关键词： 非圆齿轮   测量区域规划   误差分析   网格优化   精度等级  

摘要： 非圆齿轮相比于其他传动机构具有诸多独特的优点,其结构紧凑、传动效率高、可适用于多种场合,在仪器仪表、精密仪器、汽车等领域中应用广泛。国内外学者对非圆齿轮设计、制造方面的研究较多,然而针对非圆齿轮的测量技术方面,还未形成较为完备的理论体系,很大程度上限制了非圆齿轮的应用和推广。因此,对非圆齿轮误差分析已经成为其推广应用中的关键问题。 本文以非圆齿轮为研究对象,基于齿轮测量基本原理及网格优化原理,提出一种基于网格优化法的非圆齿轮误差分析方法。该方法利用三坐标测量机测量获取实际齿面,并与理论模型对比分析得到非圆齿轮的误差,进而对非圆齿轮实现精度等级的评定。 首先,依据齿轮啮合原理和插齿加工原理,建立插齿刀和非圆齿轮啮合关系的数学模型,并推出非圆齿轮的齿面方程。根据齿轮测量的基本原理设计并规划非圆齿轮的测量流程,对齿面进行网格划分并求解待测点。根据设计坐标系迭代确立以齿面网格中心为基准点的测量坐标系,通过对实际模型进行异常值处理、坐标系转换误差补偿、齿面网格优化处理以及测头误差补偿以获取精确的实际模型。 其次,分析非圆齿轮的加工方法并对非圆齿轮的加工误差进行分类。分析刀具对齿廓误差产生的影响以及工件转角对齿距误差产生的影响,根据圆柱齿轮的各个误差项目确定非圆齿轮的误差项目并对其分类。参照圆柱齿轮误差评定的标准,推导出非圆齿轮误差允许值关系式。求取非圆齿轮等效圆半径,提供一种非圆齿轮精度等级评定的方法。 最后,基于网格优化法获取非圆齿轮齿面误差值,并分别采用常规方法、无约束方法、约束方法对齿面误差结果进行对比分析,结果表明本文约束测量方法是合理的。其中,单个齿面检测精度最高提升了26.3%,最低提升了2.6%。取齿宽中部的二维截面,分析齿廓误差、齿距误差的测量技术以及误差检测结果。以齿距误差为例,根据已建立的误差评定理论实现对非圆齿轮精度等级的评定,为后续非圆齿轮误差检测的研究提供理论依据。

关键词： 行星齿轮箱   低速重载   故障特征增强   故障诊断   监测系统  

摘要： 行星齿轮箱由于具备大传动比、动力传输稳定、承载能力强等优点,广泛应用于港口起重设备、重卡、盾构机等大型低速重载设备。然而,行星齿轮箱作为传动系统最重要的动力传输部件,长期服役于低转速、大负载、强冲击等恶劣工况下,其关键部件轴承、齿轮容易出现故障,轻则导致设备动力系统受损降低生产效率,重则引发重大安全事故。因此,开展低速重载行星齿轮箱故障诊断技术研究,对于降低工业设备维修成本、减少计划外停机检测以提高工业生产效率具有重要意义。 本文以港口起重机械这一典型低速重载设备为例,针对低速重载行星齿轮箱存在的状态监测不准确、故障特征微弱难以提取以及强噪声背景下的故障状态自动诊断准确率低等问题,开展了随机脉冲干扰检测和抑制、微弱故障特征增强提取、复合故障解耦分离以及故障状态自动诊断四个方面内容的研究,以期在低速重载行星齿轮箱故障诊断方面提供新的方法和思路。本文的主要研究内容如下: (1)针对港口起重机械由于频繁启停、换向、刹车等复杂工况造成行星齿轮箱振动信号中包含丰富的随机脉冲干扰成分,严重影响基于特征参数的设备状态监测准确性的问题,提出了基于统计特征比和改进形态滤波器的随机脉冲干扰检测和抑制方法。首先,构造了基于线性峭度和方差加权四分位差的脉冲检测指标,提出了基于长短时窗统计特征比的随机脉冲干扰检测方法,并给出了检测阈值的自适应确定准则以及脉冲干扰完整边界的确定方法;进一步,构造了一种形态顶帽平均运算,并基于最大化线性峭度自适应确定结构元素长度参数,实现对随机脉冲干扰的抑制;最后,通过实验数据和港口卸船机工程数据验证了所提方法对行星齿轮箱振动信号中随机脉冲干扰识别和抑制的有效性。 (2)针对由于低速重载行星齿轮箱故障特征微弱及现场强环境噪声影响导致的早期故障难以准确诊断识别的问题,提出了一种基于参数优化的变分模态分解和双耦合Duffing振子正反向检测联合的行星齿轮箱单一微弱故障特征增强提取方法。首先,选取最大加权峭度作为适应度函数,利用天鹰优化器自适应确定变分模态分解算法的最优关键分解参数;然后,基于灰色关联度理论,选择包含丰富故障特征的模态分量;其次,构建了一种基于标准差加权的平均欧式距离的混沌相变的定量判据,并提出了基于双耦合Duffing方程正反向检测的行星齿轮箱故障特征提取方法,基于反向检测方法对敏感分量进行边频带检测以判断行星齿轮箱健康状态,基于正向检测方法对敏感分量的包络信号进行故障类型识别;最后,通过仿真和实验分析验证了所提方法对于单一微弱故障特征的增强提取性能。 (3)针对复合故障中不同故障之间相互干扰导致复合故障中能量微弱的特征难以被准确提取而出现误诊、漏诊的问题,提出了一种基于故障特征导向的自适应模态分解方法。首先,构造了一种基于周期加权包络谱峭度和相关负熵的故障冲击指标,用于有效表征故障特征的冲击性和周期性;进一步,以最大化故障冲击指标为目标函数,基于盲卷积理论,设计了有限冲击滤波器组对原始信号进行自适应分解;然后采用变权重粒子群算法对关键分解参数进行自适应寻优,并基于最优分解参数实现对不同故障成分的解耦分离;最后通过实验分析验证了所提方法在复合故障分离诊断方面的有效性,且故障分离诊断效果优于最新的特征模态分解方法。 (4)针对强噪声背景下低速重载行星齿轮箱故障特征微弱难以识别以及工业大数据背景下传统的特征提取方法难以有效处理海量数据的问题,在前述特征增强提取方法的研究基础上,提出了一种基于脉冲-图注意力网络的行星齿轮箱故障状态自动诊断方法。首先,在特征增强研究的基础上,提出了一种基于混沌理论的构图方法,通过构建双耦合Duffing振子阵列对原始信号进行降噪重构,并采用K-近邻方法将重构信号构建为图数据;其次,深度融合图注意力网络的空间特征提取能力和脉冲神经网络的时间特征提取能力,构建了新型脉冲-图注意力网络诊断框架,实现对图数据的自适应脉冲编码以及时空特征提取,并通过两个实验室数据集验证了所提方法在强噪声背景下行星齿轮箱故障状态识别的准确性和有效性;最后,基于Lab VIEW开发了一套齿轮箱故障状态监测系统,实现齿轮箱故障状态的在线监测与诊断。 本文末尾对全文的研究成果和创新点进行了全面概括,同时对未来研究的方向和工作进行了展望。

关键词： 直齿圆柱齿轮   混合润滑   变位齿轮   磁流体润滑   油膜刚度   油膜阻尼  

摘要： 随着制造业在国民经济中地位的日益凸显,航空航天、风力发电、机器人和汽车等领域对齿轮传动性能提出更高的要求。在实际工作环境中,齿轮较长时间内将处于混合润滑状态下,此时两齿面不可避免的会发生接触,导致润滑油膜发生变形,产生油膜刚度,同时由润滑油黏度特性引起的挤压效应使润滑油膜内分子间及流体间都会发生能量交换,从而产生油膜阻尼。为提升齿轮润滑状态、减缓振动冲击影响并有效延长齿轮服役寿命,本文以渐开线直齿圆柱齿轮为研究对象,建立了渐开线直齿轮的瞬态热混合润滑模型,并探究了混合润滑状态下变位齿轮与磁流体润滑的摩擦学性能,此外,开展了对齿轮油膜刚度和油膜阻尼变化规律的分析。 首先,对渐开线直齿轮的瞬态热混合润滑特性进行研究。基于统计方法、平均流量模型和ZMC微凸体接触模型,综合考虑压力流量因子、剪切流量因子和接触因子,建立Ree-Eyring非牛顿流体的无限长线接触齿轮的时变热混合润滑模型。选取齿轮啮合过程中的3个特殊位置作为代表分析其润滑特性,并探究不同综合表面粗糙度、粗糙度纹理参数、齿轮的模数、压力角、输入功率以及转速影响下齿轮的混合润滑规律。 其次,探究变位齿轮的瞬态热混合润滑规律。基于齿轮的变位理论和润滑理论,构建变位齿轮的瞬态热混合润滑模型,对比不同齿轮传动形式的变位齿轮热混合润滑特性,选用摩擦学性能较优的正传动形式,进一步研究变位系数和粗糙度相关参数对变位齿轮混合润滑规律的影响,并分析冲击载荷作用对变位齿轮混合润滑造成的影响。 再次,分析渐开线直齿轮的磁流体瞬态热混合润滑机理。考虑磁流体润滑环境和外磁场效应影响,建立直齿轮的磁流体瞬态热混合润滑模型,研究不同磁流体固体颗粒粒径、磁流体的体积分数以及磁场作用下的磁感应强度等因素对齿轮的混合润滑性能(微凸体接触压力、油膜压力、油膜厚度、膜厚比和温升比等)的影响。 最后,对混合润滑下渐开线直齿轮的油膜刚度和油膜阻尼变化规律进行分析。基于齿轮混合润滑机理与齿轮动力学理论,建立直齿轮瞬态热混合润滑时的油膜刚度和油膜阻尼计算模型,并进一步分析齿轮的载荷和转速、齿轮模数和压力角、粗糙度相关参数、热效应及润滑油黏度等因素对油膜刚度和油膜阻尼的影响规律。

关键词： 非圆齿轮   点接触   齿廓设计   动力学   有限元分析  

摘要： 非圆齿轮用于实现两机构间的变传动比传动,相较于凸轮以及连杆等变速机构具有更高的平稳性及可靠性,主要应用于航空航天、机器人、数控机床等领域,在现代工业中发挥着重要作用。然而,渐开线非圆齿轮存在着承载能力差、使用寿命短、制造工艺复杂等问题。随着非圆齿轮技术的不断发展和成熟,越来越多的行业开始使用非圆齿轮来替代传统的圆齿轮,而上述问题的解决更显得日益紧迫。本文以非圆齿轮齿廓构型为出发点,提出一种点接触非圆齿轮传动形式,开展点接触非圆齿轮节曲线设计、齿廓设计及齿面成型、齿面动力学特性及接触分析等研究。主要工作概述如下: (1)提出点接触非圆齿轮节曲线的设计方法。基于非圆齿轮传动基础理论,提出按传动比函数和按再现函数分别设计节曲线的方法,推导点接触非圆齿轮满足不根切及不内凹的基本条件,确定主要设计参数如螺旋角、压力角、重合度等计算方法,完成设计基本条件验证,为点接触非圆齿轮的数学模型构建提供理论基础。 (2)开展点接触非圆齿轮齿廓设计及成型。以凸-凹齿廓为主要接触形式,开展三点接触非圆齿轮齿廓设计,给出基本齿形参数定义与基本齿廓几何描述,推导齿廓方程表达式;建立高阶点接触非圆齿轮主、从动轮节曲线基本方程,结合节曲线设计理论及MATLAB软件,实现点接触非圆齿轮节曲线参数化设计,进一步揭示高阶非圆齿轮传动比变化规律;基于空间螺旋法及折算齿形法构建点接触非圆齿轮实体模型。 (3)分析点接触非圆齿轮动力学特性。基于ADAMS仿真软件建立点接触非圆齿轮动力学仿真虚拟样机,研究点接触非圆齿轮主/从动轮动态啮合力变化规律、质心位移变化规律及速度变化规律等相关动力学特性;重点分析对比同工况、同参数下点接触非圆齿轮与渐开线非圆齿轮的啮合力变化规律。 (4)分析点接触非圆齿轮接触特性。分别建立点接触非圆齿轮、点接触三阶非圆齿轮及渐开线非圆齿轮实体模型,以振动理论为基础,基于有限元方法开展模态分析,获取不同模型的固有频率及对应振型;分析不同齿轮模型的接触状态,对比分析同参数、同工况下点接触非圆齿轮与渐开线非圆齿轮的齿面接触状态以及接触应力。