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Deep Spatiotemporal Convolutional-Neural-Network-Based Remaining Useful Life Estimation of Bearings

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Chinese Journal of Mechanical Engineering 2021年第3期34卷 115-129页

作者： Xu Wang Tianyang Wang Anbo Ming qinkai han Fulei Chu Wei Zhang Aihua Li State Key Laboratory of Tribology Tsinghua UniversityBeijing 100084China High-Tech Research Institute of Xi’an Xi’an 710025China

The remaining useful life(RUL)estimation of bearings is critical for ensuring the reliability of mechanical *** to the rapid development of deep learning methods,a multitude of data-driven RUL estimation approaches have been proposed ***,the following problems remain in existing methods:1)Most network models use raw data or statistical features as input,which renders it difficult to extract complex fault-related information hidden in signals;2)for current observations,the dependence between current states is emphasized,but their complex dependence on previous states is often disregarded;3)the output of neural networks is directly used as the estimated RUL in most studies,resulting in extremely volatile prediction results that lack ***,a novel prognostics approach is proposed based on a time-frequency representation(TFR)subsequence,three-dimensional convolutional neural network(3DCNN),and Gaussian process regression(GPR).The approach primarily comprises two aspects:construction of a health indicator(HI)using the TFR-subsequence-3DCNN model,and RUL estimation based on the GPR *** raw signals of the bearings are converted into TFR-subsequences by continuous wavelet transform and a dislocated overlapping ***,the 3DCNN is applied to extract the hidden spatiotemporal features from the TFR-subsequences and construct ***,the RUL of the bearings is estimated using the GPR model,which can also define the probability distribution of the potential function and prediction *** on the PRONOSTIA platform demonstrate the superiority of the proposed TFR-subsequence-3DCNN-GPR *** use of degradation-related spatiotemporal features in signals is proposed herein to achieve a highly accurate bearing RUL prediction with uncertainty quantification.

关键词： Bearing Remaining useful life Continuous wavelet transform Convolution neural network Gaussian process regression

Dynamic characteristics of large permanent magnet direct‐drive generators considering electromagnetic–structural coupling effects

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International Journal of Mechanical System Dynamics 2023年第1期3卷 25-38页

作者： qinkai han Xueping Xu Zhihong Zhang Yifeng Yan Chao Peng Fulei Chu Department of Mechanical Engineering The State Key Laboratory of TribologyTsinghua UniversityBeijingChina School of Instrumentation and Optoelectronic Engineering Research Institute for Frontier ScienceBeihang UniversityBeijingChina Institute of Research Center Xinjiang Goldwind Science and Technology Co.Ltd.XinjiangChina

Dynamic characteristics of large permanent magnet direct‐drive generators(PMDGs)considering electromagnetic–structural coupling effects are analyzed in this *** the conformal mapping method,the scalar magnetic potential of the air gap magnetic field considering the slot effect is *** the basis of the discrete current element and magnetic equivalent circuit model,the local magnetic saturation effect of the stator and rotor is quantitatively simulated and the air gap magnetic field intensity distribution is obtained via numerical simulation.A series of uniformly distributed equivalent electromagnetic springs are introduced to develop an electromagnetic–structural coupling finite element PMDG *** proposed air gap field analysis method is verified by the finite element analysis *** the basis of the test platform for the Goldwind 1.5MW PMDG,both modal and dynamic response tests for the stator/rotor coupling system are conducted,and the results are compared with the natural frequencies,mode shapes,and vibration responses obtained using the numerical *** effects of the air gap length and rotor speed on the natural frequencies of the coupling system are *** proposed model has the potential to accurately evaluate the PMDG vibration energy,avoiding resonance points,and maintaining stable operations of the unit.

关键词： permanent magnet direct‐drive generators dynamic characteristics electromagnetic–structural coupling effects conformal mapping magnetic equivalent circuit model electromagnetic springs

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考虑不确定性因素的齿轮系统动力学研究综述

机械工程学报 2016年第1期52卷 1-19页

作者：魏莎韩勤锴褚福磊清华大学机械工程系北京100084

齿轮系统应用广泛,并在风力发电、航空航天、汽车和盾构机等机械设备中发挥关键作用。其动力学特性的优劣将直接影响设备整机的工作性能。然而齿轮传动的结构形式多样、内外部激励和非线性因素丰富,同时工作环境复杂多变,这使其动力学... 详细信息

齿轮系统应用广泛,并在风力发电、航空航天、汽车和盾构机等机械设备中发挥关键作用。其动力学特性的优劣将直接影响设备整机的工作性能。然而齿轮传动的结构形式多样、内外部激励和非线性因素丰富,同时工作环境复杂多变,这使其动力学分析相比较于其他机械系统更加复杂。另外,制造、加工、装配等的误差、磨损、润滑和运行环境等因素将导致齿轮系统的内外部激励和系统参数具有不确定性。齿轮系统动力学分析需要考虑这些不确定性因素。目前,针对齿轮系统动力学特性的不确定性分析,国内外学者已开展了广泛的研究工作。从不确定性因素的描述方式、动力学方程的求解方法、动力学特性分析、可靠性与优化设计、以及不确定性分析的试验研究等方面系统地评述国内外学者对齿轮传动系统不确定性动力学特性的研究现状,并给出需要进一步研究的问题。

关键词：齿轮传动动力学统计分析随机误差不确定性

考虑热流固耦合的角接触滚动轴承动力学特性及打滑状态分析

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机械工程学报 2022年第9期58卷 87-97页

作者：高帅韩勤锴褚福磊清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084 米兰理工大学机械学院米兰20158意大利

轴承滚珠-滚道之间的打滑易使滚动体滚道划伤并导致明显的温升。为讨论打滑现象及其导致的问题,提出一种热流固耦合动力学模型。模型引入了轴承部件的热变形,打滑导致的温升,供油区的润滑油混合模型,保持架-引导圈之间的流体动压模型,... 详细信息

轴承滚珠-滚道之间的打滑易使滚动体滚道划伤并导致明显的温升。为讨论打滑现象及其导致的问题,提出一种热流固耦合动力学模型。模型引入了轴承部件的热变形,打滑导致的温升,供油区的润滑油混合模型,保持架-引导圈之间的流体动压模型,以及作用在滚珠和保持架上的碰撞力和切向摩擦力,并考虑了保持架及滚珠的打滑程度、轴-轴承-轴承座组件的温升分布、热弹性变形等动静态参数的影响。通过对比7307AC轴承在一系列运行工况(运行速度,轴向载荷和润滑油量)下的打滑试验结果,验证了热流固耦合模型的准确性和有效性。结果表明,相同轴向预载时转速升高打滑程度显著加剧;最高温升及热变形也随之增加。乏油润滑下(0.4 L/min),保持架总体打滑率低于满油润滑(1.2 L/min),但轴承滚道的局部最大热变形达到滚珠-滚道径向游隙的4倍。基于润滑油混合模型发现,喷嘴水平对称布置相较于垂直布置冷却效果更好。

关键词：热流固耦合模型角接触球轴承温升热弹性变形打滑程度

航空发动机数字孪生驱动的高精度摩擦电轴承传感器

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航空学报 2024年第21期45卷 93-105页

作者：高帅韩勤锴褚福磊重庆大学高端装备机械传动全国重点实验室重庆400044 清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室北京100084

航空发动机轴承打滑损伤问题和保持架运行稳定性是制约自主航空发动机装备可靠服役的瓶颈问题。为实现航空发动机数字孪生体多物理参数采集,开发了一种基于摩擦电的高精度轴承保持架传感器。针对航空发动机轴承整体式保持架,利用固定在... 详细信息

航空发动机轴承打滑损伤问题和保持架运行稳定性是制约自主航空发动机装备可靠服役的瓶颈问题。为实现航空发动机数字孪生体多物理参数采集,开发了一种基于摩擦电的高精度轴承保持架传感器。针对航空发动机轴承整体式保持架,利用固定在保持架侧表面上的含阵列式凸起的介电环和安装在轴承座上的叉指电极板构成非接触式独立自由层摩擦发电机。在滚道驱动滚动体,滚动体驱动保持架的作用下,介电环扫掠电极输出交流电信号。电信号的频率特征可作为评估轴承打滑与保持架转动稳定性的指标。研究了轴向载荷、内圈转速等工况对轴承打滑的影响,以及介电环材料、发电机内部间隙等结构参数对保持架传感器输出的影响。试验结果表明,在高转速工况下,轴向载荷增大,轴承打滑率降低的幅度更大。聚四氟乙烯材料的介电环输出性能较其他高分子材料提高了50%以上。并且,所提出的轴承保持架传感器应用在了双转子航空发动机试验台主轴承上,实现了高转速(5 900 r/min)下的打滑监测。该研究为滚动轴承智能化设计提供了技术参考,从智能零部件孪生单体虚实互动有望推广到航空发动机整体部件孪生形态;并论述了该研究对未来航发数字孪生技术的启发。

关键词：摩擦纳米发电机航发轴承打滑数字孪生保持架

具备实时动态稳定性监测特性的高速混合陶瓷摩擦电滚动轴承

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机械工程学报 2024年第15期60卷 80-88页

作者：高帅韩勤锴褚福磊清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室北京100084 米兰理工大学机械学院意大利米兰20158

滚动轴承运行的可靠性和稳定性是制约高速旋转机械性能的关键因素。为实现滚动轴承实时动态行为和稳定性监测,开发了一种高速混合陶瓷摩擦电滚动轴承。采用单侧开口的冠形保持架,将陶瓷滚珠作为介电材料,与设置在轴承端盖上的叉指电极组... 详细信息

滚动轴承运行的可靠性和稳定性是制约高速旋转机械性能的关键因素。为实现滚动轴承实时动态行为和稳定性监测,开发了一种高速混合陶瓷摩擦电滚动轴承。采用单侧开口的冠形保持架,将陶瓷滚珠作为介电材料,与设置在轴承端盖上的叉指电极组合,构成浮动滚动-滑动组合自由层式摩擦纳米发电机。在内外滚道牵引力作用下,介电陶瓷滚珠产生自旋和公转运动,进而扫掠电极输出交流电。电信号的频率特征与瞬态周期特征可作为评估轴承打滑与保持架稳定性的指标。本文研究了径向载荷、转速等工况参数以及电极尺寸、滚动体材料等结构参数对摩擦电轴承信号输出的影响。试验结果表明:较低径向载荷下,滚动体绝对打滑速度随转速升高明显升高;提高径向载荷,轴承保持架旋转稳定性降低。所制造的轴承样机实现了16000 r/min(DN值约0.45×10^(6)r/min·mm)下的稳定输出,并通过了3千万转的耐久性测试。该研究为高速滚动轴承智能化设计提供了技术参考。

关键词：摩擦电效应稳定性陶瓷滚动体滚动轴承打滑

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基于多核监督流形学习的旋转机械故障诊断

航空动力学报 2024年第10期39卷 141-149页

作者：杨长远马赛韩勤锴山东大学机械工程学院济南250061 清华大学机械工程系北京100084

为了准确地对旋转机械进行故障诊断,提出了一种多核监督流形学习算法(multi-kernel supervised manifold learning,MKSML)。MKSML算法可以有效地对高维故障数据进行特征选择,筛选出区分度高的低维故障特征。借助监督学习的思想,增强了... 详细信息

为了准确地对旋转机械进行故障诊断,提出了一种多核监督流形学习算法(multi-kernel supervised manifold learning,MKSML)。MKSML算法可以有效地对高维故障数据进行特征选择,筛选出区分度高的低维故障特征。借助监督学习的思想,增强了同类样本的聚集性和不同类样本之间的差异性;同时基于所设计的多核函数提出了加权邻域图构建方法,能够保留近邻点之间的距离信息和角度信息,有效地抑制故障特征选择时样本中的异常值和噪声的干扰。通过灰狼优化算法调整MKSML算法相应的参数,使算法能够应用于不同类型的旋转机械故障诊断。在此基础上,建立了一种基于MKSML算法的旋转机械故障诊断模型,并进行了轴承故障诊断实验以及齿轮故障诊断实验。

关键词：故障诊断信号处理数据降维流形学习特征选择

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风力机行星齿轮传动系统动力学研究综述

机械工程学报 2014年第11期50卷 23-36页

作者：邱星辉韩勤锴褚福磊清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084

风力机行星齿轮动力学研究对降低其振动和噪声、延长风力机使用寿命和提高运行可靠性具有重要意义。行星齿轮传动自由度多、结构复杂、非线性因素和内部激励丰富,而且风力机外部激励复杂,国内外学者已对其进行较为广泛、深入的研究。从... 详细信息

风力机行星齿轮动力学研究对降低其振动和噪声、延长风力机使用寿命和提高运行可靠性具有重要意义。行星齿轮传动自由度多、结构复杂、非线性因素和内部激励丰富,而且风力机外部激励复杂,国内外学者已对其进行较为广泛、深入的研究。从系统建模、动力学方程求解、动力学特性分析、动力学优化设计等方面系统评述国内外学者对行星齿轮系统动力学的研究现状,从固有特性、参数稳定性、非线性动态响应等方面详细介绍动力学特性的研究进展,其中齿侧间隙、轴承间隙和齿面摩擦等是现有研究关注较多的非线性因素。根据风力机行星齿轮系统的工作环境和行星齿轮动力学研究的发展趋势,给出了风力机行星齿轮系统需要深入研究的方向。

关键词：行星齿轮动力学模型求解方法动力学特性优化设计

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静载荷作用下偏心转子电磁振动特性

清华大学学报（自然科学版） 2016年第2期56卷 176-184页

作者：徐学平韩勤锴褚福磊清华大学机械工程系北京100084

偏心转子不仅受动载荷作用,还受静载荷作用。该文推导了转子同时考虑动、静偏心的气隙长度统一公式,利用数值方法计算出作用于转子的不平衡磁拉力(UMP),建立了UMP、静载荷(重力)、不平衡质量激励力作用下转子系统的运动微分方程。分析... 详细信息

偏心转子不仅受动载荷作用,还受静载荷作用。该文推导了转子同时考虑动、静偏心的气隙长度统一公式,利用数值方法计算出作用于转子的不平衡磁拉力(UMP),建立了UMP、静载荷(重力)、不平衡质量激励力作用下转子系统的运动微分方程。分析了动偏心和动静复合偏心情形下不计静载荷时和考虑静载荷时转子系统的轴心轨迹和位移频谱,讨论了静偏心方向、初始静偏心量对转子系统振动特性的影响。结果表明:静偏心方向影响转子轴心轨迹的位置分布,使位移频谱中幅值周期性变化,静偏心量的增加使位移频谱中出现4倍旋转频率的振动分量。静载荷对转子系统的作用可视为该静载荷方向上大小恒定的静偏心。

关键词：振动不平衡磁拉力静载荷静偏心静偏心方向