本文分析了齿轮振动信号的频率成分后,分别从信号去噪、特征提取以及故障识别等方面开展了研究。首先,结合齿轮振动的特点建立齿轮系统的简化振动模型,将齿轮简化成一个由弹性元件、质量元件和阻尼元件所组成的振动结构;分析齿轮常见故障的产生原因,并对齿轮箱振动信号的频率成分进行研究。其次,对信号的时域、频域、时频分析方法分别进行了研究。经过大量实验研究后发现:时频分析法中的小波分解法适合去除信号噪声,且使用合适的小波基函数对不同的故障信号进行去噪可达到更好的去噪效果,有利于故障信号的特征值提取;将去噪后的信号进行小波包分解,并将分解系数进行能量归一化作为振动信号的故障特征。由于不同检测点测得的振动信号包含的特征信息不同,本文选取了3个检测点测量振动信号,并将3个通道获得的故障特征值组成特征向量作为故障识别的输入样本。最后,选择LabVIEW图形编程软件搭建齿轮系统故障诊断软件平台,并基于数据驱动进行了BP神经网络模型训练。经过实验验证得出:本文设计的齿轮故障诊断系统对一定范围内变输出负载的故障诊断结果可靠;系统可以准确识别出齿轮的混合故障。

关键词： 人字齿轮   齿面摩擦   齿侧间隙   非线性   频响特性  

摘要： 两级人字齿轮传动系统具有承载能力强、传动扭矩大等优点,因此,人字齿轮更多应用于大扭矩的船舶发动机等的齿轮传动中。然而,在高速、重载等因素下,齿轮可能在齿根处出产生裂纹,影响齿轮系统的正常运行。若能够及时检测齿轮裂纹故障,对维护设备的平稳运转有着十分重大作用。本文以两级人字齿轮传动系统为研究对象,综合多种激励因素下,建立含裂纹两级人字齿轮传动系统动力学模型,针对含裂纹人字齿轮时变啮合刚度对两级人字齿轮传动系统的振动特性影响机理,研究其传动系统的振动特性。采用势能法计算了含裂纹的两级人字齿轮系统中各齿轮副的时变啮合刚度。建立含裂纹人字齿轮刚度数学模型,将轮齿简化为悬臂梁模型,结合齿轮弯曲、剪切、轴向压缩和接触等因素,采用势能法计算含裂纹两级人字齿轮时变啮合刚度,而后分析了不同长度、不同深度、不同角度参数下的齿根裂纹对人字齿轮时变啮合刚度的影响规律。为揭示裂纹对船用两级人字齿轮传动系统的振动特性的影响规律,以两级人字齿轮传动系统为研究对象,将不同齿根裂纹参数下的时变啮合刚度代入到建立两级人字齿轮传动系统动力学模型中,通过考虑时变啮合刚度、误差、扭转刚度、支承刚度、齿面摩擦、退刀槽等内、外部激励影响因素,建立了系统48自由度的弯-扭-轴-摆动力学模型。根据牛顿力学定律,推导出相应的两级人字齿轮传动系统动力学微分方程。利用变步长Runge-Kutta数值法求解两级人字齿轮传动系统动力学微分方程,求得振动信号时域图、频域图、相图和Poincare图,得到两级传动系统的振动响应,分析了不同裂纹程度对两级人字齿轮传动系统的振动影响规律。利用频域图和时域图对比分析了正常人字齿轮与裂纹人字齿轮在的力学振动变化差异,揭示了裂纹对两级人字齿轮传动系统的振动特性影响机理,为人字齿轮传动系统的减振降噪和动力学性能研究提供了依据。搭建了两级人字齿轮传动系统试验台,通过试验,测试了不同裂纹长度对两级人字齿轮传动系统振动响应的影响。通过加速度传感器计算出不同裂纹对两级人字齿轮振动信号,将理论结果和实验结果对比。试验证实了本研究中所提出的模型对人字齿轮的动态特性研究是准确和可靠的,其研究结论为齿轮传动系统故障诊断提供理论依据。通过以上研究发现当人字齿轮产生裂纹时,随着齿根裂纹不断扩展,时变啮合刚度逐渐减小,时域响应中存在冲击现象,当齿根裂纹产生并随着裂纹程度的不断扩展,在次频附近产生微小的杂频,并且杂频会随着裂纹的不断扩展而增加。试验数据验证了理论仿真的计算结果。