关键词： 车齿工艺   工艺参数   有限元仿真   齿面接触应力   齿根弯曲应力  

摘要： 车齿工艺具有加工精度高的优点,且综合了滚齿工艺效率高和插齿工艺适应齿轮类型广的特点,被广泛应用于齿轮粗加工和半精加工。随着车齿机床及高精度刀具技术的不断突破,车齿工艺已具备齿轮精加工的潜力。将车齿工艺应用于齿轮精加工可以缩短齿轮制造工艺链从而提高加工效率,同时减少齿轮多次装夹引入的装夹误差提高加工精度。然而,由于车齿成形齿面存在进给刀痕,齿轮承载性能尚不明晰,阻碍了车齿工艺精加工的实际应用。鉴于此,本文建立了车齿工艺几何成形过程数学模型,完成车齿工艺成形齿面刀痕几何特征实体建模,并基于有限元仿真分析了车齿加工工艺参数对齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力的影响规律,主要研究内容如下:首先,基于车齿工艺运动学原理,分析齿轮加工过程,得到刀具与工件的运动关系。在车刀几何设计参数基础上,推导获得了端截形渐开线齿廓、斜齿轮产形面和车齿刀前刀面参数方程,求解得到了切削刃空间曲线参数方程与切削刃在空间的运动轨迹曲面,最终建立了车齿成形齿轮的三维简化模型。其次,提出车齿成形齿轮承载性能的有限元仿真方法,建立齿轮承载性能仿真模型,确定齿轮承载过程有限元接触控制方程以及齿轮承载过程负荷与约束条件,并对仿真结果与计算结果进行对比,验证该仿真分析的准确性,为研究车齿成形齿轮承载性能提供支撑。然后,分析了车齿刀进给量和齿向修形系数对齿轮承载性能的影响规律。通过单因素仿真试验分析各工艺参数对齿轮承载性能的影响规律以及其分布和变化特征,并通过两因素三水平正交仿真试验分析车齿刀进给量和齿向修形系数对齿轮承载性能的影响程度。最后,通过响应面试验设计方法设计两因素五水平的仿真试验,以车齿刀进给量和齿向修形系数作为设计因素,齿面接触应力与齿根弯曲应力为响应指标,建立了基于响应面法的多元回归的齿面接触应力以及齿根弯曲应力预测模型,并对预测模型的准确度进行仿真试验验证。

关键词： 齿轮齿条   疲劳寿命   点蚀形貌   啮合刚度   修形优化  

摘要： 新疆地区油田大多环境恶劣,随着井深和含水量不断增加,采油成本升高,游梁式抽油机受结构限制,已逐渐无法适应长冲程的生产需求,齿轮齿条式抽油机更加可靠和节能。抽油机的齿轮齿条机构是主要负载部件,其使用寿命直接影响抽油机的性能,齿轮齿条运行中长时间承受较大负载,因交变载荷产生疲劳破坏,如齿面点蚀等,随着点蚀的不断扩展会导致过度磨损和断齿失效等。因此,研究抽油机齿轮齿条机构,对提升抽油机的承载能力、啮合平稳性和疲劳寿命等,具有非常重要的工程实用价值。 针对抽油机齿轮齿面不同工况、多种点蚀形貌、接触应力、疲劳寿命、时变啮合刚度以及齿轮齿条修形优化问题,进行了分析及验证。本文的主要研究内容如下: (1)针对抽油机齿轮齿面不同点蚀缺陷接触应力问题。首先,采用参数方程式建立了抽油机齿轮齿条三维建模,以及齿轮齿面不同点蚀形貌缺陷模型;其次,结合赫兹接触理论和静力学分析对数值模型进行了精度验证;最后,分析了多工况下多点蚀形貌对齿面接触应力的影响。经分析得,当齿轮齿条完好时,最大接触应力出现在单齿啮合时,接触应力会随着单双齿交替产生波动。当齿轮齿面出现不同形貌的点蚀时,应力值峰值都会增大,接触应力对负载的变化最为敏感。 (2)针对抽油机齿轮齿面多种点蚀形貌缺陷及疲劳寿命问题。首先,根据抽油机齿轮接触应力变化曲线,通过离散方式将实际应力转换为对称循环应力;其次,根据齿轮齿条的接触应力和材料的S-N曲线,用雨计流法结合Miner线性累积损伤理论,得到该工况下点蚀缺陷的疲劳损伤,通过整体损伤计算疲劳寿命;最后,对多工况下多点蚀形貌齿轮齿条进行了疲劳寿命分析及验证。 (3)针对抽油机齿轮齿条疲劳寿命不足的问题。根据材料力学法计算齿轮齿条受载以后的变形量以及刚度,从而确定理论最佳修形量;分析了多种修形方案对齿轮最大接触应力和最小疲劳寿命的影响;经过修形后的齿轮齿条机构的应力和疲劳寿命会呈现不同程度的变化,修形量在理论变形时,疲劳寿命提升最大,当修形量远超过理论修形量时,疲劳寿命会出现降低的情况,与接触状态相关。齿轮修形对于提升齿轮齿条机构疲劳寿命是可行的。

关键词： 齿轮箱故障诊断   深度强化学习   深度Q网络   卷积神经网络   参数迁移学习   时间收缩网络   可解释性  

摘要： 齿轮箱作为机械装备传动系统中的关键动部件,一旦发生故障可能引发巨大的经济损失或人员伤亡,对齿轮箱进行故障诊断是保障机械装备安全可靠运行的必要措施。目前采用故障敏感度高的振动信号进行齿轮箱故障诊断是切实有效的手段。传统的振动信号驱动方法需要人工降噪、特征提取及筛选等过程,通过故障频率或浅层机器学习算法完成故障识别,诊断过程繁琐且缺乏智能性。尤其面对工况的多变性、噪声的干扰以及海量的数据时,手动特征提取越发不切实际,这类方法的准确性和适应性难以满足实际故障诊断需求。近年来,深度学习方法如卷积神经网络,凭借强大的特征表达能力能够从高维的状态中自适应提取判别性特征,在齿轮箱故障诊断中效果显著。然而,传统的深度学习方法不仅缺乏决策能力,在复杂工况下故障诊断的准确性、可解释性和通用性还有待提升。作为新兴的深度学习技术,深度强化学习同时兼备深度学习的感知能力和强化学习的决策能力,具备解决复杂问题的通用智能,为齿轮箱故障诊断提供了一个新思路。为此,本文以齿轮箱振动信号为对象,以类不平衡、变工况以及强噪声等场景下齿轮箱故障诊断为背景,研究了多种深度强化学习网络模型。主要研究工作如下: (1)为了提升故障诊断的准确性和通用性,提出一种基于深度卷积Q-learning强化学习网络的齿轮箱端到端故障诊断方法。基于深度Q-learning强化学习算法(Deep Qlearning network,DQN),借助具有强大特征提取和表示能力的卷积神经网络构建DQN算法的网络结构;通过分类马尔科夫决策过程促使模型自动学习判别性特征和诊断策略,最终实现齿轮箱端到端故障类别的诊断。实验验证了该方法的有效性,为后续复杂工况下的齿轮箱故障诊断提供了研究基础。 (2)针对由多工况和数据分布不均衡导致故障诊断泛化性低的问题,提出一种基于多尺度特征深度注意强化学习网络的齿轮箱不平衡故障诊断方法。基于DQN算法,利用多尺度卷积和通道注意力从振动信号中自适应捕获低层多尺度特征、抑制与故障无关的冗余特征;利用多尺度稀疏结构和残差网络学习深层判别性特征,增强多工况下特征学习的稳定性;通过类偏离度构建环境奖励策略,促使模型在交互学习中自动关注少数类,实现不平衡故障诊断策略的有效学习。实验验证了该方法在齿轮箱不平衡故障诊断中具有较高的准确率和适应性。 (3)针对变工况下故障特征的稳健性差,以及由域差异和样本量少导致的故障诊断准确率低的问题,提出一种基于健康自适应参数迁移深度强化学习网络的齿轮箱变工况故障诊断方法。基于竞争DQN算法,利用多尺度卷积构建一种健康自适应表征层赋予模型低层具有可解释的时间-尺度特征的提取能力;利用空洞卷积构建一种多尺度残差网络在保持模型轻量化时提取丰富的深层特征,准确地实现变转速源域下齿轮箱故障诊断;采用参数迁移策略微调训练的源域模型,实现变工况小样本下的齿轮箱故障诊断。实验验证了该方法提升了齿轮箱变工况故障诊断的准确率。 (4)针对强噪声场景下故障诊断的鲁棒性和可解释性低的问题,提出一种基于深度时间收缩可解释强化学习网络的齿轮箱强噪声故障诊断方法。基于竞争DQN算法,融入带通滤波器知识构建一种可解释的SincNet卷积,增强模型首层输出特征的鲁棒性和可解释性;考虑齿轮箱振动信号的时序相关性,利用多尺度时间卷积捕获丰富的内在时间依赖特征;利用残差学习和自适应软阈值化构建一种多尺度时间收缩网络自适应削弱特征映射中的噪声,提升深层特征的稳健性;最终模型通过与建立的环境模拟交互学习完成齿轮箱故障诊断。实验验证了该方法具有较高的抗噪性、故障诊断的准确性和可解释性。 所提方法有效提升了齿轮箱在端到端特征学习与识别,以及类不平衡、变工况和强噪声场景下故障诊断的准确性和通用性,不仅扩展了深度强化学习算法的应用范围,也为复杂环境下齿轮箱的智能故障诊断提供了新思路。

关键词： 密炼机的伺服电机   齿轮故障诊断   卷积神经网络   长短期记忆网络   全局最大池化  

摘要： 选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)技术利用脱硝催化剂与工业废气中的氮氧化物进行化学反应,将有害的氮氧化物转化为无害的氮气和水蒸气,降低空气中氮氧化物的浓度,因此被广泛应用于火电企业的工业废气脱硝、柴油车尾气净化等领域。制造SCR脱硝催化剂的混炼工序使用密炼机来完成,伺服电机是密炼机的关键部件之一,主要用于控制密炼机转子的转速和速比,以确保物料的精确混合和加工。伺服电机长时间工作可能会导致其齿轮因长期负载过大发生损坏,从而使伺服电机发生故障,影响生产线正常运行,甚至造成不可逆的严重后果。因此对伺服电机齿轮进行科学有效的故障诊断具有重要意义。传统故障诊断方法有支持向量机、决策树、BP神经网络等,但这些方法的学习深度不足,导致其故障诊断过程复杂、灵活性较差。随着计算机的快速更新,深度学习的发展速度很快,其中卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN))能从故障数据中提取良好抽象性和泛化性特征,特别适合处理复杂的故障数据。基于此,本文首先提出一种改进的卷积神经网络故障诊断模型,采用多个连续卷积层提取数据特征,并通过池化层对数据进行降维,使用全局最大池化层代替Flatten层,避免数据特征的丢失。最后,通过全连接层的Softmax函数进行分类,该模型在美国康涅狄格大学齿轮故障数据集上的准确率达到98.93%。但是,齿轮故障振动信号是基于时间序列的一维数据,CNN并没有考虑时间序列数据中隐藏的长期依赖关系,这可能会导致数据丢失、异常等问题。因此,对数据的时序特征进行提取很有必要。长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)是具有长时记忆功能的循环神经网络的改进网络,能够发现数据与时间之间的潜在关系。基于此,本文又提出一种改进的CNN-LSTM齿轮故障诊断模型。在CNN中加入LSTM网络挖掘数据时序特征,并使用Hinge函数作为损失函数。该模型在美国康涅狄格大学齿轮故障数据集上的整体准确率可以达到99.64%,能够满足齿轮故障诊断的准确性和时效性要求。

关键词： 椭圆环面蜗杆传动   啮合理论   啮合性能   加工方法   加工误差分析  

摘要： 开环大速比高精度齿轮传动副在高端装备及精密仪器的分度系统中有重要的应用价值,目前渐开面包络环面蜗杆(TI)传动的接触区域及啮合性能受螺旋角取值的影响较大,其传动过程中存在偏载、不能全齿面参与啮合等问题,不能直接满足高端装备及精密仪器的分度精度需求。 本文针对目前环面蜗杆传动存在的问题,提出一种与渐开线齿轮全齿面共轭啮合的椭圆环面蜗杆(EI蜗杆)齿轮传动新形式,进行EI蜗杆的啮合理论及加工方法的研究。首先建立EI蜗杆的椭圆环面与渐开线圆柱齿轮圆柱面之间的空间位置关系,推导椭圆环面的母线方程,基于齿轮空间啮合原理建立一次包络EI蜗杆的啮合理论;其次通过分析啮合参数对瞬时接触线分布的影响规律,优化瞬时接触线在齿轮齿面上的分布区域,据此实现齿轮全齿面参与啮合;同时分析啮合参数对诱导法曲率、润滑角、相对卷吸速度的影响,对EI蜗杆的边齿齿宽进行优化设计,避免出现齿顶变尖现象;在相同参数的理想状态下,通过对比EI蜗杆与TI蜗杆传动中啮合区域及啮合性能,EI蜗杆传动中齿轮的啮合区域面积是TI蜗杆传动的5.49倍、诱导法曲率和润滑角相近、相对卷吸速度更大;然后建立砂轮磨削EI蜗杆的坐标系,推导出砂轮的轴向截面廓形方程,给出加工EI蜗杆的磨削方法,设计基于滚齿原理加工EI蜗杆齿面的磨削装置,采用NX UG软件进行磨削加工运动仿真,验证了EI蜗杆的磨削加工可行性;最后建立了虑及加工误差的参数化EI蜗杆传动模型,重点分析加工误差对齿面接触线分布、接触参数随啮合参数变化的影响规律。结果表明:垂直方向上交错角误差、中心距方向上误差及z轴方向上误差对EI蜗杆的加工影响较大。 本文提出的EI蜗杆啮合理论及加工方法的研究,可实现齿轮全齿面参与啮合,克服了TI蜗杆传动中的不足,提升了环面蜗杆传动的啮合性能,使得EI蜗杆的共轭齿面间具有贴合程度高、接触强度大、精度保持性好及润滑效果良好的特点。为EI蜗杆传动提供了理论依据,满足机械领域内高性能蜗杆的研制需求。

关键词： GTF星型传动齿轮箱   多体动力学   集中质量法   Westgard评价图  

摘要： 作为下一代航空发动机主要发展方向的齿轮传动涡扇发动机（GTF,Geared Turbo Fan）,由于其使用了星型传动齿轮箱这一装置,使得之前很多无法使用的技术在应用上变为可能。人字齿星型齿轮传动自身具有传动比大、传动平稳等诸多优点,但星型传动齿轮箱工作条件恶劣,不仅功率密度大、散热条件差,同时还受到系统基础运动引发的附加效应,所以激励丰富,动力学特性复杂。因此,开展星型传动齿轮箱动力学特性分析,对改善传动系统可靠性、提高发动机整体稳定性显得尤为重要。本文针对某型GTF航空发动机星型传动齿轮箱,分别基于多体动力学和集中质量法开展建模、动力学特性分析等工作,形成了一种分析GTF齿轮箱系统振动响应的有效方法,对类似问题同样适用,因此具有工程实用价值和指导意义。主要研究内容如下:（1）分别基于多体动力学理论和集中质量法建立星型传动齿轮箱的多刚体动力学模型和集中质量理论动力学模型,在相同工况条件下对两种模型的输入、输出转速及轮齿啮合力响应结果进行对比验证,以保证建模的正确性。（2）将星型传动齿轮箱中各构件柔性化处理并分别基于ADAMS和ANSYS对各构件及组合件进行模态分析。将ADAMS、ANSYS以及模态试验数据进行对比分析,以验证模型建立的正确性。（3）在保证建模正确性的前提下,基于多体动力学理论构建多种刚柔耦合的虚拟样机模型,引入医学检验中常用的Westgard评价图并根据“转速、传动比、啮合力相对误差距离法”对虚拟样机进行筛选[1],确保模型兼顾仿真效率与精度。（4）使用筛选出的虚拟样机模型提取星型传动齿轮箱振动敏感参数。基于提取出的振动敏感参数,分别对多体动力学模型及集中质量模型在健康和考虑安装误差、轴承偏心误差工况条件下轴承处的振动响应进行对比分析。

关键词： 谐波齿轮减速器   快慢分析法   共存吸引子   吸引域   张弛振荡  

摘要： 谐波齿轮减速器是一种新型的机械传动装置,因其具有结构简单、质量轻、体积小、精度高、传动比大、传动效率高等诸多的优点,而得到了广泛应用。谐波齿轮减速器系统是一个典型的快慢系统。系统中存在的多种非线性因素会诱发复杂的快慢动力学特性,这会加剧系统部件的疲劳损伤,缩短齿轮的使用寿命,严重影响了系统的正常工作。由于相关问题的复杂性,以往学者针对谐波齿轮减速器系统复杂动力学的研究主要集中在常规动力学方面,而在快慢动力学问题方面的研究鲜有报道。本文考虑扭转刚度非线性因素,建立了涉及非线性扭转刚度的谐波齿轮减速器系统的数学模型。通过采用快慢分析法、吸引域分析法等研究方法,同时结合数值模拟,探讨了谐波齿轮减速器系统的快慢动力学,发现了多种新型的张弛振荡模式,揭示了其产生的动力学机制。具体内容如下:(1)首先发现了谐波齿轮减速器非线性扭转系统内存在的张弛振荡现象,并绘制了两参数分岔图,以便探讨系统可能的变化行为。研究发现,当系统参数变化时,fold分岔点附近的吸引子的数量和稳定性会随之发生改变。其表现形式有两种:一种是当上平衡支发生fold分岔时,系统具有双稳定性;而当下平衡支发生fold分岔时,系统仅具有单稳定性。另一种是当上平衡支或下平衡支发生fold分岔时,系统均具有双稳定性。针对上述两种情形,我们采用快慢分析法和吸引域分析法,分别探讨相关张弛振荡行为的产生机制,发现了多种张弛振荡模式。特别地,发现并研究了一种非对称的张弛振荡结构,即复合式张弛振荡,其特征是系统轨线在转迁时一端经由中支,在另一端则越过中支。(2)在对谐波齿轮减速器非线性扭转系统相关动力学行为研究的基础上,通过改变扭转刚度条件,发现了系统内存在的另一类特殊张弛振荡模式。其表现形式主要为:当上平衡支或下平衡支发生fold分岔时,系统转迁轨线会在两个平衡点吸引子之间作往复兜圈式运动,最终被某一平衡点吸引子所吸引,因此诱发了“兜圈式转迁”的特殊动力学行为。为了进一步探究“兜圈式转迁”相关动力学行为机理,分别研究了非对称稳态条件下和对称稳态条件下系统存在的“兜圈式转迁”张弛振荡行为。值得注意的是,在对称稳态条件下,发现了一种特殊的复合式张弛振荡结构,即系统转迁时一端为“兜圈式转迁”,另一端则为常规转迁的单侧“兜圈式转迁”张弛振荡模式。

关键词： 直齿轮   动力学模型   迁移学习   故障诊断   机理-数据耦合  

摘要： 齿轮作为机械设备中的关键零件,广泛应用于设备制造、航空航天、风能开发等多个领域。然而,由于长期处在强压力、变工况等恶劣环境中,齿轮极易发生失效,其健康状态与机械系统的正常运转相关联,一旦出现故障可能会造成难以估计的后果。因此,开展齿轮失效建模、失效机理及故障诊断方法的研究,准确识别出齿轮的失效模式,对于保障机械设备平稳可靠运行有着重大意义。近年来,随着人工智能信息技术的飞速发展,依靠机器学习、深度学习等方法的新一代人工智能故障诊断技术也受到越来越多的关注。由于齿轮系统结构复杂、工况多变,导致各种工况下故障诊断模型训练所需的样本数据往往难以获得。样本数据缺乏给基于深度学习的故障诊断模型带来了很大挑战,而针对齿轮失效机理的研究恰好能弥补这一不足。但是,仿真模型通常忽略了噪声、摩擦和转速变化等因素的干扰,是在理想条件下进行的,仿真信号与实验获得的真实数据之间有一定的差异,无法直接应用于故障诊断模型的训练。鉴于以上问题,本文研究了基于机理-数据耦合的直齿轮故障智能诊断方法,以解决零样本、小样本的故障诊断问题,主要内容如下: (1)直齿轮故障动力学建模及振动特性分析。为研究齿轮失效机理并获取故障仿真信号,本文基于能量法建立直齿轮时变啮合刚度模型,并考虑齿轮故障对刚度的影响,引入剥落、磨损等故障模式求解得到不同故障直齿轮的时变啮合刚度。最后,以刚度为激励建立齿轮-转子-轴承系统的动力学模型,分析得到直齿轮在不同健康状态下的振动响应。 (2)基于迁移学习的直齿轮故障诊断方法。针对跨工况无标签数据的故障诊断问题,本文构建了一个深度卷积神经网络模型,提取源域和目标域的深度特征,并利用基于多层最大均值差异的特征迁移网络减小不同领域的分布差异,使这些特征具有跨域不变性,从而实现对不同工况下无标签数据的故障诊断。 (3)基于机理-数据耦合的直齿轮故障诊断方法。针对新工况零样本的故障诊断任务中数据驱动的模型泛化性能不足的问题,本文从失效机理、实验数据耦合驱动的角度出发,用已知工况下的仿真信号和真实数据训练数据生成网络,建立仿真数据和真实数据之间的映射关系,并用于生成新工况下近似真实数据的生成样本;然后基于域对抗技术构建迁移学习故障诊断模型,将学到的机理知识应用于数据模型,从而完成故障诊断任务。

关键词： 人字齿轮   接触线   对称度误差   误差评定   截面法  

摘要： 人字齿轮具有承载能力高、轴向载荷小等特点,被广泛应用于船舶动力、航空航天等大型动力装备中。人字齿轮两侧轮齿齿面关于对称中心平面的对中性直接影响接触载荷分布的均匀性,致使人字齿轮在传动过程中可能会产生振动、噪声,从而影响其使用寿命。由于实际加工后的人字齿轮两侧轮齿中同侧齿面的接触线存在非对称问题,导致在啮合传动中必然会引起偏载、轴向振动等问题,降低了人字齿轮传动的平稳性和可靠性。因此,本文从使用性能的角度研究人字齿轮两侧轮齿对称度误差的测量、评定对其设计与制造有着重要的理论和工程意义。人字齿轮两侧轮齿同侧齿面的接触线能够反映其啮合状态,根据斜齿轮接触线的定义,研究了人字齿轮两侧轮齿同侧齿面接触线的定义,以及基于接触线对称度误差的定义,建立接触线的评定坐标系,并在坐标系中求解了人字齿轮接触线的数学模型,模拟了构造的理论接触线和叠加误差的实际接触线离散数据,对实际接触线的数据进行拟合并求取其对称度误差,从而实现人字齿轮两侧轮齿的对称度误差模拟评定。研究了人字齿轮齿面接触线的测量原理,将人字齿轮接触线的评定坐标系应用在齿轮测量机上,从而形成接触线的测量坐标系,并确定出测量坐标系的轴向测量基准。在测量坐标系中逐齿测量人字齿轮单个轮齿上的两条旋向相反的接触线,利用接触线的评定方法对接触线的测量数据进行拟合,逐齿计算出每个轮齿上接触线交点与测量基准的的轴向位置坐标,从而获得人字齿轮接触线的对称度误差。根据人字齿轮的测量坐标系及接触线的测量方法,利用C++为测量机设计接触线及其对称度误差的测量软件。该软件的功能为:建立轴向测量基准;设计测量机的测头和转台运动控制程序,实现对接触线的测量;获取测量数据,并利用评定方法对测量数据进行处理,从而获得人字齿轮接触线的对称度误差。对人字齿轮接触线的对称度误差进行实验验证。在对实验结果进行分析中,把基于接触线的人字齿轮对称度误差的测量方法与截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法进行对比,同时对比了两种测量项目的测量精度和测量效率。其中截面法虽然符合对称度误差的定义,但是测量精度较接触线法低且数据不稳定。接触线法适用于人字齿轮对称度误差的高精度测量。