改进KnEA的二级斜齿圆柱齿轮减速器优化设计

在实际工程中,复杂的多目标问题是导致优化结果收敛性和多样性损失的重要因素。为了提高优化算法在复杂问题中维持解多样性和收敛性平衡的能力,提出了基于KnEA(A Knee Point Driven Evolutionary Algorithm)的辅助点进化算法。首先,该算法借助进化过程中有明显趋势的拐点作为邻域空间的中心;其次,通过分析邻域空间中的拐点与上一代拐点之间的关系,从侧面来定量分析了邻域空间的潜力;再次,为了解决对复杂问题优化过程中收敛性不足的缺陷,提出了根据邻域空间的进化潜力来增加辅助点的策略,进一步地提高了进化过程中的空间搜索能力。在种群的环境选择中,优先选择拐点和辅助点进化下一代,以此平衡种群的收敛性和多样性。将该算法在多目标测试问题上与流行的算法进行了比较,实验结果表明提出的算法在多目标问题优化中有明显优势。最后,将该算法应用到二级斜齿圆柱齿轮减速器优化设计当中。

基于多传感数据融合的变速运行齿轮异常振动故障诊断

变速运行齿轮异常振动故障诊断性能过差会增加汽车维护成本,缩短齿轮使用寿命。为了及时识别齿轮故障,保证汽车变速器总成具有良好的振动特性,提出基于多传感数据融合的变速运行齿轮异常振动故障诊断方法。通过分析多传感器数据融合技术,掌握变速运行齿轮异常振动故障诊断的理论框架,并以此为基础,参考传感器融合模块、特征级并行多神经网络局部诊断模块和终端分类模块,结合变分模态分解、多通道加权融合和单隐层前馈神经网络训练算法,从信号采集、信号特征提取和信号特征分类3个步骤实现变速运行齿轮异常振动故障诊断。实验结果表明:在齿轮发生轻度磨损时,磨损振动信号的幅值在20~40 mV之间,磨损振动信号的频率在0~4000 Hz区间;中度磨损时,信号的幅值在30~55 mV之间,信号频率在3000~7000 Hz区间;重度磨损时,信号幅值在50~70 mV之间,信号频率在6000~12000 Hz区间,且各阶段诊断结果均与故障程度的实际转折点吻合。由此可知在各样本数量均相同的情况下,提出的故障诊断方法预测值与真实值均相同,故障程度和故障类型的诊断性能均较好。

深轮辐齿坯多工位闭式模锻材料流动规律研究

探索闭式热模锻成形时材料的流动规律是控制充填不满等成形缺陷、获得高精度模锻件的理论基础。针对深轮辐齿坯件热模锻成形时易出现填充不满的问题,以某SCr420H深轮辐齿坯为研究对象,基于齿坯件结构分析,设计了“下料-加热-镦粗-预锻Ⅰ-预锻Ⅱ-终锻”的多工位闭式热模锻工艺方案;基于Deform软件,构建了深轮辐齿坯件多工位闭式热模锻全流程有限元模拟模型;采用试验验证了有限元模型的可靠性,并对多工位闭式热模锻成形过程中材料的流动规律进行了研究。结果表明:镦粗比为3.7时,可获得外形良好的圆饼形预制坯,镦粗时受上下表面摩擦效应的影响,材料径向流动不均匀,在坯件腰部出现鼓形;预锻Ⅰ工位成形出用于定位的底面内凹结构,同时减小了后续工位材料填充难度;预锻Ⅱ和终锻成形时的材料流动规律相似,成形前期材料集中流向轮缘部分、成形中期主要流向轮毂部分、末期流向圆角处;终锻成形时未出现材料填充不满的缺陷,在成形后期,少量金属材料从终锻上下模的导向间隙中流出,形成纵向飞边。通过生产试验,成形出填充良好的深轮辐齿坯件,模拟数值获得温度与实际生产数值最大误差不超过3.15%,纵向飞边高度小于0.5 mm,零件各尺寸偏差均小于0.2 mm,验证了所设计多工位闭式模锻工艺的合理性。

车轴滚齿加工工艺参数GA-BP模型NSGA-Ⅱ优化

研究了高速条件下的滚齿工艺参数设置与优化方面的工作,采用新的非支配遗传算法NSGA-Ⅱ设计了相应的优化数学模型,优化达到最低能耗以及最长的刀具使用期限,再以遗传反向传播算法(GABP)神经网络为目标设置预测模型并建立适应度函数,完成迭代优化后获得匹配滚齿工艺的Pareto最优条件。研究结果表明:这里预测模型经过5次循环计算后,均方差为10-5,得到0.000425的最优值,推断上述网络满足良好的稳定性。刀具寿命误差相对后者降低16%,降低了36%的能量损耗,发现GABP算法具备更优收敛能力。Pareto解集获得了比相近加工样本集更优的性能,因此采用多目标优化模型可以确保加工能耗和刀具使用寿命同时达到最佳状态。该研究对提高的滚齿加工工艺参数以及提高机加工效率具有很好的实际应用价值。

磁阻式磁力齿轮多目标优化设计

结合磁阻式磁力齿轮工作原理及传动性能的分析,以提高电磁转矩和降低转矩脉动为目标进行优化设计。首先,通过田口实验设计方法筛选出对设计目标影响较大的因素,再采用响应面法得到反映优化参数与优化目标之间函数关系的数学模型。然后,进行基于多目标白鹭群优化算法的多目标优化设计,选出最优参数组合。最大输出转矩提高了7.76%,转矩脉动降低了28.76%。最后,通过有限元仿真验证了优化算法的有效性和可靠性,为磁阻式磁力齿轮的设计提供参考。

一种齿轮故障协同诊断与预警方法

针对齿轮故障诊断与演化监测问题,提出一种快捷、有效的协同诊断与预警方法。首先,采用小波变换与相关性准则筛选反映齿轮故障冲击特性较强的共振频带;其次,通过Hilbert变换获取包络解调信号,使用自相关滤除噪声干扰;然后,运用倒频谱将包络信号频谱上的一系列边频谱线简化为单根谱线,获取故障特征;最后,构建预警特征量:倒频谱幅值比(Cepstral Amplitude Ratio,CAR),用于表征故障演化趋势。两组高采样频率公开数据集的分析结果表明:相比于其他典型方法和指标,所提协同诊断法得到的故障特征频率对应的谱峰更加清晰,所提指标可更好反映故障演化趋势。

Hardware Design and Test of a Gear-Shifting Control System of a Multi-gear Transmission for Electric Vehicles

The performance of electric vehicles is affected by the shift quality of multi-gear transmission.The realization of dual-target tracking control requires the transmission control unit(TCU)to accurately measure and process the input signals of the gear-shifting control system and precisely control the drive motor torque and the position of shift motors.An electric-vehicle-dedicated TCU was designed to meet the above design requirements.Its function modules included a single-chip control circuit,shift position signal sampling circuit,signal conditioning circuit of the rotational speed and angle,controller area network communication circuit,and shift motor drive circuit.A hardware-in-the-loop simulation test system showed that the TCU design scheme met measurement accuracy requirements and coordinated the actions of the shift actuator and motor control unit to achieve fast and smooth shifting before the road test.The power interruption time of the shifting process was within 350 ms.The reliability of the TCU design was further verified in a 150,000-km vehicle road test.

双轮支柱式起落架刹车振动分析与减振优化

以某型双轮支柱式起落架为研究对象,对飞机刹车诱导低频振动问题进行了研究,首先建立了完备的飞机着陆刹车滑跑整机六自由度数学模型,并在Simulnk中完成模型的搭建,用以分析了刹车控制律的部分参数对抖振的影响。其次,以轮轴中心航向加速度的RMS值作为振动量化指标,与结合系数效率一同设置为优化目标,基于NSGA-Ⅱ算法对液压刹车控制系统参数进行多目标优化设计,得到了优化变量的Parato最优前沿面和TOPSIS方法折衷最优解。最后,根据得到的优化设计方案对比分析优化前后的轮轴中心振动响应,并设置多组仿真工况检验了优化方案对不同着陆环境的适应性。结果显示优化后的起落架轮轴中心加速度Rms值最大降幅能达到14.53%,结合系数效率最大增幅为3.65%,表明所提出的起落架减振优化设计方法具有良好的实现性。

多头双向螺旋面的加工方案研究

在介绍活齿端面谐波齿轮的传动原理及多头双向螺旋面含义的基础上,提出了2种加工多头双向螺旋面的方案,并进行了分析、比较。方案一:先采用三维建模软件(如NX等)对具有不同参数的多头双向螺旋面的零件进行建模,再利用数控立式加工中心进行加工;方案二:利用数控电火花线切割机床与数控回转工作台互相配合,按照多头双向螺旋面形成的原理进行加工。

基于改进MOPSO的RV减速器摆线轮齿廓多目标修形研究

在精密RV减速器摆线轮修形过程中,RV减速器回差和传动误差难以获得综合提升,且摆线轮的修形方式多为单目标修形或加权单目标修形,不符合实际工程情况。为此,采用TCA法建立传动误差模型和回差模型,提出一种带有指数型非线性递减惯性权重和迭代更新学习因子的多目标粒子群算法。以回差和传动误差为目标函数,利用改进算法进行复合修形量的优化,通过隶属度函数获得最优化解。利用Adams和MATLAB分别分析不同修形方法下RV减速器的回差和传动误差情况。结果表明:最终优化修形后的回差比等距、移距修形分别减少了0.02′、0.04′,传动误差分别减少了6.6%、7.8%。

考虑多场耦合作用的航空薄辐板齿轮热处理后辐板车削变形研究

薄辐板齿轮拥有质量轻、结构与受力相匹配等诸多优点,常应用于航空航天等重要场合。然而,薄辐板齿轮本身的刚度较小,工艺过程复杂且涉及应力场、温度场等多个物理场的耦合作用,难以对其进行精确变形及加工精度的控制与预测。以薄辐板齿轮件为研究对象,针对齿轮辐板的热处理及车削加工工艺过程,建立了零件的工艺参数与其应力场间的映射模型,并通过试验验证了该模型的正确性;基于该模型,分析了不同的工艺参数、工艺路线以及零件的装夹方式等对航空薄辐板齿轮辐板的热处理后车削加工变形的影响,明确并优化了导致零件产生变形的主要因素。

二级齿轮非线性动态特性同伦摄动法分析

考虑时变啮合刚度、脱齿、各级齿轮啮合间的耦合关系,建立了二级齿轮传动机构的刚柔混合模型,采用同伦超越摄动法分析了机构的非线性动态特性,得到了二级齿轮机构主共振、超谐共振和亚谐共振的频响表达式。与多尺度法不同,同伦法的分析精度不受脱齿程度的影响。与数值积分结果的对比表明,在脱齿率达到30%以上时,同伦法较多尺度法具有明显的计算精度优势。该研究为复杂齿轮传动机构的非线性动态特性分析提供了更为精确的理论分析方法。

航空发动机附件机匣齿轮传动设计分析软件开发与应用

附件机匣齿轮传动系统作为航空发动机附件动力传递与驱动的关键基础部件,其传动构型与结构设计繁琐,且涉及元件和系统的设计参数众多,传统基于经验公式与零散程序的设计模式难以满足先进航空装备对高承载、长寿命、轻量化传动系统高效设计要求。为此建立了“构型设计—元件设计—系统分析—系统优化”的航空发动机齿轮传动设计方法,基于C++/Python程序语言开发了航空发动机附件机匣齿轮传动设计分析软件。同时依据设计需求,应用所开发软件生成了四种传动构型方案,优选同轴多输出非对称分流构型,以轻量化、高承载为优化目标,基于NSGA-Ⅱ算法开发传动系统多目标优化模型,实现齿轮组减重15.81%,薄弱环节齿轮传动安全性提高2.98%,为新一代航空高端装备齿轮传动设计提供了理论方法和软件工具。

基于HMFDE和t-SNE的旋转机械故障诊断方法

针对旋转机械的故障特征提取较难,以及单一类型的特征无法全面反映故障特性的问题,提出了一种基于混合多尺度波动散布熵(HMFDE)、t分布-随机邻域嵌入(t-SNE)和郊狼优化算法(COA)优化极限学习机(ELM)的旋转机械故障诊断方法。首先,采用特征加权提出了混合多尺度波动散布熵方法,并将其用于提取旋转机械振动信号的故障特征;随后,采用t-SNE方法对混合故障特征进行了特征降维,挑选出了最能够反映故障特性的特征子集,构建了敏感特征样本;最后,采用郊狼优化算法对极限学习机的输入权重和隐含层阈值进行了优化,完成了旋转机械的故障识别和分类;以齿轮箱和滚动轴承故障数据集为对象,对基于HMFDE、t-SNE和COA-ELM的故障诊断方法进行了实验,验证了方法的有效性。研究结果表明:采用HMFDE-t-SNE-CAO-ELM故障诊断方法可以取得100%的故障识别准确率,该方法能够有效地诊断旋转机械的不同故障类型和损伤;相较于基于单一类型特征的故障诊断方法,其准确率分别可以提高0.68%、22.42%、29.18%(齿轮箱)和1.43%、8.23%、23.67%(滚动轴承),虽然牺牲了一定的计算效率,但准确率得到了明显的提高;相较于其他常规故障分类器,COA-ELM的故障识别准确率具有明显的优势。

柔性齿轮运动特性及其振动抑制性能的实验研究

在三缸发动机平衡轴齿轮传动系统的传动过程中,存在着较大的振动和噪声问题,为此,提出了一种附加阻尼环的齿轮传动系统刚柔耦合模型,对柔性齿轮结构的运动特性及其振动抑制性能进行了实验研究。首先,采用集中质量法,建立了考虑齿轮间隙和时变啮合刚度的附加阻尼环6自由度齿轮传动系统的弯曲-扭转模型,利用石川公式计算出了柔性齿轮的时变啮合刚度,对比了有无阻尼环的齿轮系统的振动响应;然后,搭建了专门的齿轮传动系统测试设备,测试了不同转速下钢齿轮和柔性齿轮的加速度和噪声峰值;最后,设计了激光位移试验台,对比分析了不同转速下齿轮的微抖动,对柔性齿轮的减振效果进行了测试,并验证了理论模型的正确性。研究结果表明:当转速为1000 r/min时,钢齿轮和柔性齿轮的最大加速度信号分别为35.58 m/s^(2)和20.37 m/s^(2);当齿轮转速为4000 r/min时,柔性齿轮的阻尼效果最佳,加速度峰值降低了45.23%,噪声峰值降低了39.06%;钢齿轮的微抖动幅值明显高于柔性齿轮,两者的变化趋势相似。柔性齿轮能有效抑制轮齿微抖动振幅曲线的不平滑、毛刺现象,从而增强了三缸发动机平衡轴系的稳定性。

某空间机构内啮合复合行星齿轮传动系统设计与优化研究

齿轮传动系统是空间站等空间机构开展设备安装与维修、舱段转位与对接等任务的核心机械装置。空间机构齿轮传动系统需满足大扭矩、高效率、长寿命、轻量化等需求,对系统设计和优化方法提出了更高要求。针对某空间机构传动系统的设计需求,提出了“两级内啮合齿轮+三级2K-H行星齿轮”的复合行星齿轮传动系统构型方案,完成了传动系统各级齿轮的结构设计,并提出了基于多准则决策的空间机构齿轮传动系统多目标优化模型,实现多达49个结构参数的快速求解。相比优化前的传动设计方案,优化后的齿轮传动系统减重5.02%,安全系数提升8.01%,为新一代空间机械臂关节等空间机构装备研发提供了支撑。

多挡位电流比较仪研究

针对传统的电流比较仪均采用人工操作,自动化程度和检测效率低的问题,设计了多挡位电流比较仪。采用嵌入式单片机控制技术,智能化测量检测绕组信号,自动输出测试数据,实现了自主跟随,负反馈智能控制,提高了工作效率及测试精度。

某无人机多点式起落架风洞试验研究

降低起落架阻力是提高飞机气动性能的关键技术之一。以某型无人机多点式起落架为研究对象,基于风洞试验技术对比分析前/后起落架的零升阻力系数,并提出改善起落架阻力特性的方法。试验结果表明,前起落架构型零升阻力系数最大,相比于干净构型,零升阻力系数增加81%,最大升阻比降低31%。取消前/后机轮作为对照组,获得机轮的零升阻力系数,研究发现前机轮零升阻力系数为0.014,后机轮零升阻力系数为0.001,后续可以给前起落架安装整流罩以降低阻力。

高速重载弧齿锥齿轮齿面多目标优化设计

以提高弧齿锥齿轮强度性能和减振降噪为出发点,基于TCA(Tooth contact analysis)、LTCA(Load tooth contact analysis)及局部综合法建立高重合度与低啮合转换处传动误差幅值的齿面多目标优化设计模型;利用带精英策略非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)优化3个齿面2阶接触参数,根据目标函数重要程度从Pareto最优解集中选择最终优化解。结果表明:给定工况下,优化后的2阶参数使得弧齿锥齿轮副重合度增加了16.69%,啮合转换处传动误差幅值降低了87.33%;同时承载传动误差均值、齿面接触应力均值与大小轮齿根弯曲应力均值分别降低了11.82%、0.25%、12.32%和13.61%,改善了齿轮副的强度性能和啮合性能,实现了减振降噪的效果。

IMIBSE与ISOMAP在旋转机械故障诊断中的应用

针对基本熵的区域划分标准不理想,导致无法有效测量振动信号的复杂度,使故障诊断的准确率不佳这一问题,提出了一种基于改进多尺度改进基本熵(IMIBSE)、等距特征映射(ISOMAP)和随机森林(RF)的旋转机械故障诊断方法。首先,采用基于方差的区域划分准则对基本熵进行了改进,结合改进的粗粒化处理,提出了IMIBSE,并将其用于提取故障特征;随后,利用ISOMAP对原始故障特征进行了特征降维,选择了对分类贡献最大的一组特征作为故障敏感特征;最后,基于RF建立了多故障分类器,将故障敏感特征输入至RF模型进行了训练和测试,实现了旋转机械的故障识别,利用齿轮箱和离心泵两种故障数据集将IMIBSE方法与复合多尺度基本熵、多尺度改进基本熵、多尺度基本熵进行了比较和分析。研究结果表明:IMIBSE不仅具有最佳的可视化效果,而且取得的识别准确率最高,二者均达到了100%,而二者的平均分类准确率分别为100%和99.8%;相较于其他故障诊断方法,IMIBSE方法的准确率更高,而且适用于小样本的故障识别问题。