含点蚀的行星齿轮系统动力学特性及损伤评估研究

齿面点蚀是一种典型的行星齿轮系统故障。为识别点蚀状态,本文开展动力学特性研究并提出了一种新型的评估指标。首先,虑及过渡曲线和齿间结构耦合效应,利用改进Weber法建立了精确的含点蚀故障齿轮副啮合刚度模型,并研究了故障程度对啮合刚度的影响规律。然后,综合考虑时变啮合刚度、静态传动误差、齿侧间隙和时变振动传递路径等多种因素构建了行星齿轮系统平移-扭转动力学模型,揭示了点蚀程度对系统动态特性的影响规律,并基于振动信号频谱特点提出了边带能量因子(Sideband Energy Factor,SEF)用于损伤评估。最后,利用实验验证了仿真模型的正确性及所提指标的有效性。

基于包络谱语义构建的零样本滚动轴承复合故障诊断方法

深度学习算法在训练集完备的情况下可以实现较高的故障识别率,然而在真实工业场景中,滚动轴承的多种故障可能复合存在,通常难以获取充足的数据用于训练。为解决该问题,提出了一种基于包络谱语义构建的零样本复合故障诊断方法,在训练阶段使用单一故障数据构建了一个语义空间和一个特征空间,然后在识别阶段通过语义空间和特征空间的复合,实现对零样本情况下的复合故障识别。此外,考虑到包络谱能很好地表征滚动轴承故障特征,采用包络谱预处理故障信号以增强轴承故障的特征,并借助信号包络谱的物理含义来构建轴承单一故障和复合故障的语义。试验结果显示,所提模型在复合故障识别上取得了87.83%的准确率,优于对比模型。

基于准零刚度机构与间接力控制的恒拉力系统设计与分析

现有的悬吊式微低重力模拟恒拉力系统常采用力传感器数值作为反馈直接控制系统,但实际情况下力作为反馈信号常会产生突变,影响系统控制精度。为了改进刚性控制策略下系统稳定性差与大冲击条件下力误差大的状况,文中设计了包含准零刚度机构的恒拉力系统,通过控制准零刚度机构长度间接对恒拉力系统输出拉力进行控制。对准零刚度机构进行受力分析,明确影响准零刚度机构性能的关键指标和准零刚度机构的工作行程区间,建立恒拉力系统动力学模型,设计控制系统。为了验证系统控制精度与系统抗干扰性能,进行了动力学联合仿真对设计进行验证,仿真结果表明:该恒拉力系统拉力的控制误差可控制在2%以内,且具有较好的鲁棒性。

基于ES-ALPF的行星齿轮箱故障特征提取方法研究

针对行星齿轮箱故障初期特征提取困难的问题,提出了一种基于聚合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)、奇异谱分析(Singular Spectrum Analysis, SSA)与自适应线性预测滤波(Adaptive Linear Prediction Filtering, ALPF)结合的故障初期特征自适应提取方法。首先,利用EEMD预处理采集的振动信号,得到本征模态函数(Intrinsic Module Function, IMF)分量。其次,根据能量比选取IMFs重构信号。然后,利用SSA增强重构信号的非线性特征。之后,利用基于谱估计的自适应线性预测方法对非线性最突出的频段进行自适应线性滤波。最后,提取滤波后的信号包络,进行傅里叶变换,提取得到故障初期的微弱特征。在行星齿轮箱故障诊断试验台上进行了试验,所提方法与传统的基于EEMD-SSA的包络分析进行了对比,结果验证了该方法的有效性。

紊流润滑滑动轴承壁面压力脉动效应研究

壁面压力脉动是紊流润滑滑动轴承随机振动的主要激励源之一,建立紊流激励特性和轴承结构动力学响应之间的关联,对高转速、低黏度润滑滑动轴承的状态监测和故障诊断具有重要意义。为研究紊流润滑滑动轴承的壁面压力脉动效应,考虑流体油膜中存在逆压力梯度的影响,选用Rozenberg模型和广义Corcos模型表征壁面压力脉动的自功率谱和互功率谱,采用波数域模态叠加法求解滑动轴承紊流壁面压力脉动模型,分析滑动轴承在不同工况参数下壁面压力脉动的激励特性以及结构的响应特性。结果表明:低波数区域紊流脉动压力是轴承结构高频随机振动的主要因素;随着润滑油黏度的降低,高频范围内的轴承模态响应幅值增大,共振峰值附近产生较宽的频带和较高的振幅;随着轴颈转速和径向载荷的升高,紊流压力梯度增大,高频范围内的轴承模态响应幅值也随之增大。

冲击工况下行星齿轮系统点蚀故障评估方法

行星齿轮系统作为工业减速机的关键结构,在运转过程中受到循环载荷和冲击载荷的作用,易使齿轮表面金属疲劳剥落,形成点蚀故障。当系统受到冲击载荷作用时,振动信号的剧烈波动会干扰系统的故障识别。针对该问题,基于冲击工况下含点蚀故障的行星齿轮系统动态特性分析,开发了诊断指标。首先,基于解析几何方法及Hertz接触理论建立了齿轮副接触刚度模型;其次,引入冲击载荷,利用冲击函数法求解了太阳轮-行星轮啮合力;最后,基于系统动态响应信号的频谱分布规律,提出了边带质心能量指标,实现了故障冲击与载荷冲击的准确辨识。

不平衡数据下基于改进门控卷积网络的轴承故障诊断

深度学习在滚动轴承故障诊断中具有广泛的应用,然而,现实中的监测数据往往具有不平衡性,这就会对模型的诊断性能产生很大影响。因此,提出一种基于改进门控卷积神经网络(Improved Gated Convolutional Neural Network,IGCNN)的故障诊断方法,用于数据不平衡条件下的故障诊断。首先,提出改进门控卷积层以增强特征提取能力,通过批量归一化技术提高模型的泛化能力。然后,使用标签分布感知边界(Label-distribution-aware Margin,LDAM)损失函数提高模型对少数类的敏感度,减小数据不平衡对模型的影响。将所提算法应用在两组故障轴承数据上,在数据不平衡率为20:1的情况下,所提算法仍然可达到92.71%和94.47%的故障识别率,而对比的其他主流深度学习模型在该情况下只有60%~72%的准确率,表明所提方法在数据集严重不平衡情况下具有很强的诊断能力和鲁棒性。

改进型EEMD和MSB解调方法及其在轴承故障特征提取中的应用

针对滚动轴承振动信号的强非线性和非平稳特性,提出了一种基于改进集成经验模态分解(IEEMD)和调制信号双谱(MSB)分析的故障特征提取方法。将集成经验模态分解(EEMD)应用于滚动轴承的振动信号处理,将其分解成一系列的本征模态函数(IMFs);通过累计均值(MSAM)准则将IMFs自适应地分为低频IMFs和高频IMFs,其中高频IMFs采用小波阈值降噪进行处理;将降噪后的高频IMFs与低频IMFs进行重构以获取高信噪比的瞬态脉冲信号;利用MSB进一步抑制瞬态脉冲信号中的随机噪声和干扰分量,并提取信号故障特征。与谱峭度(SK)和WEEMD-MSB分析结果进行对比,验证了该方法在轴承微弱故障特征提取方面的优越性。

轮胎中低频噪声的降噪结构设计及性能分析

针对轮胎中低频(500~2000 Hz)噪声的吸收问题,设计了一种组合吸声结构,该结构由多孔材料和卷绕空腔结构组成。结合多孔材料和卷绕空腔的吸声原理,建立了组合式吸声结构的理论分析模型,推导了模型吸声系数表达式;利用有限元分析法,分析了组合式吸声结构在中低频频段内的吸声性能。结果表明,组合吸声结构在500~2000 Hz频段内吸声性能良好,在1092 Hz频率附近出现吸声峰值,接近完美吸声。相较于单一的多孔材料,该组合式吸声结构的吸声性能有了较大的提升;通过改变组合式吸声结构中多孔材料体积占比,研究了吸声性能的变化规律,通过绘制反射系数的复频率平面分布情况,并结合声阻抗匹配条件分析了结构的吸声机理;在阻抗管中对该组合式吸声结构进行吸声测试,验证了理论解析模型和有限元模型的正确性。将组合吸声结构与毛毡轮罩材料叠加,研究了叠加后的吸声性能,并提出了进一步提升吸声性能的措施。该组合吸声结构的吸声峰值频率可根据多孔材料体积占比调控,且总体厚度小,在轮胎中低频噪声控制中具有一定的效果。

课程思政在汽车电子控制技术课程中的探索

专业课课程思政需要润物无声地使学生形成正向的价值观、逻辑思维和过硬的专业素养。从汽车电子控制技术课程内在逻辑的角度,探索了以培养解决复杂工程问题能力为支撑、以技术发展历史为牵引、以学生自主讨论为手段的思政元素融入方法,以期培养更多基础扎实、不惧困难、与时俱进并具有坚定科学素养的专业人才。

采用四阶累积量多重矩阵重构的低信噪比相干声源波达方向估计

针对相干声源子空间能量扩散且协方差矩阵欠秩难以有效估计波达方向(DOA)的问题,提出了一种采用高阶矩阵变换的估计方法-四阶累积量多重矩阵重构(FOC-MMR)。该方法首先对阵列声压数据分帧进行短时傅里叶变换,然后对四阶累积量扩展的高阶协方差矩阵进行奇异值分解(SVD)得到高阶噪声特征向量,保证该噪声特征向量与扩展后的高阶阵列流形矢量正交匹配,最终实现相干信号的DOA估计。相干单频矩形脉冲信号仿真结果表明,将FOC-MMR方法应用于均匀线阵(ULA,M=4),在信噪比SNR≥-15 dB时,相干信号(θ_(1)=-20°和θ_(2)=20°)的均方根误差保持在1.5°以内;在SNR=10 dB时,可正确分辨的两相干信号方位间隔Δθ可以低至5°。在相干脉冲声源实验中,通过混入SNR=5 dB高斯白噪声,验证了FOC-MMR算法在应用于由多个ULA组成的矩形面阵时,其分辨邻近声源和抑制高斯噪声的能力较高。FOC-MMR算法通过对声压阵列数据扩展得到满秩的高阶协方差矩阵,不仅解决了由信号相干造成的噪声和信号特征向量之间能量扩散的问题,还实现了以较高的测向精度和空间分辨率对广角入射的多组相干声源的DOA估计。

基于自适应变分模态分解和调制信号双谱的滚动轴承故障诊断方法

针对滚动轴承振动信号的强非线性和非平稳特征,提出了一种基于自适应变分模态分解和调制信号双谱分析(AVMD-MSB)的故障诊断方法来提取滚动轴承故障特征。首先,利用AVMD自适应地选择VMD参数K和α并将振动信号分解为一系列本征模态函数(IMF),减少了基于经验或信号先验知识对VMD参数选择不当而造成的误差;然后,依据相关峭度指数对所有IMF分量进行加权重构,避免意外遗漏包含重要故障信息的IMF分量;最后,应用MSB进一步抑制信号中的残余噪声和干扰成分,以增强周期性故障脉冲,准确提取轴承故障特征。2组不同类型轴承的试验结果表明,AVMD-MSB的特征频率增强系数远高于AVMD-Envelope和常规VMD-MSB,在滚动轴承故障诊断方面具有更高的灵敏度和更强的鲁棒性。

某乘用车地板纵梁抗撞性优化方法研究

汽车车身地板纵梁前端和地板纵梁的抗撞性直接影响到汽车正面碰撞时侵入量的大小。汽车碰撞中该部位的运动和变形形式复杂,结构设计变量多,是汽车车身抗撞性设计的难点部位。以减小驾驶室侵入量为目标,建立地板纵梁前端和地板纵梁碰撞变形的简化机构,利用限度分析法,结合薄壁梁最大弯曲力矩理论,将地板纵梁前端和地板纵梁的变形量目标转化为该部位最大弯曲力矩。采用帽形薄壁梁最大弯曲力矩理论公式,考虑结构质量因素,进行结构尺寸、厚度和材料的选择。在65km/h正面全宽刚性碰撞工况中,采用该方法获得的优化结构可使加速度峰值降低72.4m/s^(2),驾驶员侧左脚处和转向节处侵入量分别降低21.1mm和25.8mm,达到了将最大侵入量控制在150mm以内的目标。

微量润滑切削雾化液滴毛细管渗透机理研究

微量润滑切削在绿色加工领域有广阔的发展前景,但是在加工过程中润滑油雾的毛细管渗透机理和影响规律仍不明晰。因此,设计了带有负压环境的微切槽毛细管渗透试验,结合雾化液滴毛细管渗透的动力学分析,探究了微量润滑条件下气压、流量和微切槽毛细管横截面积对液滴渗透速度的影响规律。结果表明,毛细管中的负压环境为液滴的渗透提供了便利;随着气压和流量增大,液滴的渗透速度增大,但是毛细管的截面大小对液滴的渗透速度并无显著影响。

工程概论与技术创新课程在新工科通识教育中的作用探索与实践

围绕新工科专业的工程思维和推理、工程伦理等核心工程通识能力,并结合河北工业大学“工学并举”的办学特色,对工程概论与技术创新课程在新工科通识教育中的作用进行探索研究,并在全校工科专业进行教学实践。三年的教学实践效果表明,课程对于引导学生树立大工程、复杂工程的观念,培养学生在工程可靠性、工程标准化与技术创新等方面的基本工程素养,树立职业伦理责任和规范等方面取得显著效果,达成新工科工程通识教育的目标。同时,该探索也为新工科通识教育体系的完善提供借鉴和参考。

基于小波包能量与峭度谱的滚动轴承故障诊断

针对故障轴承的振动信号中包含冲击成分,导致信号的能量集中的问题,提出了一种基于小波包能量与峭度谱相结合的方法用以提取轴承故障信号特征。首先应用小波包对测量信号进行分解、能量归一化处理和信号重构,然后将重构信号采用峭度谱确定带通滤波器的最佳中心频率和带宽,最后将滤波信号进行包络解调并提取故障特征频率。分别对仿真信号和试验数据进行研究,能够清晰地得到故障特征频率及其高次谐波,从而验证了所提方法在滚动轴承的故障诊断中的有效性和可行性。

非线性能量阱对汽车车身垂向振动的抑制效果

为控制动力总成激励引起的车身垂向振动,建立了车身增加立方刚度非线性能量阱和负刚度非线性能量阱的动力总成车身轮胎的三自由度汽车模型。基于复变量平均法分别推导了两个系统的慢变方程,研究了系统鞍结分岔边界条件,并对平衡点稳定性进行了分析。数值分析表明,优化后的立方刚度非线性能量阱能有效减小车身在其固有频率处的振动;与立方刚度非线性能量阱相比,负刚度非线性能量阱具有更好的减振效果。

微穿孔板在随机-区间混合不确定性理论下的结构优化

将不确定性理论应用于微穿孔板结构设计,分析不确定参数(微穿孔板板厚、声速、空气运动黏度)对微穿孔板吸声特性的影响。以板厚为随机变量,以声速和空气运动黏度为区间变量,建立微穿孔板随机-区间混合不确定性模型,利用蒙特卡洛法分析吸声系数和品质因素的不确定度,并通过实验验证模型的正确性。选取吸声系数高于某一值时对应的频带宽度最大为优化目标,以品质因素大于某一值为约束条件,对微穿孔板结构参数进行优化。优化后的微穿孔板吸声系数和品质因素得到有效改善,吸声性能的稳健性得到提升,验证了随机-区间混合不确定性模型在微穿孔板吸声性能优化上的可行性与有效性,为不确定性理论在声学工程中的应用提供参考。

应用Volterra级数识别液阻悬置非线性阻尼参数

液阻悬置作为一种典型的非线性系统,其在不同激励下有着良好的动特性,而动特性又与悬置参数有着密切联系,所以本文基于Volterra级数理论,以惯性通道-浮动解耦盘式液阻悬置为研究对象,提出了该液阻悬置非线性阻尼滞后角和其液体阻尼机构非线性阻尼参数的识别方法,可在知道输出和部分结构参数的情况下来较为简单的获得液体阻尼机构的阻尼参数,且在一定范围的激励频率下得到的该阻尼参数识别值与实验得到的参数值之间的误差能保持在3%以内。另外由Volterra级数理论识别得到的液阻悬置阻尼滞后角已由平均法对比验证,同样表现出了较好的一致性。

表面粗糙度对浮环轴承润滑静特性的影响

为研究粗糙度对浮环轴承静特性的影响,基于雷诺方程并结合随机粗糙模型建立粗糙形状的浮环轴承模型,采用有限差分法对模型进行求解,得到浮环轴承润滑过程中的油膜厚度和油膜压力分布。结果表明:油膜承载力随粗糙度的增大而增大,内层油膜承载力大于外层油膜承载力;端泄流量随粗糙度的增大而减小,内层油膜端泄流量大于外层油膜端泄流量;摩擦功耗随粗糙度的增大而增大,内层油膜摩擦功耗小于外层油膜摩擦功耗。