关键词： 高速液压电机泵   内啮合齿轮泵   空心轴充液泵   吸油强化   齿圈倾覆  

摘要： 液压电机泵作为移动机械的新型动力源,正向高速化方向发展。内啮合齿轮型电机泵是将永磁电机、空心轴充液泵和内啮合齿轮泵等一体化集成的紧凑型电动液压动力单元。拓宽液压泵转速范围以适配永磁电机的高效区间,将大幅改善电机泵的功率密度、效率、噪声等性能指标。而吸油空化和摩擦副磨损是液压泵高速化面临的两大重要基础性课题。为此,本文开展了高速内啮合齿轮泵可视化试验、电机泵全流场仿真、齿轮副瞬态动力学仿真、齿轮副轴向微动测量实验、内啮合齿轮泵流固耦合联合仿真、内嵌微小热电偶测温实验和高速内啮合齿轮型电机泵样机性能分析,解决了电机泵的吸油问题,从微观层面揭示了惯性力、油膜压差、油介质温升等因素影响下齿圈的摩擦机理,为摩擦副的减摩设计提供了指导。主要研究工作如下: (1)内啮合齿轮泵的高转速自吸特性分析。设计了内啮合齿轮泵流场可视化试验,结合流场仿真,阐明了内啮合齿轮泵的高转速自吸特性。研究表明:转速越高,空化越剧烈;在压差作用下,齿间容腔中产生或带入的大部分气泡会重新融入到油液中,只有进入到排油腔的气泡会降低内啮合齿轮泵的有效输出流量;齿轮副长径比设计在0.23～0.33范围内、增加吸油口直径和数量都会改善内啮合齿轮泵的自吸性能,但仍有必要强化其吸油压力,抑制空化。 (2)空心轴充液泵的增压供液特性全流场解析。建立了空心轴充液泵内部压力预测数学模型和电机泵全流场仿真模型,优化了空心轴充液泵的结构参数,并分析了影响其增压供液性能的主要因素。结果表明:离心孔孔径、数量和空间角、运行转速、油液温度、液压泵的自吸能力以及电机泵辅油路间隙共同决定了空心轴充液泵的增压供液性能;离心孔8个,空间角45°,实度在0.36～0.42范围内的空心轴充液泵结构最优;6000rpm以内,转速越高,空心轴充液泵的增压效果越好,低速也不妨碍内啮合齿轮泵吸油。 (3)内啮合齿轮泵齿圈的微动行为仿真与实验验证。建立了齿轮副瞬态动力学仿真模型,搭建了齿圈轴向微动测量实验系统,研究了空载状态下齿圈的微动特性。发现:惯性力影响下,齿圈同时存在径向和轴向微动行为;转速越高,齿圈的径向微动量越大,而轴向的微动幅值会变小,但会偏向某一侧,增加了与侧板的接触频率;齿圈与偶件发生非持续性局部接触,出现接触、反弹和再次接触现象,反弹后接触位置发生变化。 (4)内啮合齿轮泵齿圈的倾覆行为联合仿真分析。建立了内啮合齿轮泵流固耦合联合仿真模型,计算了端面非等间隙下的油膜压力分布,分析了齿圈在油膜压差作用下的倾覆行为。研究表明:端面摩擦副间隙差越大,两侧的油膜压差也越大,高低压侧的压差也不相等;在该压差作用下,齿圈发生倾覆,使齿圈外圆与侧板发生局部线性接触;同时存在轴向移动和压形变,轮齿部位发生的局部凸起形变与侧板接触,且间隙差越大,接触面积越大。 (5)内啮合齿轮泵端面间隙油膜温度分布及齿圈热形变特性。搭建了内啮合齿轮泵端面间隙油膜温度分布原位测量系统,获得了内啮合齿轮泵端面间隙油膜温度分布特征,基于此计算了齿圈的热形变量。研究表明:端面间隙油膜的局部高温始终出现在齿圈轮辐位置;微观自由状态下,齿圈受热非规则膨胀,使齿圈处于倾斜状态;相同条件下,5000rpm比常规转速3000rpm的热形变量高出56.9%,热形变不可忽略。 (6)高速内啮合齿轮型电机泵样机性能分析。研制了高速内啮合齿轮型电机泵样机,并搭建了与同规格油泵电机组的性能对比试验台。测试结果表明:在空心轴充液泵的辅助下,6000rpm时较同规格内啮合齿轮泵样机和产品的充液率分别提高5.14%和6.06%,气穴噪声基本消除;内啮合齿轮泵摩擦副端面磨损主要发生在与齿轮副配合的高压侧泵体或侧板,摩擦面的磨损特点与仿真结果高度吻合,证实了齿圈的倾覆行为。

关键词： 交变载荷   分流式传动   圆弧齿轮扭转振动   游梁式抽油机   变频驱动  

摘要： 作为游梁式抽油机的关键传动装置,分流式圆弧齿轮减速系统易在周期性交变载荷工况下发生扭转振动,从而影响游梁式抽油系统平稳运行。为改善其动力性能,本文针对分流式圆弧齿轮减速系统扭转振动问题,考虑齿侧间隙、时变啮合刚度等内部激励引起的振动冲击以及外部交变载荷的耦合作用,结合变频驱动控制策略,探究减速系统的扭转振动机理。论文的主要研究工作如下: (1)为得到分流式圆弧齿轮减速系统的外部交变载荷,综合考虑变频驱动电磁参数时变特性、减速装置与四杆机构运动特性、抽油杆柱纵向振动形变以及抽油泵加载与卸荷的耦合作用,建立了变频驱动游梁式抽油系统整体及交变载荷仿真模型。分析对比了恒变与变频驱动下交变载荷以及地面装置主要节点力能参数。 (2)以交变载荷仿真模型为基础,综合考虑双圆弧齿轮啮合刚度、齿侧间隙以及外部交变载荷等激励的耦合影响,利用集中参数法,建立了分流式圆弧齿轮减速系统扭转振动仿真模型,并推导了无量纲化的振动微分方程组。求解了减速系统的双圆弧齿轮啮合刚度等内部激励,为减速系统扭转振动分析提供了准确的激励条件。 (3)基于分流式圆弧齿轮减速系统扭转振动仿真模型,求解了减速系统的固有频率与主振型,并探究了螺旋角和啮合频率对减速系统固有频率的影响;采用傅里叶级数表示双圆弧齿轮啮合刚度与外部交变载荷,利用无量纲化的振动微分方程,探讨了内外部激励对减速系统扭转振动的影响机理,得到了减速系统的动态响应;为厘清内外部激励的关系,对比分析了恒频与变频驱动下外部激励对减速系统扭转振动的影响,结果表明,变频驱动能够有效降低减速系统扭转振动的幅值。 (4)针对分流式圆弧齿轮减速系统外部交变载荷波动大的问题,以电动机输出轴均方根扭矩最小为目标,采用积分控制器控制增益,建立了频率闭环自适应控制模型;基于变频驱动控制策略,搭建了实验平台,验证变频驱动的效果,结果表明,变频驱动能够有效降低减速系统外部交变载荷波动。

关键词： S型齿廓   滚铣加工   法向等距曲线   传动试验   等温弹流润滑  

摘要： 齿轮传动作为机械传动中最常见的传动机构,应用范围十分广泛。而渐开线齿轮传动作为其最经典的齿形在多数场合也得到了很好的应用。但也因其凸-凸啮合的原理,在少齿数、大负载等场所无法实现良好的传动性能,而一种S型齿廓齿轮得提出很好得解决了这一问题,针对其成形理论提出了一种通用加工方法并进行传动试验,同时进行了齿轮弹流润滑分析得到其润滑性能。主要内容如下: 首先,阐述了一种通用型滚铣两步加工方法:第一步在不产生过切和最大化去除余量的原则下得到最小变位系数,对齿坯进行滚齿加工,得到变位渐开线齿轮;第二步基于曲面的法向等距曲面的数学理论,得到铣削刀具的中心轨迹坐标,分别应用于齿轮的齿侧、齿顶及齿根过渡圆弧,得到了完整的铣削模型,最终获得S型齿廓齿轮的高效加工方法。并进行了案例分析及基于三维软件的仿真加工,验证了数学模型的正确性与加工方法的可行性。为后续的S型齿廓齿轮实物加工及传动试验分析奠定了基础。 为进行S型齿轮传动试验和对比分析,进行齿轮箱、传动轴等机械传动装置的设计选型、电机等电器元件选型、相关检测仪器选型,并完成实验装置的搭建。基于传动的稳定性、传动噪声及传动准确性三方面性能进行渐开线齿轮与S型齿轮对比分析并得到了S型齿廓齿轮在传动稳定性及噪声有明显的优势,在传动准确性上无劣势的结论。 建立S型齿廓齿轮线接触等温弹流润滑模型,基于Fortran语言编程求解与Matlab数据处理,将S型齿轮与传统渐开线作对比分析。并进一步分析载荷、切向速度、润滑油粘度对S型齿廓齿轮润滑特性的影响规律。研究结果得到,较传统渐开线齿轮,S型齿廓齿轮具有更好的润滑性能;S型齿轮润滑性能随载荷、速度、润滑油粘度的变化规律;对润滑油的选择需要综合考虑油膜压力区域、大小及实际工况,并不是追求高粘度特性。 综上,提出新型S型齿廓齿轮通用加工方法,并通过传动试验验证其可行性,在传动稳定性、精确性、润滑性能等方面较传统渐开线齿轮均有一定的优势,同时优化了传动性能,拓宽了应用场合,在未来有广阔的应用前景。

关键词： 螺旋伞齿轮   双频感应淬火   数值模拟   温度场   组织场   硬度场  

摘要： 螺旋伞齿轮由于具有平稳的传动、强大的承载能力和紧凑的结构等特点,被广泛应用于发动机的动力传动系统。作为重要的基础传动部件,对其进行表面热处理以提高使用寿命是有重要经济效益的。与传统加热方式相比,感应淬火技术具有加热快、能耗低等优点。不过,目前国内感应淬火技术尚无法有效应用于结构复杂的零部件。本课题研究的螺旋伞齿轮大端小端模数不同,且轮齿截面沿渐开线连续变化,这都对螺旋伞齿轮的感应淬火提出了苛刻的要求。 首先,本文针对螺旋伞齿轮复杂的表面结构创新性的提出双频感应淬火,建立电磁-温度-组织多场耦合的数值模型和螺旋伞齿轮和感应线圈三维数值模型。先用中频线圈加热轮齿的齿侧区域,中频加热结束后切换至高频线圈快速加热轮齿的齿顶区域,实现对轮齿的表面加热,完成加热后快速冷却实现轮齿的感应淬火。 其次,对螺旋伞齿轮的双频感应加热过程和冷却淬火过程进行数值模拟,分别分析了齿轮在感应加热和冷却淬火过程中的温度、组织和硬度演变机理,并探讨了不同电参数和循环次数下双频感应加热过程中组织场分布的不同以及不同浸没冷却介质和喷淋冷却下冷却淬火过程中组织场分布的不同。 最后,开展螺旋伞齿轮双频感应淬火的实验验证,在加热过程中使用热电偶采集轮齿表面的温度数据得到了实验温度曲线,并与仿真的温度曲线对比分析,验证了双频感应加热工艺的可行性。齿轮完成淬火后进行硬度测量和金相观察,得到了硬度数据和金相组织图片,验证了螺旋伞齿轮双频感应淬火工艺的可行性。

关键词： 高速列车   齿轮箱箱体   联合仿真   振动特性   疲劳试验   疲劳寿命  

摘要： 齿轮箱是驱动高速列车安全平稳运行的关键部件之一,随着高速列车服役里程不断增加,箱体所承受的激励也更加复杂,可能使齿轮箱箱体产生异常振动甚至导致箱体裂纹故障发生,给高速列车的安全运行带来了极大挑战。在此背景下,本文针对高速列车复杂的运行工况以齿轮箱箱体为研究对象,对齿轮箱箱体振动特性及疲劳寿命进行了研究,主要内容包括: (1)根据多体动力学理论和某型高速列车相关参数,建立了包含柔性箱体的高速列车刚柔耦合模型,从动力学指标验证和滚振试验验证两个方面验证了高速列车刚柔耦合模型的正确性。并依据矢量控制理论及异步电机状态方程搭建了高速列车牵引电机控制模型,验证了其动态调节性能。基于软件接口实现刚柔耦合模型和电机控制模型的联合仿真,构建了高速列车机电耦合动力学模型。 (2)通过对比高速列车无转矩运行和有理想转矩运行两种激励工况下的齿轮箱箱体动态特性,发现理想转矩激励增大了箱体振动加速度及动应力响应,进而表明了研究列车在带转矩运行状态下箱体动态特性的必要性。分析了电机启动完成后输出转矩的谐波特性,并结合逆变器输出电压和定子电流的时频特性,解释了谐波转矩的形成原因,并研究了谐波转矩驱动对箱体振动特性的影响。 (3)为更接近高速列车真实运行状态,研究了电机谐波转矩分别与轨道不平顺和车轮多边形耦合激励下箱体的振动特性,结合箱体振动信号时频分析与动应力响应变化,阐述了两种激励对箱体振动特性的影响。考虑列车极端运行工况,分析了谐波转矩与复合轮轨耦合激励下箱体的振动特性,发现在该工况下箱体动应力响应最大。 (4)基于核密度估计方法,对箱体振动加速度进行了评估,分析了振动加速度在不同激励下的变化特点。针对齿轮箱箱体材料展开了疲劳拉伸试验,拟合了箱体材料的P-S-N曲线,并根据前文研究结果确定箱体危险部位为两轴承孔联接处,根据此处动应力数据计算出不同运行工况下的预计服役里程。引入了疲劳损伤参数,以评估不同激励对箱体不同部位疲劳损伤的贡献量。

关键词： 故障诊断   齿轮箱   迁移学习   知识蒸馏   时变转速  

摘要： 随着风电产业的飞速发展,对风电装备在工程上的安全性和稳定性方面的要求也日益提升,风力发电机的正常运转直接关系到企业的经济收益。齿轮箱作为风力发电装备中的关键部件,其运行健康状态是风电机组高可靠性的重要保障。但在实际风电机组的运行中,转速会随时间发生瞬态变化,导致采集到的监测数据在时间尺度上存在巨大的分布差异,使得基于深度学习的故障诊断模型泛化能力下降。另一方面,工程中真正可以用于模型训练的故障数据十分匮乏,难以采集到大量不同工况的故障信息。国内外针对变工况下风电齿轮箱故障诊断方法开展了广泛的研究,然而这类研究中很少考虑时变转速对深度学习模型性能的影响,同时在模型的轻量化设计与故障知识的精细化表示方面缺乏研究。 为解决上述这些问题,本文构建了基于迁移学习(Transfer learning,TL)和残差部分卷积(Res PConv)的模型来减少时变转速工况下齿轮箱负载变化对于故障诊断模型性能的负面影响,利用部分卷积提升运算效率,实现对故障的高效识别,通过引入了局部最大均值差异(Local maximum mean discrepancy,LMMD),通过度量期望分布与近似分布的差异,实现了同一类别下相关子域概率分布的紧密对齐,通过降低了时变转速下不同工况样本分布不一致对模型诊断性能的干扰问题,提升模型在不同工况下的泛化性。在时变转速工况下实验结果故障诊断平均精度达到了86.8%,平均FLOPs为9.5G,鲁棒性很好。 针对复杂模型不利于实际工程运用,结合知识蒸馏(Knowledge distillation,KD)的思想构建了基于迁移学习和知识蒸馏的轻量化齿轮箱故障诊断模型。该模型使用第三章训练的TL-Res PConv模型作为教师模型,用教师模型的输出结果替代原始数据标签进行知识蒸馏,并构造通道信息损失计算学生网络和教师网络中间层的蒸馏损失。然后,在时变转速下的实验中验证了不同蒸馏温度和参数对蒸馏效果的影响,学生模型的准确率约为85.2%以上,浮点运算次数FLOPs为2.64G。实现了诊断模型从大模型向小模型的知识迁移,同时保证了模型的性能和精度,使模型在轻量化和高诊断准确率之间达到平衡。 基于上述研究方法,开发了基于深度学习的齿轮箱故障诊断系统。实现了数据浏览、可视化、故障诊断等功能,满足了齿轮箱故障诊断任务的基本需求。

关键词： 齿轮箱   振动响应   减振降噪   主动控制   被动控制  

摘要： 自十八世纪六十年代工业革命以来,齿轮传动系统在机械产品中占据着愈来愈重的地位;但是,齿轮传动系统在齿轮啮合、传递动力的过程中,齿轮传动系统会产生剧烈的结构振动;这些振动主要由以下几点原因造成:1.齿轮的生产精度不高,从而导致齿轮的啮合间隙过大,这使得齿轮在啮合时较大的振动。2.齿轮系统在装配时出现装配误差使得齿轮系统产生了振动。3.齿轮出现较大的磨损从而使得齿轮系统在啮合时产生了较为强烈的振动。齿轮系统的振动引起了齿轮箱的振动,从而产生了大量的辐射噪声,这严重影响了使用者的身心健康!本文经调研市面上现有的小型齿轮箱设计了一款家用电器的齿轮箱,从有源力控制原理、被动控制原理出发,结合有限元法及边界元法对齿轮箱箱体进行了减振降噪研究。研究内容如下: 首先,经过大量的文献阅读及调研,建立了研究所需的齿轮箱模型;结合齿轮箱的实际工况,对所建立的齿轮箱模型进行了动力学分析,得到了齿轮箱内部各个轴承位置处的轴承支反力;为后续的数据分析提供了条件支撑。 其次,对齿轮箱箱体进行了模态分析,并运用模态叠加法对齿轮箱进行了谐响应分析,得到了齿轮箱箱体正面、背面的振动响应及振动响应最大点的振幅频谱图,分析其振动频率与齿轮箱各阶模态之间的关系。 最后,基于主、被动控制原理及二分法原理,本文提出了以下控制方法:将次级力源放置在箱体表面振动响应最剧烈位置处;将次级力源放置在经二分法确认的箱体表面位置处;对箱体进行加筋、加肋板被动控制。在声学仿真完成后对主、被动控制方案进行了优选处理及降噪效果评估。 仿真结果表明:主动控制下,将次级力源放置在经二分法所确定的齿轮箱箱体表面处的降噪效果较好;在此控制下,齿轮箱箱体辐射噪声声压级均值在50Hz～3000Hz频率内为57.376d B,比无控制时降低了8.865d B,比将次级力源放置在振动响应最大点处降低了0.790d B;对箱体进行被动控制优选后,箱体辐射噪声声压级均值在50Hz～3000Hz频率内为58.912d B,比无次级力作用条件下降低了7.329d B。 本文从仿真分析出发,对比分析了主、被动控制的降噪效果,为此类齿轮箱的降噪方案提供了参考。希望能够为全球噪声污染的控制提供一份力量。