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： 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： 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： ESPCP系统   零齿差机构   变位系数   强度分析   有限元分析  

摘要： 随着油田开采量的不断增加,潜油螺杆泵(ESPCP)系统的排量问题成为采油作业发展中的首要问题,这就需要对潜油螺杆泵的联轴器进行研究。螺杆泵排量与其螺杆的偏心量具有一定的关联,螺杆与联轴器相连,联轴器带动螺杆一起运动,所以联轴器的结构影响着潜油螺杆泵(ESPCP)系统的排量。潜油螺杆泵采油系统中的零齿差内啮合齿轮联轴节是系统的重要传动部件,承载着扭矩、轴向力并改变着运动形式。因此,对联轴器的设计研究十分重要。ESPCP系统专用齿轮副是指零齿差内啮合齿轮副,其是一种专用于ESPCP系统中联轴器部分的新型装置。本文对零齿差内啮合齿轮副通过对内外齿轮在变位后所能达到的最大中心距与各变位系数之间的关系进行了分析,依据强度、过切等约束条件,给出了变位系数选择的初始域,构建出一种变位系数选配模型,保障了变位系数选取的简捷、准确性。并阐明了零齿差齿轮副啮合过程的理论,定义了啮合的起讫点,并推理出了起讫点坐标计算式。同时,根据生产实际的需求,开展了零齿差内啮合齿轮副变位系数选择方法和特殊变位齿轮强度研究,在“保强度”和“增排量”之间把握平衡点。然后通过提供了一种新的变位系数选择方法,它可以在明确变位系数初值的有效域后,依据啮合方程等制约前提条件,快速准确地计算出符合要求的变位系数,这个方法可以有效地解决潜油螺杆泵(ESPCP)采油控制系统中齿轮联轴节渐开线零齿差内啮合齿轮副的变位系数选取的问题,使得变位系数的选取更加简捷、直接、准确。最后运用Solid Works软件系统对零齿差齿轮副进行参数化建模,并完成了啮合运动模拟,以便更加直接、动态地观测齿轮啮合情况。将模型导入Ansys有限元软件,对内啮合齿轮接触应力的分析,可以求解出相应的应力分布图,分析了不同变位系数齿面接触应力。经过有限元静力分析,可以看出齿轮在何极易出现故障。所以,在优化齿轮设计时,必须特别关注齿根和齿面接触处的危险情况。

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。

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： 循环泵齿轮箱   FMECA   刚柔耦合   疲劳寿命  

摘要： 循环冷却水泵是不可或缺的重要核电安全设备之一,通过为反应堆、主发生器及辅助设备输送冷却水起到稳定系统温度和压力的作用,进而保障核电机组高效稳定运行。行星齿轮箱是核电循环冷却水泵的核心动力装备,属于可直接影响整个核电机组系统正常运转的Ⅱ级核安全设备组件,在满足承载大功率、输出高扭矩的性能要求基础上还需具备良好的耐高温、抗腐蚀、防辐射等性能,因此对核电循环泵行星齿轮箱系统开展可靠性分析与关键部件疲劳寿命预测对于核电站安全可靠运营具有重要意义。本文主要研究内容如下:(1)考虑核电循环泵行星齿轮箱传动机理与功能要求,对其开展故障模式、影响及危害性分析(Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA)。在对核电循环泵齿轮箱所进行的故障模式及影响分析的基础上,使用风险优先数法对其所有可能发生的故障模式危害度进行定性分析,将核电循环泵齿轮箱子系统FMECA报告进行汇总统计,得到行星轮轮齿折断为齿轮箱系统关键故障模式。(2)运用计算机辅助工程技术对核电循环泵齿轮箱薄弱环节-行星轮系的动态特性进行分析。在ADAMS软件中建立行星轮系虚拟样机,将系统传动比、齿间啮合力、各构件扭矩等动态参数的仿真结果与理论计算值进行对比,验证多刚体虚拟样机的准确性。使用ANSYS软件生成关键失效部件(行星轮)柔性体,在ADAMS中替换原有刚性体,建立行星轮系刚柔耦合虚拟样机。计算行星轮系中各构件转频、齿轮啮合频率理论值,在ANSYS软件中对柔性体构件进行约束模态分析,通过行星轮系刚柔耦合动力学仿真对核电循环泵齿轮箱的振动特性进行分析,确定行星轮危险区域并输出危险点应力历程。(3)根据构件高周疲劳试验与材料17CrNiMo6超高周疲劳特性,对关键失效部件的概率疲劳寿命进行求解。本文基于GBF疲劳特征区的Murakami疲劳极限预测公式,以比例系数β与夹杂物尺寸(?)表示等效裂纹长度,建立高强钢构件千兆周疲劳强度预测模型,使用Monte-Carlo模拟计算核电循环泵齿轮箱行星轮循环次数Nf=109的疲劳强度。采用雨流计数法与Goodman修正法则对核电循环泵齿轮箱行星轮危险点应力曲线进行分析处理得到载荷谱,基于高周疲劳寿命分布与超高周疲劳强度分布建立核电循环泵齿轮箱行星轮满足可靠度R=0.9999的R-S-N疲劳特性曲线,利用Miner线性累积损伤法则预测行星轮弯曲疲劳寿命,最终得出行星轮是否满足核电循环泵齿轮箱可靠性与寿命设计的要求。

关键词： 深度学习   自动扶梯   轴承   齿轮   故障诊断   降噪处理  

摘要： 自动扶梯设备的安全问题直接关系到人们的生命安全,及时发现自动扶梯故障,已经成为人们关注的重点问题。轴承和齿轮作为自动扶梯关键零件,发生故障是不可避免的,一旦发现不及时,可能会造成不可估量的损失。因此对自动扶梯的轴承和齿轮进行故障监测与诊断具有重要意义。 本文围绕自动扶梯轴承和齿轮故障诊断面临的少样本、变负载以及噪声干扰等实际问题,对信号降噪和故障诊断模型进行了以下研究。 (1)针对因人流密度变化使得自动扶梯长期处于变负载状态,以及获取各种故障数据的成本过于高昂,实际故障数据较少的问题,提出了一种基于格拉姆角场(GAF)与SE-ResNeXt50迁移学习模型的故障诊断方法。首先选取多次实验得到的格拉姆角场参数,结合重叠采样的方法将振动信号转换成保留了局部时间信息且具有唯一性的格拉姆角差场图和格拉姆角和场图。然后采用微调的方法将预训练好的模型参数迁移到SE-ResNeXt50模型中。最后将特征图输入模型进行训练,实现故障诊断,其中采用特征重标定策略来自适应获取每个特征通道的重要程度,提升了特征利用率。在变负载以及不同大小的数据规模下将所提方法与不同方法进行对比实验。实验表明,在只有少量数据时,所提方法仍能够在不同负载上达到较高的诊断精度,相较于其他故障诊断方法有着更强的识别精度和泛化性。 (2)针对自动扶梯的工作环境噪声干扰较大的问题,提出了一种基于ICEEMDAN-MPE和自适应小波阈值降噪的故障诊断方法。首先使用ICEEMDAN对低性噪比信号进行分解,并且求出分解后每个IMF的多尺度排列熵(MPE)及其平均值。然后根据各IMF的MPE的平均值划分出噪声主导分量和信号主导分量,并对噪声主导分量进行自适应小波阈值降噪。最后对降噪后的分量进行重构。将降噪前和降噪后模型诊断效果进行对比,并且将所提方法与不同降噪方法进行对比,证明了所提方法对提升模型对低信噪比信号诊断精度的有效性和优越性。 (3)为实现对自动扶梯轴承和齿轮的故障监测和诊断,完成了基于ICEEMDAN-MPE-自适应小波阈值降噪算法和GAF+SE-ResNeXt50迁移学习模型的故障诊断系统软件的设计。该系统实现了对振动信号时域特征参数的实时监测和GAF+SE-ResNeXt50迁移学习模型的部署,进而实现了自动扶梯轴承和齿轮的故障诊断。最后对系统进行测试,验证了该系统的可行性。

关键词： 齿轮箱   瞬时转频估计   振动信号   间接测量  

摘要： 齿轮箱广泛应用于各类机械装备，且大都在非平稳工况下服役，其瞬时转频测量已成为开展在线状态监测与诊断的前提。然而，处于服役状态下的齿轮箱存在编码器安装难的问题，不易实现转频直接测量。振动加速度信号间接蕴含了齿轮箱的转频信息，且加速度计安装方便，因此开展基于振动等信号的瞬时转频估计具有重要研究和应用价值。本文主要研究工作如下:　　(1)开展了主流瞬时转频估计算法综述研究与程序实现。针对相位解调、多阶概率方法等六种瞬时转频估计算法，剖析了其进行瞬时转频估计的算法原理,对其进行了综述、复现与评价。最后将这些综述算法应用于实验环境中，结合实验结果及其算法原理，对它们的性能与适用领域展开综合评价。　　(2)针对齿轮箱振动信号存在的信噪比低、谐波干扰多等问题，建立了一种鲁棒高精度瞬时转频估计方法。将振动信号的时频谱视为瞬时转频的概率密度函数，融合主/从传动轴以及啮合带来的阶次信息，进一步利用高斯过程考虑齿轮箱传动轴转速的连续性先验信息，给出瞬时转频最优估计。最后通过齿轮动力学仿真与实验测试，验证了本文方法相对于其他转频估计方法的有效性。　　(3)开发了齿轮箱瞬时转频间接测量系统。基于搭建的齿轮箱传动平台，自行开发了一套同步触发采集系统，实现了 NI PXIe-4492和NI PXIe-6612等多个板卡的多采样率同步采集。此外，还设计开发了用于瞬时转频估计的用户界面。　　(4)开展了瞬时转频估计的应用与验证研究。基于所开发的瞬时转频间接测量系统，开展了振动加速度和声压信号的无键相阶次跟踪分析，其精度接近基于编码器的相应结果，能够反映测试齿轮箱存在的装配误差等问题;还利用估计得到的瞬时转频对齿轮箱振动信号进行了无键相阶次分离，获得振动信号特定阶次的谐波分量。　　通过本文工作的开展，建立了齿轮箱瞬时转频高精度间接测量方法，并开发了相应的软硬件测试系统，这为仅基于振动信号的齿轮箱运行状态动态测试提供了有效手段，亦对非平稳服役工况下的旋转机械智能运维与监测具有一定的推广与应用价值。

关键词： 行星齿轮   乏油工况   弹流润滑   摩擦   非线性动力学  

摘要： 行星齿轮传动系统因其传动效率高、体积小等优点,在航空、汽车及船舶等领域得到广泛应用。行星齿轮在乏油工况下传动会使啮合齿面发生点蚀、胶合等失效形式,且在传动过程中会存在综合误差、啮合阻尼等非线性激励因素,这些因素会使行星齿轮系统呈现出强烈的非线性特征,所以本文将针对行星齿轮系统在乏油工况下工作时的非线性动力学特性进行研究,对其进行分析和探讨,论文主要有以下内容。(1)为研究乏油工况下的弹流润滑特性,建立了乏油工况下的等温线接触有限长弹流润滑模型,通过多重网格法数值分析得到其线接触弹流润滑的膜厚与压力分布,最后通过研究不同工况下如供油膜厚、粘度等参数变化,分析其在参数变化下的弹流润滑特性。(2)介绍了行星齿轮传动系统的外部激励及内部激励,采用集中参数法建立行星齿轮传动系统的动力学模型,利用牛顿定律,建立了斜齿行星齿轮传动系统的动力学微分方程,引入一系列的广义坐标到动力学微分方程中,将方程中的刚体位移转化为相对位移进行求解,利用龙格库塔法求解动力学系统微分方程。(3)考虑行星齿轮系统在干摩擦状态下的非线性动力学特性,介绍了行星齿轮系统非线性动力学的几种分析方法,通过分岔图、相图、庞加莱截面图等对行星齿轮系统的非线性特性进行分析验证,考虑行星齿轮系统分别在激励频率、刚度幅值、载荷、综合误差等激励因素下对行星齿轮系统运动特性的影响。(4)建立乏油工况下斜齿行星齿轮中太阳轮与行星轮的等温弹流润滑模型,对弹流润滑基本控制方程进行无量纲化,对行星齿轮在润滑油粘度、载荷等不同工况下对行星齿轮系统的弹流润滑影响,进一步讨论行星齿轮系统在乏油工况下的非线性动力学特性。