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关键词： 刀具剩余寿命预测   磨损监测   深度学习   迁移学习   数据降噪处理  

摘要： 刀具作为机床加工的关键部件,其磨损直接影响加工精度和工件表面质量。精准的刀具磨损监测和剩余寿命预测可以准确反馈加工状态,充分使用刀具寿命,进而达到提高加工质量和降低生产成本的目的。实际加工工况复杂,直接监测刀具磨损面临着巨大挑战,通过深度学习算法建立传感器信号与磨损值、剩余寿命之间准确非线性映射关系,是实现刀具磨损监测和剩余寿命预测的重要路径。刀具磨损信号数据量庞大,内部特征隐藏较深,如何精确提取数据中蕴含的深层信息是实现精准监测和预测的瓶颈问题。本文以铣刀和车刀磨损信号数据为研究对象,通过网络融合的方式改进网络结构,增强模型特征提取能力,实现高精度监测和预测。主要研究内容如下:(1)数据预处理。借助可视化手段分析数据集信号特点和变化规律,根据特点针对性的对样本进行无效数据剔除、数据降采样、降噪处理、工况参数集成等预处理,为刀具磨损监测与剩余寿命预测奠定数据基础。(2)构建深度网络融合模型,实现刀具磨损精准监测。针对磨损特征提取不充分、数据时序关系挖掘不准确导致监测精度低的问题,提出一种融入多头自注意力机制的双向门控循环网络(Bi GRU-MHSA)模型。通过Bi GRU对刀具磨损信号前后之间的关联信息进行挖掘,在此基础上,融入MHSA机制对信息细节和隐藏特征进行充分提取,利用有监督学习来训练模型。通过对比实验验证模型有效性和精度。(3)构建深度网络融合模型和迁移学习模型,实现刀具剩余寿命精准预测。在单工况条件下,针对模型预测精度低、泛化性不强的问题,提出一种融合Bot Net机制的时间卷积网络(TCN-Bot Net)模型,通过Bot Net机制在抑制梯度消失和网络退化的前提下,实现关键特征的提取,采用时间卷积网络构建时序信息的长期依赖关系,建立信号与剩余寿命之间的映射关系。在多工况条件下,提出一种基于微调机制的迁移学习模型,以解决小样本数据稀缺问题,将源域共性特征迁移至目标域并进行参数微调,进一步提高模型泛化能力。设计对比实验验证TCN-Bot Net模型性能和精度,通过NASA数据集验证迁移学习方法在刀具剩余寿命预测中的适用性和优势。(4)建立刀具磨损监测实验系统。基于Python语言,使用Py Charm编译器搭建实验系统。系统可以根据输入数据对磨损值进行监测,对剩余寿命值进行预测。

关键词： C/SiC复合材料   金刚石砂轮   砂轮磨损   声发射监测   极限学习机  

摘要： C/SiC复合材料主要由碳化硅基体和碳纤维增强体结合而成,以其突出的耐高温、轻质且耐磨等特性被广泛应用于航空航天、装甲防护、新能源等行业。磨削是保证C/SiC复合材料加工表面质量的重要加工方法,然而,C/SiC复合材料凹槽在磨削加工过程中,由于砂轮磨损易导致加工效率低、凹槽形状精度低、表面质量差等问题。目前,关于磨削C/SiC复合材料时砂轮的磨损机理研究少有报道,并且缺乏有效的砂轮磨损状态监测方法,不同砂轮磨削C/SiC复合材料后的表面质量差异较大。因此,本文通过开展多种类型砂轮的全寿命周期砂轮磨损实验,优选出更适用于磨削C/SiC复合材料的金刚石砂轮,探究砂轮的磨损规律及其磨损机理,并采集全寿命周期的砂轮磨损声发射信号对砂轮磨损状态进行监测,基于多特征向量的提取和极限学习机的优化以实现砂轮磨损状态的智能识别。 首先,分别开展了树脂、陶瓷及电镀结合剂金刚石砂轮磨削C/SiC复合材料的全寿命周期砂轮磨损实验,根据实验情况探究了3种砂轮的磨损形式和磨损规律的异同,基于砂轮表面磨损形貌、凹槽微观形貌、磨削力这3个方面优选出电镀砂轮为最适用于磨削C/SiC复合材料的金刚石砂轮,同时,研究了砂轮磨削C/SiC复合材料凹槽的底面材料去除机理。 其次,建立砂轮轴向磨损量、工件表面粗糙度与砂轮磨损状态之间的联系,按照磨削次数划分了树脂、电镀及陶瓷砂轮的三种典型磨损状态,树脂、陶瓷、电镀金刚石砂轮分别在第28次磨削、70次磨削、50次磨削进入稳定磨损阶段,又分别于第76次磨削、160次磨削、180次磨削达到剧烈磨损阶段。另外,揭示了电镀金刚石砂轮在磨削C/SiC复合材料过程中的磨损机理,电镀砂轮的磨损以磨粒磨耗与砂轮底面磨屑的严重堵塞为主,砂轮底面磨损比圆周面磨损更为严重,随着磨削次数的增加,磨粒与结合剂的磨损逐渐向砂轮内径方向扩散。 最后,开展了电镀砂轮磨削C/SiC复合材料的砂轮磨损全寿命周期声发射信号采集实验,将声发射信号的均方根曲线与砂轮的磨损状态建立联系,分析了砂轮不同磨损阶段的声发射信号的主频带变化趋势及原因,随着砂轮的持续磨损,砂轮对材料的去除方式从磨粒切削刃切削材料转变为钝化的磨粒与砂轮结合剂挤压并摩擦材料,因此声发射信号主频带由高频段的80～160k Hz到低频段的25k Hz转变;探究了砂轮磨损状态多特征融合的神经网络模型识别方法,对砂轮磨损的原始声发射信号进行时域、频域与小波包分析,并提取了电镀砂轮不同磨损状态时的声发射信号,基于极限学习机建立砂轮磨损状态识别模型,采用蜉蝣算法对极限学习机的输入层权重和隐含层偏差进行寻优,提高了识别模型的稳定性和预测精度。

关键词： 滑靴副   二级仿鲨鱼皮结构   动压承载   减阻特性   摩擦磨损  

摘要： 海水轴向柱塞泵因结构简单、容积效率高、工作压力高等优势,成为海水液压传动技术的热门研究对象,滑靴副作为海水轴向柱塞泵关键摩擦副,其性能对泵的效率特性和使用寿命有着重大影响。传统柱塞泵以液压油为介质,而海水轴向柱塞泵是以海水作为介质,海水相较液压油物化性能较差,具有黏度低、润滑性差、腐蚀性强等理化特性,对海水轴向柱塞泵性能产生不可避免的影响,通过在滑靴副上构造二级仿鲨鱼皮结构提高动压承载减阻性能,采用CFD方法对其产生的性能进行分析。本文共设计两大类不同结构,每类设计18组正交试验,探究高度比、转速等因素对水膜特性的影响。仿真结果表明:第一类二级仿鲨鱼皮结构可产生有益的动压承载性,各因素对水膜动压承载力影响权重大小:转速>高度比>面积率>曲率比>排布方式>槽宽比>一级尺寸;但其减阻性较差,为负效益,各因素对水膜减阻性影响权重大小:转速>排布方式>面积率>曲率比>高度比>一级尺寸>槽宽比。第二类二级仿鲨鱼皮结构可产生更有益的动压承载性,各因素影响权重大小:转速>高度比>面积率>一级坑形>槽宽比>排布方式>一级尺寸;亦能产生较好的减阻性,各因素影响权重大小:转速>一级坑形>面积率>高度比>一级尺寸>排布方式>槽宽比。以仿真为基础,设计对动压减阻性能影响较大的转速等试验,探究不同转速等因素对滑靴副摩擦磨损的影响,用MMD-5A摩擦磨损试验机对产生的摩擦系数、摩擦力等进行测量,分析仿真数据与试验数据。在海水轴向柱塞泵滑靴副设计中提出一种新型二级仿鲨鱼皮结构,以期对滑靴副降阻减磨的仿生研究具有重要指导意义。

关键词： 载流摩擦磨损   磨损机理   机械摩擦   焦耳热效应   电弧侵蚀  

摘要： 载流摩擦副是具有电流传输作用的功能性摩擦副。随现代工业与信息产业的不断发展,载流摩擦副已经广泛应用于轨道交通、工业发电、自动化、航空航天和军工电子等诸多领域。但与此同时,由于服役工况愈加苛刻,如配副间相对运动速度不断加快、电压与传输电流不断提高等,载流摩擦副的服役寿命和稳定性受到严峻挑战,已经成为制约相关领域关键部件可靠服役的主要障碍。载流摩擦过程涉及力、热、电等多因素耦合作用,服役环境因素和材料内禀特征对其摩擦学行为都会产生显著的影响。本文以Cu-8.33Ni-1.67Si合金和GCr15轴承钢作为实验材料,探究了摩擦条件(法向载荷、滑动速度和电流)、Cu-8.33Ni-1.67Si合金显微组织和材料属性对其摩擦行为的影响。首先以铸态Cu-8.33Ni-1.67Si合金作为实验材料,通过全面实验和回归分析建立摩擦条件与摩擦系数、磨损率之间的数学模型。在此基础上,通过改变摩擦条件,探究了机械摩擦、焦耳热耦合机械摩擦和电弧侵蚀为主的载流摩擦三种不同工况环境下Cu-8.33Ni-1.67Si铸态合金的摩擦行为,通过对比讨论了机械摩擦、焦耳热效应和电弧侵蚀对其磨损机制的影响。最后,通过热处理和多向压缩工艺改变了合金中硅化物的形态数量,并对其进行力学性能、导电性能和摩擦磨损性能测试,探究了 Cu-8.33Ni-1.67Si合金显微组织与其摩擦磨损行为之间的关系。本文的主要结论如下:(1)电流对Cu-8.33Ni-1.67Si铸态合金摩擦系数和磨损率的影响与载荷、速度值密切相关。当载荷较小时,电流增大至某一临界值后,GCr15轴承钢材料更易在电弧侵蚀作用下液化熔融并冷焊至铸态合金表面形成深色氧化膜,氧化膜未破损前会使其摩擦系数和磨损率出现较大的下降。而当速度和载荷值较大时,电流的介入将加剧铸态合金的磨损。(2)在无电流条件下,随载荷增加,铸态Cu-8.33Ni-1.67Si合金亚表层发生的塑性流动会造成网状晶界相Ni31Si12和基体界面结合处发生裂纹的形核,并在后续的摩擦过程中平行扩展脱落形成层片状磨屑。固溶+多向压缩+时效处理可使粗大的网状晶界相Ni31Si12发生细化,使其数量大大降低,有效抑制裂纹萌生,提高合金的耐磨性能。(3)经固溶时效处理后,Ni2Si相的析出使得Cu-8.33Ni-1.67Si合金的硬度、导电率和抗拉强度有效提高。在1N载荷条件下,相较于固溶态合金,其犁沟划痕明显减轻,耐磨性能提高。(4)在10N载荷条件下,随电流增加,焦耳热占比逐渐增加,Cu-8.33Ni-1.67Si铸态合金的主要磨损机制由疲劳磨损转变为粘着磨损。粘着磨损的出现使得摩擦系数值及其波动幅度明显增大,在此条件下,Cu-8.33Ni-1.67Si合金的硬度和导电率越高,其耐磨性能越好。

关键词： 非接触式自动测量   曳引轮磨损   注意力机制   模板匹配   语义分割  

摘要： 随着我国经济社会的蓬勃发展,城市人口与日俱增,高层建筑如雨后春笋般涌现,曳引式电梯作为高层建筑中重要的垂直交通工具,被广泛地应用。曳引式电梯依靠钢丝绳与绳槽摩擦产生的曳引力来运行,长时间运行后,曳引轮的绳槽会发生磨损,过量的磨损会导致严重的电梯安全事故发生。针对传统曳引轮磨损检测方法精度不高、受光照影响大、自动化程度低等问题,本文将语义分割和图像处理技术应用于工业测量领域,以带切口的V型曳引轮绳槽为研究对象,设计了一种曳引轮磨损自动测量方法,实现了不同光照环境下曳引轮磨损量的高精度、非接触式自动测量。 首先,调研了曳引轮的槽型与磨损成因,建立绳槽磨损状态下的物理模型。然后,搭建了硬件测量平台,完成软件流程设计,并提出一种曳引轮绳槽磨损自动测量的算法。设计了一套人机交互系统,并通过精度与误差、鲁棒性实验验证了系统的性能。 其中,曳引轮绳槽磨损自动测量算法由语义分割和图像处理两个模块组成。针对边缘提取冗余点多、受光照影响大等问题,本文提出使用深度学习视域下的语义分割模型实现对钢丝绳和绳槽的图像分割。建立曳引轮数据集,从三个角度对不同的语义分割模型进行对比,选取最适用于本文任务的模型DeepLabV3+;针对模型在实验中表现出的问题,通过融合双注意力机制、改变上采样方式和激活函数提高模型的光照鲁棒性和分割精度;设计实验验证改进后模型ESDeepLabV3s的性能。基于语义分割模型输出的预测图像,本文提出一种融合曳引轮图像特征的图像处理算法。首先对捕获的图像进行倾斜校正,通过图像预处理提高图像的质量;然后通过模板匹配法识别目标绳槽,利用斜率监测和分段拟合算法实现磨损点的定位;最后通过物理模型计算磨损量,分析误差并通过加权等方法做出相应的补偿。 实验结果表明,系统的均方根误差不超过0.03542,相对误差小于1.4592%,绝对误差小于0.048 mm,符合曳引轮磨损测量的国家标准和相关规定。本文提出的方法解决了在弱光和强光环境下测量误差大的问题,与传统测量方式相比精度高、可自动化,能够快速准确地测量曳引轮绳槽磨损量,具有在实际工业场景下应用的潜力。

关键词： 钛合金微径铣刀   刀具参数   磨损检测  

摘要： 钛合金作为重要的材料在航空航天、汽车、医疗等领域有着广泛的应用。针对钛合金等难加工材料的加工，需要更加注意刀具的磨损状态，以提高机床加工效率和加工质量。因此，研究刀具磨损状态的检测方法对于提高加工质量和降低生产成本具有重要的意义。本文以微径铣刀磨损检测为例，对钛合金铣削加工刀具磨损基本参数进行测量和分析，选取刀尖高度、刀具的直径、副后刀面积、刀具的前角和刀具的后角这五个参数进行测量，并对其进行评估，然后根据测量结果对其进行判别。通过实验测量数据可以看出刀具磨损情况。

关键词： 滑滚比   柔性环   滚动载流摩擦   磨损  

摘要： 滚动载流摩擦副被广泛应用在航空航天、风电系统、雷达等高端装备,是整机装备传输电流的唯一通道。滑滚是滚动摩擦的特有参数,对滚动摩擦系数和滚动损伤有重要影响。本文滚动载流摩擦副由内圈、外圈和柔性环构成,柔性环直接装卡在内外圈之间,由内圈驱动旋转。首先通过控制对滚摩擦副的线速度差来研究给定滑滚比对载流摩擦性能的影响,然后通过柔性环从动滚动自发产生滑滚的试验来研究滑滚产生规律以及滑滚对柔性环载流摩擦性能的影响。柔性环滑滚的计算基于环体的自转和公转速度,由接近传感器监测并计数。滚动载流摩擦损伤分析主要靠光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射等手段分析。研究结果表明: 1.通过给定滑滚比试验,发现滑滚比的增大导致摩擦系数上升,表面温升升高。滑滚导致材料疲劳、塑性变形和磨损去除,虽然氧化产物的去除有利于降低接触电阻,可提升导电性能,但基体材料的损伤不利于长寿命服役。 2.通过柔性环从动滚动自发产生滑滚的试验,发现当内圈驱动转速从1 r/min增加至300 r/min时,柔性环滑滚比先增大后降低,转速为100 r/min时,滑滚比(5.54%)最大。当弹性力从1.3 N增加至22.8 N时,滑滚比从11.74%降低到5.54%。当电流从0 A增加至20 A时,滑滚比从6.09%降低到5.24%。 3.随着转速增大,摩擦系数的变化与滑滚比变化相一致,滑滚导致磨损表面宽化和粗糙化,表面疲劳磨损加重。随着弹性力增大,柔性环与内外圈咬合程度高,不易发生滑动,滑滚比降低。但高弹性力导致表面疲劳剥落加重,磨损面宽化和粗糙化,摩擦系数增大。随着电流增大,柔性环受电流热影响磨损表面发生粘着效应,导致柔性环与内外圈咬合程度增高,滑滚比降低。但大电流下柔性环表面疲劳磨损加重,磨损面宽化和粗糙化,摩擦系数增大。柔性环的磨损有利于加快表面氧化物去除,露出新鲜的金属表面以及接触面宽化,降低接触电阻。 4.随着转速增大,次表层塑性变形和应力集中现象先增大后减小,在100r/min时最明显。随着弹性力和电流的增大,次表层塑性变形程度和应力集中现象越来越明显。结合滑滚比、摩擦力与次表层损伤关系,发现柔性环次表层损伤程度与摩擦力变化的关联更直接。 本文面向导电旋转装置中柔性环载流摩擦配副服役需求,解决了柔性环动态运动中公转、自转速度测量难题,探究了柔性环从动滚动过程中滑滚产生规律以及滑滚对柔性环滚动载流摩擦性能的影响,揭示了柔性环载流摩擦损伤机制,为大功率旋转导电装置的研制提供基础试验支撑。

关键词： 集电环磨损   研磨工具   车削工装   自主车削  

摘要： 发电机集电环打火磨损修复,一般由专业单位到厂在线修复,此方案存在检修时间难协调、费用高的缺点.某海外电厂通过自主设计集电环在线研磨工具和现场车削工装,完成了集电环在线打磨、车削修复工作,缩短了停机检修时间,节约了大量检修费用.该案例可供同类电厂参考.

标准号: T/CNS 79-2022