关键词： 齿轮测量中心数字孪生体   误差模型   误差数值生成   误差叠加系统  

摘要： 在齿轮测量中心测量过程中,误差是无法回避的问题。误差类型多样,同一误差在每次测量过程中的作用效果也可能不同,单从测量结果来分析误差来源难度很大,且缺乏必要的误差研究手段。本文针对上述问题,应用齿轮测量中心数字孪生体(DTGMC)叠加误差,模拟真实测量环境,研究误差对测量结果的影响。主要工作包括如下: (1)分析现有物理齿轮测量中心和本课题组所开发DTGMC的工作原理及其结构,研究DTGMC功能模块的作用机理,梳理代码程序,重构了DTGMC的数据流图和系统结构框图,为后续误差叠加功能拓展奠定了基础。 (2)研究齿轮测量中心中几何误差、运动误差、探测误差、光栅示值误差及其它误差的作用机理,构建了齿轮测量中心共50项误差的数学模型,为误差叠加研究提供了理论基础。 (3)根据齿轮测量中心误差值的变化规律,将各项误差划分为固定值误差、随空间位置变化的误差和随测量时间变化的误差,提出了不同规律误差值的叠加方法,为DTGMC的误差导入奠定基础。 (4)构建了含误差的DTGMC数据流图和系统结构框图,在vs2019中编程实现了DTGMC及其误差叠加系统的设计,可以对齿轮测量中心各项误差及其误差值进行设置,实现了误差叠加功能。 在DTGMC中进行了渐开线样板检测,以验证设计和编程的正确性。然后在此基础上进行了渐开线样板误差叠加检测,通过叠加固定值误差、随空间位置变化的误差和随测量时间变化的误差对误差叠加系统进行了功能验证,证明了误差叠加系统可以按要求完成误差叠加工作,为进行齿轮测量误差方面的研究提供了研究平台。

摘要： “小梁怎么没来?”早读时间照例先查看学生的出勤情况,只有小梁的座位是空的。“老师,今天早上他跟在校车后面追着车跑,校车不停下。校车护导员阿姨说要治一治他。”跟他坐同一班车的小A告诉我,小梁不按照时间等候校车,经常让校车等他,满满一车的同学都只等他一个,所以校车司机想要彻底整治他一下。小梁肯定昨晚上又睡晚了,早晨没人叫醒,起晚了。

关键词： 偏置螺旋齿面齿轮   车齿法   车齿刀具   仿真   刀具优化  

摘要： 偏置螺旋齿面齿轮是一种由圆柱齿轮和面齿轮构成的交错轴传动机构。其中圆柱齿轮偏置安装的引入大大拓展了面齿轮传动的适用范围,为工程设计者提供了更多的创新空间,轴线的偏移有助于减少设备整体的重心高度,同时采用跨式支承显著的提高了系统的结构刚性,且结构紧凑、安装方便。在直升机附件传动系统、机器人、车辆工程以及轻工机械装置等领域均得到广泛应用。车齿加工效率高、加工方式简单方便,是一种新型的面齿轮加工方式,但研究表明目前相交错轴面齿轮车齿加工建模方法不能直接应用于螺旋齿面齿轮的加工制造。因此,针对这一突出问题,本文提出并研究了偏置螺旋齿面齿轮车齿加工建模及其刀具设计优化方法,内容可以总结为以下几点: 根据偏置螺旋齿面齿轮插齿法齿面成形加工原理,建立了假想的渐开线斜齿插齿刀齿面方程,采用展成法,对面齿轮齿面结构及其插齿运动关系进行了设计,建立了插齿加工偏置螺旋齿面齿轮坐标系。根据齿轮共轭原理,推导了偏置螺旋齿面齿轮插齿加工的啮合方程,进而获得偏置螺旋齿面齿轮虚拟插齿加工的理论齿面方程。利用MATLAB求解齿面方程,获得了空间齿面点坐标,建立了偏置螺旋齿面齿轮理论齿面数字化模型。 为了避免车齿法加工过程中刀具与工件的干涉,由圆柱齿轮与螺旋齿面齿轮的构型配置,建立了刀具与工件的空间布局关系;由假想的斜齿圆柱齿轮模型,采用斜齿轮当量齿数的方法,进行了车齿刀具结构参数的设计计算,获得了螺旋齿面齿轮车齿法加工附加转角的计算方法。在此基础上,构建了车齿刀具切削刃的数学模型,获得了碗形刀具与花瓣形刀具切削刃形曲线。基于齿轮传动的空间相交轴两自由度共轭啮合原理,建立了车齿法加工偏置螺旋齿面齿轮切削运动模型和车齿加工坐标系,采用包络法,推导了车齿法加工偏置螺旋齿面齿轮车齿的齿面方程,并研究了偏置螺旋齿面齿轮车齿齿面与插齿原理成形的理论齿面拓扑结构的特征关系。 采用参数化建模技术构建了专用的五轴联动数控车齿机床和花瓣形车齿刀具模型,运用VERICUT数控仿真加工平台,根据车齿法加工的切削运动关系,推导了数控机床各轴的运动参数,编写了数控加工程序并进行了偏置螺旋齿面齿轮数控车齿加工过程仿真,获得了螺旋齿面齿轮车齿法加工的数控编程规律。最后,设计制造了花瓣形车齿刀具,运用五轴联动的数控加工机床进行了偏置螺旋齿面齿轮原理性试切。试验过程和试切结果验证了车齿法加工大螺旋角偏置面齿轮理论的正确性,以及车齿法加工复杂齿面方法的可行性,为车齿刀具的优化和加工精度的提高奠定了理论基础。 基于减小螺旋齿面齿轮齿面偏差的要求,对花瓣形车齿刀具进行了优化设计。采用优化的齿条刀展成高精度的新型花瓣形刀具,并对展成过程中刀具的螺旋角和轴夹角进行了参数化设计,获得了具有较小结构前角,不同截面变刀齿参数和切削刃形参数的新型花瓣形刀具。构建新型花瓣形刀具的参数化模型,采用建立的五轴联动数控车齿机床模型,优化数控车齿加工程序,进行刀具优化的数控车齿加工偏置螺旋齿面仿真过程。仿真结果表明,刀具优化后面齿轮车齿仿真的过切数明显减少,最大过切量不超过10μm;残留数为2851个,最大残留量小于29.99μm。,验证了花瓣形车齿刀具优化设计的合理性。

关键词： 风电齿轮箱   故障诊断   深度学习   迁移学习   域适应   域泛化  

摘要： 随着全球对清洁能源的需求不断增长,风能作为一种可再生能源得到了广泛的关注和应用。风电机组作为风能转化的核心装备,在能源产业中扮演着至关重要的角色。然而,随着风电装机规模的不断扩大和风电机组运行时间的增加,其故障问题也日益突显,尤其是齿轮箱作为风电机组的关键部件之一,其故障频率和对风电机组运行稳定性的影响不可忽视。齿轮箱故障不仅会导致风电机组的停机维修,造成经济损失,还可能对风电机组的安全性产生严重威胁。因此,及早发现和准确诊断齿轮箱故障,对于提高风电机组的运行效率、延长设备寿命和保障安全具有重要意义。 随着大数据技术的不断发展和计算机算力的提升,以深度学习为代表的智能算法在旋转机械故障诊断领域具有深厚潜力。然而,传统的深度学习方法在风电机组运行工况变化较大的情况下,往往难以保持高精度的故障诊断,需要针对风电机组的实际运行状况进行更深入的研究。本研究旨在针对风电机组齿轮箱故障诊断工况变化和数据获取困难的问题,结合迁移学习思想,提出新的故障诊断方法,以提高风电机组运行的安全性、稳定性和可靠性,具体内容如下: (1)对齿轮箱常见的故障部位和故障类型进行了总结,通过动力学模型,阐述各类型故障的振动机理,并对振动信号的特征频率进行了详细分析,为后续故障诊断方法的研究打下理论基础。 (2)搭建了风电机组传动系统模拟实验台。该实验台包括驱动电机、一级行星齿轮箱、二级平行轴齿轮箱和电磁制动器,并配备了综合控制台,以实际模拟风电机组的运行情况。并通过调节运行参数和更换故障件的方式来模拟不同工况和故障类型,然后利用加速度传感器获取了多工况下的振动数据,以供后续实验中使用。 (3)考虑到风电机组在运行过程中工况的变化对故障诊断精度的影响,提出了一种动态条件对抗域适应模型。该模型通过编码器、分类器、域判别器和条件域判别器的组合,实现了对源域和目标域间边缘分布和条件分布的对齐,从而消除了工况变化对模型故障诊断精度的影响。在模型优化过程中,通过对抗训练来混淆域判别器,并设置了两个动态权重以确保模型效果的稳定性。实验结果表明,该方法的故障诊断精度远高于传统深度学习方法,并优于其他域适应方法,在多组风电齿轮箱跨工况故障诊断任务中具有较高的准确率。 (4)针对风电机组运行工况难以预知及多工况数据集获取困难的问题,进一步提出了对抗式单域泛化网络。该网通过对抗训练的方法获得分布更广泛的扩充域,从而实现在未知工况数据中的故障诊断。在两个数据集上的对比实验结果显示,该方法相较于传统深度学习方法具有更高的准确率,且具有更强的鲁棒性和泛化能力。由于该方法在训练过程中无需访问目标工况数据,因此有潜力应用于风电机组的实时故障诊断中。

关键词： 喷丸残余应力   裂纹扩展   应力强度因子   数值模拟   喷丸参数优化  

摘要： 高周循环应力工况下齿根裂纹引发的疲劳断裂是轨道车辆传动齿轮强度失效的重要形式之一。通过大量高速运动的弹丸冲击零件的表面形成强化层的喷丸强化,可以在零件表面以及近表面形成残余压应力场从而提高表面疲劳抗力和降低疲劳裂纹的扩展速率。然而喷丸参数与零件实际疲劳性能之间的联系尚未建立,使目前喷丸处理对齿轮疲劳特性的影响还存在一定的模糊性和争议性,因此本文以某轨道车辆传动齿轮为研究对象,建立并联合了多弹丸随机喷丸模型与考虑喷丸残余应力的齿根裂纹模型,分析残余应力下齿轮根部裂纹的扩展与疲劳寿命特性,并以最优模式对同时提供两个或多个响应的喷丸参数进行优化,以实现最佳的强化效果和材料性能提升,为齿轮抗疲劳与轻量化设计提供了理论与技术支撑。论文主要研究内容如下: (1)针对实际喷丸过程中弹丸位置的随机特性,构建出“FEM-DEM”(有限元-离散元)随机多弹丸喷丸模型,残余应力结果优于单弹丸模型与均布式阵列弹丸模型结果,并验证了模型的准确性。实现了不同工况、不同喷丸覆盖率条件下所需弹丸个数的精确计算,进而分析了喷丸工艺参数对残余压应力特性参数的影响规律。 (2)基于有限元二次开发和20结点奇异元1/4结点位移法,建立并联合了随机多弹丸喷丸模型和含初始裂纹的三维齿根裂纹模型,发展一套多步骤联合数值模拟方法,对齿根裂纹应力强度因子与裂纹扩展行为在内部残余应力场和外部载荷共同作用下的变化进行分析。结果表明:喷丸强化引入的残余压应力影响区域内裂纹尖端应力强度因子减小约12%、残余应力影响区内裂纹扩展速率显著减小;这种抑制作用随着裂纹深度和外加载荷的增加而减弱,当裂纹长度超过2mm时影响彻底消失。 (3)基于喷丸残余应力耦合裂纹模型的数值模拟结果,使用优化的田口法建立L9正交矩阵,对不同多目标下的最佳可控因子水平进行分析,寻找有效参数、优化喷丸参数。结果显示中等出射速度、高弹丸直径与高弹丸数量得到的喷丸效果最佳。成果对喷丸工艺参数的确定和高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。

关键词： 磁场调制齿轮   磁性组件   电控永磁技术   扭矩特性   两挡变速器  

摘要： 两挡变速器是高性能电动汽车的重要组成,一般由离合器与齿轮轮系组成,但在高速电机驱动下换挡时离合器存在严重的磨损、发热以及冲击问题。而磁力传动无接触、高柔度的传动特性具有先天的无磨损、抗冲击性能,故巧妙融合磁场调制齿轮与电控永磁技术,提出了集动力通/断控制与齿轮传动于一体的磁场可控式永磁齿轮机构,为研发电动汽车无磨损式两挡变速器提供新的技术途径。 首先分析电动汽车中两挡变速器的传动缺陷,提出了一种基于磁场可控式永磁齿轮的两挡变速传动方案,并围绕核心部件——磁场可控式永磁齿轮展开研究,阐明了该磁性齿轮的结构组成和工作原理。 然后基于磁场调制理论以及电控永磁理论,建立了磁场可控式永磁齿轮模型,给出了磁场可控式永磁齿轮的设计方法,并进行了一组实例计算,获得了试验样机的结构参数。 建立了磁场可控式永磁齿轮的磁场有限元模型,研究了关键结构参数对扭矩特性的影响规律,结果表明:固定环内磁轭厚度增加,传动扭矩随之增大到一定值后不再变化,而固定环外磁轭厚度增加,传动扭矩随之降低;在保证磁性组件退磁状态理想的情况下,增大永磁体厚度会增大输出扭矩。 最后完成了试验样机的设计和加工,搭建了样机试验平台,测试了样机在充/退磁状态下的转速以及扭矩,结果表明:充磁状态下输入、输出转速基本接近理想传动比,退磁状态下输出转速几乎为零,与理论分析结果基本吻合,验证了磁场可控式永磁齿轮传动方案的可行性以及相应分析理论的正确性。

关键词： 齿轮传动   啮入冲击   传动误差   响应优化  

摘要： 齿轮传动系统具有传动效率高、啮合平稳、可靠性高等特点,在航天航空、海洋船舶等领域得到了广泛的应用。航空发动机附件齿轮传动系统作为连接原动机与执行终端的桥梁,是航空发动机关键核心部件之一,其动态性能的好坏直接影响航空发动机及附件系统的可靠性和稳定性。随着航空发动机性能指标的持续提高以及机载附件数量的增加,附件传动系统的输入转速和功率不断上升,轮齿啮合过程中的冲击碰撞与磨损问题突出,导致传动系统振动特性恶劣。因此,开展航空附件齿轮传动系统的振动特性及响应优化研究,对附件齿轮传动系统振动控制、高可靠安全运行有着重要的应用价值。 论文以航空附件齿轮传动系统为研究对象,开展齿轮副啮入冲击与摩擦激励、传动误差激励、附件齿轮传动系统动态特性与响应优化研究,揭示内部激励作用下附件齿轮传动系统动态响应演变规律,为附件齿轮传动系统振动控制提供思路。论文主要研究内容如下: (1)基于齿轮弹性变形理论和冲击力学理论,计算齿轮副啮入冲击力与冲击时间。根据齿面润滑状态判断齿面摩擦形式,推导线外、线内啮合摩擦系数与摩擦力的解析公式,分析设计参数和运行工况对啮入冲击与齿面摩擦特性的影响规律。结果表明:啮入冲击随输入转速、转矩以及齿宽的增加而增大,随变位系数的增大而减小;线外啮合摩擦系数随转速和转矩的增大而减小,线内摩擦系数随着转速的增大而减小,随转矩的增大而增大。 (2)基于齿轮啮入冲击与弹流润滑原理,结合势能法和载荷分担理论,提出考虑线外冲击的时变啮合刚度和齿面载荷的计算方法。建立计及冲击和摩擦激励的齿轮副时变转速计算模型,探究考虑冲击和摩擦激励作用下齿轮转速变化规律,并计算齿轮副传动误差。结果表明:冲击和摩擦激励诱发齿轮转速产生周期性变化,线外啮合阶段,转速在啮入点处发生突增,之后非线性减小;线内啮合阶段,转速在理论值附近波动。 (3)基于集中质量法建立考虑齿轮啮合刚度、传动误差、摩擦以及冲击等激励的附件齿轮系统动力学模型,求解系统振动位移、动态传动误差以及动态啮合力,探究冲击与摩擦激励作用下系统动态响应的演变规律。结果表明:附件齿轮传动系统动态啮合力均值较理论值误差最大为7.5%;冲击激励加剧系统动态波动,导致系统振动特性恶劣,摩擦激励对系统响应影响较冲击激励要小。 (4)建立航空附件齿轮系统齿廓修形模型,确定齿轮副最佳修形参数。保证轮齿承载可靠性前提下,同时降低传动误差、冲击幅值和系统总体质量,形成振动-冲击-重量等性能优化设计方法,求解得到系统优化参数。结果表明:优化后附件齿轮传动系统的系统总质量较优化前降低了10.1%;齿轮副动态传动误差峰峰值较优化前最大降低了36.4%,齿动态啮合力峰峰值较优化前最大减小了27.7%,优化后系统动态动态性能得到明显改善。