关键词： 消噪   特征提取   Fisher score特征选择   齿轮故障诊断   健康状态识别  

摘要： 变速箱是旋转机械设备中传递动力的重要部件,其状况决定了整个设备的安全和稳定运行,因为其运行环境极其恶劣,故障率很高。据研究发现齿轮是变速箱中最容易发生故障的零部件之一,在许多变速箱引发的事故问题中,由齿轮失效引发的变速箱故障问题最为常见。齿轮发生故障时,必然会导致变速箱无法正常运转,进而会影响设备的安全运行,导致严重的经济损失或人身伤害。本文首先对振动信号的预处理方法进行了研究,采用结合经验模态分解法(Empirical Mode Decomposition,EMD)与小波阈值的消噪方法对齿轮故障振动信号进行消噪处理,通过与小波阈值法、EMD的消噪效果进行对比分析,验证了该方法的有效性。然后,从消噪后的振动信号中分别提取时域、频域及熵特征构成多域原始特征集,并利用Fisher score评价准则进一步从原始特征集中筛选出能够反映齿轮故障信息的特征子集。为了研究变速箱中齿轮的故障诊断问题,本文提出了两种不同的基于深度学习算法的齿轮故障诊断识别方法。首先建立卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)模型,并将原始特征集及特征选择处理后的特征子集输入到网络模型中进行分类,考察特征选择对于分类准确率的影响。并研究CNN模型不同参数设置对分类效果的影响,分析CNN故障诊断模型的分类性能。最后建立DBN-SVM故障诊断模型,实现齿轮不同故障类型的分类识别,并与DBN、SVM模型进行对比分析。针对故障诊断问题仅适用于在故障发生后实现,无法提前知晓故障产生,本文建立了基于CNN-LSTM的变速箱健康运行状态识别模型,研究不同网络层数与学习率对模型识别效果的影响,确定最优结构参数,实现变速箱运行状态的识别预测。并与CNN、LSTM模型的分类效果进行对比分析,该研究对于提前预知非健康运行状态、降低故障发生率、确保机械设备安全运转具有非常重要的意义。

关键词： 微型齿轮   行星轮系   有限元法   疲劳寿命预测   动态故障树   可靠性  

摘要： 随着航空发动机的不断发展,其对空气涡轮起动机的高性能要求也增加了传动系统及相关部件的设计难度。微型行星齿轮传动减速结构凭借其具有较高的零件集成度及可在狭小空间内实现同轴差速传动的优点被选择用做空气涡轮起动机内部减速结构。为了满足某型空气涡轮起动机的研制要求,本文研究航空用微型行星齿轮传动结构设计与运转试验、微型齿轮接触疲劳与弯曲疲劳寿命预测及基于动态故障树模型的微型行星齿轮系统可靠性分析。本文主要研究内容如下: (1)依据某型空气涡轮起动机的研制要求,对微型行星齿轮传动减速结构进行选型与方案设计,通过试制微型行星齿轮传动减速结构的运转试验,验证了微型行星齿轮传动减速结构选型与齿轮各参数设计的合理性,为微型行星齿轮传动减速结构寿命与可靠性等性能研究奠定基础。 (2)在有限元分析软件中导入微型齿轮副三维模型,对齿轮副进行瞬态动力学仿真分析,将瞬态动力学仿真结果导入疲劳寿命计算软件中,考虑材料的S-N曲线,计算得到不同载荷作用下微型齿轮的弯曲疲劳寿命,为拟合微型齿轮弯曲疲劳S-N曲线提供理论基础。 (3)根据经验公式及有限元仿真结果分别拟合出微型齿轮接触疲劳与弯曲疲劳S-N曲线,利用有限元法计算载荷谱中各级载荷作用下微型齿轮所受到的接触与弯曲应力,结合已获得的微型齿轮接触与弯曲疲劳S-N曲线,利用疲劳累积损伤理论预测各微型齿轮的接触与弯曲疲劳寿命。 (4)建立基于动态故障树的微型行星齿轮系统可靠性分析模型,采用二元决策图(BDD)和与马尔可夫模型(Markov Model)相结合的动态故障树分析方法对微型行星齿轮系统进行可靠性分析,计算了系统可靠度与系统平均故障间隔时间(MTBF),对微型行星齿轮系统故障树模型中的静态子树和动态子树进行了重要度分析,对微型行星减速器进行了加速寿命试验,验证了微型行星齿轮系统的可靠性。

关键词： 变分模态分解   齿轮特征提取   齿轮故障检测   频谱相关性分析  

摘要： 在汽车传动技术领域中,齿轮传动设备起着至关重要的角色,齿轮失效是传动设备中产生故障的主要原因。若汽车齿轮早期故障及时发现并修复,能够避免因齿轮故障导致的一些重大损失。同时,汽车在运行过程中,齿轮处于非平稳状态下运转。因此,本文针对非平稳运行状态的汽车齿轮,进行汽车齿轮故障检测方法的研究与分析。首先,本文对汽车齿轮啮合振动机理进行分析,并通过建立汽车齿轮的力学模型进行故障信号的频谱相关性分析。然后,针对汽车齿轮故障信号难以提取的问题,本文将改进的小波阈值的方法对信号进行降噪处理,抑制故障信号中存在的干扰量,采用变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)将降噪后的齿轮故障信号分解成一系列的固有模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF)。接着,针对VMD中模态个数和惩罚因子难以确定的缺点,采用原始信号与分量信号之间的相关系数分析结果对分解的IMF个数确定,以及采用样本熵最小值原则对惩罚因子进行优化;将得到的IMF进行FFT变换,利用FFT频谱实现齿轮特征提取。最后,结合本文研究的汽车齿轮信号具有非平稳和非线性的特点,采用遗传算法(Genetic Algorithm,GA)对支持向量机(Support Vector machine,SVM)进行优化,进而实现齿轮故障诊断。为了验证所提出汽车齿轮故障检测方法的有效性,本文设计了汽车齿轮故障检测的实验系统,并对所提出的方法进行验证。实验结果表明,本文的汽车齿轮故障分类诊断的准确率达到了95.41%,实现了高精度、高效率的汽车齿轮的故障诊断。

关键词： 螺旋齿面齿轮   车齿加工   加工仿真   试验验证  

摘要： 螺旋齿面齿轮传动是一种空间非平行轴齿轮传动形式,它是由一个圆柱齿轮和螺旋齿面齿轮啮合构成的。与锥齿轮传动相比,螺旋齿面齿轮传动的重合度更大,齿面接触更充分,同时也更加平稳、噪音更小,在机器人关节、车辆后桥减速器、直升机减速器等方面有着广泛的应用。现有的面齿轮机械展成加工方法主要适用于直齿面齿轮和小螺旋角面齿轮,而不能范成加工出具有大螺旋角的面齿轮齿面,因此本文针对大螺旋角面齿轮展成加工方法的局限性,提出并研究车齿法加工螺旋齿面齿轮的技术,主要内容如下:根据螺旋齿面齿轮的插齿加工原理,构建了螺旋齿面齿轮的齿面方程,根据面齿轮的插齿加工运动关系,建立了插齿加工面齿轮坐标系,由渐开线圆柱齿轮的齿面方程,根据渐开线圆柱齿轮和螺旋齿面齿轮的啮合关系,推导了面齿轮的理论齿面方程。运用数值计算方法,获得螺旋齿面齿轮齿面的离散点坐标,进而运用三维软件得到了螺旋齿面齿轮的三维数字化模型。根据空间齿轮啮合原理,提出了利用小螺旋角斜齿刀具车齿加工大螺旋角面齿轮的方法。构建了车齿法双自由度展成螺旋齿面齿轮的理论加工模型,获得了刀具与工件的空间位置布局,建立了碗形车齿刀具刃形曲线的数学模型,根据车齿法加工运动分析,基于空间曲面双自由度包络原理和车齿法加工的运动关系,推导了车齿法加工的螺旋齿面齿轮齿面方程。根据求得的齿面离散点坐标,建立齿面误差分析模型,对得到的螺旋齿面齿轮齿面和理论齿面进行齿面误差分析对比。构建了车齿法数控加工螺旋齿面齿轮的加工运动模型,对螺旋齿面齿轮进行数控车齿加工仿真。根据螺旋齿面齿轮车齿法加工数控机床的结构特点,建立了车齿机床的三维模型,根据面齿轮车齿法加工理论模型与数控加工模型运动转换关系,对车齿法数控加工运动进行分析,确定了车齿法数控加工各轴的运动参数。设计了碗形车齿刀结构,研究了刀具刃形曲线的修形方法,建立了刀具的三维模型。运用VERICUT数控加工仿真软件,导入机床和刀具模型,由上述获得的数控机床各轴的运动参数,编写数控加工程序,开展螺旋齿面齿轮的车齿法加工仿真,并对仿真结果进行了分析比较,进一步研究了数控车齿法加工螺旋齿面齿轮数控编程的一般规律。根据上述螺旋齿面齿轮的车齿法加工原理,考虑加工设备等因素,开展了车齿法加工面齿轮试验。根据螺旋齿面齿轮车齿加工仿真过程获得的一般方法,对车齿法加工直齿面齿轮进行仿真加工和分析对比。根据实际加工设备参数,设计了面齿轮车齿试验方案,利用洛阳科大越格数控机床的车齿机床,对直齿面齿轮进行车齿法加工,并对加工完成之后的直齿面齿轮进行齿面检测,检测结果表明,左齿面的误差74.4μm,右齿面的误差为60.7μm,通过试验可以进一步验证车齿法加工面齿轮的正确性与可行性。

关键词： 齿轮箱箱体   疲劳试验   有限元仿真   载荷时间历程曲线   疲劳寿命  

摘要： 随着我国高铁发展的日新月异,“中国速度”不断走向全世界,高速铁路的快速发展和运营速度的不断提高对于其列车性能要求越来越高。高速列车转向架中的齿轮箱作为能量转换与传递的核心单元,对高速列车的动力传输和安全运行具有十分重要的作用,因此开展高速列车齿轮箱箱体疲劳寿命研究具有重要的工程意义,论文研究内容如下:本文以高速列车CRH380A齿轮箱箱体为研究对象,以疲劳寿命分析为研究目的。首先截取了CRH380A箱体材料制成标准试样在实验室进行疲劳试验,利用高频疲劳试验机和测试软件结合得到该材料的不同应力级下的应力循环次数,依据数据结果运用最小二乘法拟合绘制S-N曲线,另外分析计算运用幂函数拟合绘制出了存活率P为50%、90%和99%的P-S-N曲线,根据升降法测定箱体材料的疲劳极限为110MPa。然后通过3D扫描技术联立Solid Works软件建立起齿轮箱箱体的三维数据模型,将三维数据模型导入有限元软件中进行超常载荷工况下的静强度分析,结果显示启动工况为最危险的工况,箱体最大应力值达到139.07MPa,小于箱体材料许用应力190MPa,认为箱体强度符合要求;另外针对可能存在的共振问题对齿轮箱体进行了约束模态分析,分析结果表明箱体前8阶模态频率范围处于628.52Hz至1166.6Hz之间,远小于在高速工况下列车平稳运行的箱体内部齿轮啮合频率2450Hz,得到箱体内部结构不会发生共振的结论。接着利用UM多体动力学软件建立起高速动力转向架系统模型和齿轮箱传动系统以及齿轮箱刚柔耦合模型。以高速列车平均运行速度300km/h为分析工况,在UM中考虑轮轨激励得到齿轮箱箱体在300km/h高速工况下所受的外激励载荷时间历程曲线,在ADAMS动力学仿真软件中考虑内外激励得到此高速工况下箱体所受的载荷时间历程曲线,将得到的S-N曲线和载荷时程数据联立ANSYS有限元仿真进行此高速工况下的瞬态分析,分析得到箱体的等效应力云图,结果表明此工况下箱体的疲劳薄弱点位于位于小齿轮箱与下箱体连接右下端,最大应力为21.23MPa。最后将有限元仿真结果映射到n Code疲劳寿命分析软件中进行齿轮箱箱体的疲劳寿命分析,通过采用不同存活率的P-S-N曲线,分别得到了箱体在P=50%、P=90%和P=99%的疲劳寿命云图,计算得到箱体危险部位处发生疲劳破坏所需最少循环次数为2.361×10～8;将危险部位的载荷应力谱进行雨流计数处理,并编制8级程序载荷谱,将该载荷谱运用Goodman公式修正并采用名义应力法和Miner法则理论计算箱体的疲劳寿命为2.137×10～8个循环,同有限元仿真结果做对比分析。

关键词： 共轴双旋翼   混合建模   动态响应   齿轮   敏感性  

摘要： 本文以共轴双旋翼传动系统新型构型为研究对象,开展了双转子-中介轴承系统动力学建模、动态响应分析以及响应影响因素研究,以及传动系统动力学混合建模、动态响应分析、响应影响因素分析以及系统敏感度性参数分析,基于软件MATLAB GUI工具,开发了该传动系统的设计分析软件。主要研究内容有: (1)考虑双转子不平衡量,建立双转子-中介轴承动力学模型,采用龙格库塔法求解了系统振动微分方程,获得系统动态响应,以及使双转子-中介轴承系统振动响应最小的中介轴承最佳位置,并研究了不平衡量、中介轴承支撑刚度以及双转子壁厚系数等对双转子-中介轴承系统响应的影响。 (2)基于节点有限元法,使用梁单元模拟形成轴单元、推导锥齿轮和三齿轮啮合关系形成啮合单元、通过弹簧和阻尼与轴段连接形成轴承单元,从而建立了共轴双旋翼传动系统动力学混合模型,并考虑了齿轮副间的时变啮合刚度,啮合阻尼、传递误差和齿轮轴支撑刚度的影响,并通过坐标系关系转化,得到传动系统混合动力学模型。 (3)基于傅里叶级数法求解传动系统整体矩阵,获得传动系统动态响应;通过改变系统参数,分析了啮合刚度、轴系轴长以及轴系壁厚系数等对传动系统动态响应的影响规律,开展了系统敏感性参数分析,获得了影响传动系统动态响应的敏感性参数。 (4)基于MATLAB GUI工具,开发了包括传动系统的位移响应计算、响应影响因素分析以及系统敏感性参数分析等模块的传动系统分析软件,以便于开展不同参数下传动系统的位移响应计算、响应影响因素分析以及系统敏感性参数分析。

关键词： 可靠性   Kriging模型   仿真分析   高低机末级齿轮   AK-MCS算法  

摘要： 高低机是驱动火炮起落部分的动力传动装置,在火炮发射的过程中起到调整射击角度的作用,因此对于火炮的瞄准过程而言,高低机的可靠性研究是很有必要的。高低机的末级齿轮因其结构和在火炮发射过程中作用的特殊性,本课题基于Kriging代理模型并结合运动学、动力学、有限元仿真法和数值仿真法等,对高低机末级齿轮进行可靠性相关研究。本课题研究的主要内容如下:(1)对基于Kriging和Monte Carlo的AK-MCS算法进行理论推导与程序编写,并通过两个算例,说明程序的收敛速度、稳定性和准确性均满足要求。(2)高低机末级齿轮在高低俯仰时,会产生接触应力与剪切应力,对高低机末级齿轮的应力强度可靠性有所影响,针对此工况,本课题采用有限元仿真得到俯仰过程中末级齿轮的接触应力与剪切应力,并对其进行应力强度校核;改变本工况中的参数获得初始样本,利用AK-MCS算法完成高低机末级齿轮俯仰时应力强度可靠性的分析。(3)弹丸发射时会产生一个动力偶矩,此时高低机末级齿轮处于自锁状态,在动力偶矩的存在下,对高低机末级齿轮做有限元仿真得到此状态下的接触应力,并对其进行接触强度校核;改变此工况的参数获得初始样本,利用AK-MCS算法对高低机末级齿轮在弹丸发射时的接触强度可靠性进行分析。(4)车载武器在移动瞄准时,高低机末级齿轮会产生耦合型振动,将耦合型振动模型编制MATLAB程序利用龙格库塔法进行数值求解,得到高低机末级齿轮在耦合型振动中的传递误差,并校对于临界传递误差;改变工况中的参数获得初始样本,利用AKMCS算法完成车载武器在移动瞄准时高低机末级齿轮的传递误差可靠性分析。

关键词： 齿轮箱   故障诊断   变分模态分解   卷积神经网络   门控循环单元   信息融合  

摘要： 齿轮箱是一种常见的用以传递动力的机械设备,已被广泛应用于农业生产、风力发电等领域,一旦齿轮箱出现故障,将直接影响到工业生产和日常生活,严重的甚至还会造成人身伤亡和经济损失。所以,对齿轮箱及其关键零部件开展故障诊断,及时发现和排除故障对于保证机械设备的健康运行和减少设备维护成本起着关键作用。本文以齿轮箱中的关键部件—齿轮作为研究对象,通过搭建齿轮箱故障实验平台,采集振动信号,利用机器学习和深度学习方法开展对齿轮箱故障的智能诊断研究。论文的主要内容包括以下几个方面:1.首先,对齿轮箱中常见的失效形式及其产生的原因进行简要分析,根据现有实验条件选择合适的实验器材搭建齿轮箱故障实验平台,设置齿轮故障形式,并开展实验,采集后续实验验证和分析所需的振动数据。2.针对齿轮箱振动信号非线性的特点以及存在冗余成分干扰的问题,提出一种自适应变分模态分解(AVMD)与精细复合多尺度散布熵(RCMDE)结合的特征提取方法。首先,利用AVMD分解对获取的振动信号进行去噪,针对VMD在分解时需要人为设置分解层数K的问题,提出一种综合评价指标用于分解层数K值的自适应选取,根据IMF能量熵和相关系数双阈值选取包含主要信息的分量进行重构,完成振动信号的去噪预处理;其次,利用RCMDE提取去噪信号的非线性特征,获得用以表征信号复杂性的多尺度特征;最后,通过由粒子群优化算法(PSO)自动获取核参数和惩罚系数的核极限学习机(KELM)完成对齿轮箱故障的智能诊断,通过实验分析证明了该方法的有效性。3.针对传统机器学习方法需要人为提取特征,且识别结果易受人为因素和专家经验影响的问题,在AVMD分解方法对振动信号去噪的基础上,提出一种AVMD与卷积神经网络(CNN)-门控循环单元(GRU)结合的方法,将去噪后的振动信号直接输入到CNN-GRU模型中,利用CNN挖掘振动信号的空间信息,并使用GRU进一步挖掘时序信息,获得能够表征振动信号空间和时间信息的时空特征,最后通过softmax层完成齿轮箱不同状态的有效识别,经实验验证,10次测试的平均准确率为98.08%,能够有效完成对齿轮箱不同故障形式的识别,并且识别结果较为稳定。4.针对单一传感器采集到的振动信号易受噪声干扰且无法有效表征齿轮箱的运行状态的问题,同时也为获得更加有效和稳定的齿轮箱故障诊断方法,在CNN-GRU模型的基础上,提出一种并行卷积神经网络(PCNN)-GRU融合多传感器信息的故障诊断模型,用于融合多传感器获取的振动信号,获得多传感器深度时空特征,并利用softmax层进行识别,完成齿轮箱“端”对“端”的智能诊断,结果表明,在无需去噪的前提下,10次测试的平均准确率为99.92%,且与其他方法进行对比,具有更高的识别准确率和稳定性,并且损失率更低。

关键词： 面齿轮   蜗杆砂轮磨削   分步敏感性分析   关键几何误差   等效补偿  

摘要： 面齿轮传动是一种新型齿轮传动,具有结构紧凑、对安装误差不敏感和扭矩分流等诸多优点,在直升机减速系统具有广阔的应用前景。目前,面齿轮正逐步替代锥齿轮成为新一代直升机主减速系统的核心零件。然而我国尚缺乏面齿轮高精度磨削制造装备,主要问题在于机床存在众多误差因素,难以保证自身加工精度。为此,本文针对YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机的加工精度进行研究,对该机床的关键几何误差进行识别,并提出通过补偿面齿轮磨削路径的对中误差和斜率误差从而实现等效补偿关键几何误差的方法。主要研究内容如下:(1)基于YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机的磨削原理建立了面齿轮蜗杆砂轮磨削齿面的数学模型。根据YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机的结构,分析了该磨齿机的磨削原理;基于演变法建立了面齿轮用蜗杆砂轮的齿面方程;建立了面齿轮蜗杆砂轮磨削加工坐标系,根据啮合原理推导了面齿轮蜗杆砂轮磨削啮合方程,并建立了面齿轮磨削齿面的工作齿面方程和过渡曲面方程。(2)研究了YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机关键几何误差的识别方法。分析了YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机的几何误差,建立了几何误差—刀具综合误差模型;基于YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机的磨削原理,建立了刀具综合误差—齿面误差模型;利用Improved Sobol敏感性分析方法对两个模型进行了敏感度系数计算,并通过分步敏感性分析识别了影响齿面误差的关键几何误差项。(3)研究了YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机关键几何误差的等效补偿方法。分别分析了面齿轮蜗杆砂轮磨削路径的对中误差和斜率误差的作用规律;研究了关键几何误差与对中误差、斜率误差的等效关系;提出了利用NSGA-II算法从实际加工齿面测量数据计算对中误差、斜率误差补偿值的方法。(4)基于YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机进行了关键几何误差等效补偿实验,并在西门子840D sl数控系统下开发了面齿轮磨削功能人机交互界面。