关键词： 电驱动系统   电机控制-结构耦合模型   行星齿轮传动系统   机电耦合动力学   性能优化  

摘要： 电驱动系统中传动机构、驱动电机及其控制器高度集成,使得系统在运行过程中不仅具有复杂的内部激励还受到电磁结构及控制电流引起的外部激励影响。因此,随着电动汽车的快速发展对电驱动系统的传动性能提出了更高的要求,电驱动系统动力学方面的研究变得尤为迫切。由于两挡变速器在动力性能及能耗方面优于单级变速器,现已成为电动汽车变速器主要发展方向,而行星齿轮因其体积小,功率密度大等特点在两挡变速器中具有非常大的应用潜力。然而行星轮系结构复杂,装配困难。应用于电驱动系统中,不可避免地存在制造误差、安装误差、啮合相位差等多种影响因素,加之系统具有复杂的内、外部激励,导致系统呈现出突出的机电耦合动态特性及均载特性。为了应对电驱动发展中的挑战,本文拟对电驱动行星齿轮传动系统进行机电耦合动力学分析及优化研究。主要研究内容如下: (1)车用内置式永磁同步电机控制-结构耦合建模。建立车用内置式永磁同步电机的二维电磁结构模型,基本工况下通过仿真计算,验证模型并分析齿槽转矩、磁链谐波等因素对电机性能的影响。基于双闭环矢量控制系统的坐标变换以及双闭环结构框架,对SVPWM(Space vector pulse width modulation)空间矢量脉宽调制技术以及MTPA(Maximum torque per ampere)最大转矩电流比控制进行分析,建立了永磁同步电机的双闭环矢量控制模型,对比了理想电流和控制电流作用下电机的输出转矩波形,验证了控制模型的精度。 (2)斜齿行星齿轮传动系统动力学建模。分析系统各传动支路的运动关系,推导各构件之间的相对位移以及制造误差、安装误差在啮合线方向上的数值表达;分析各支路行星轮的啮合相位以及内、外啮合副啮合相位差,推导各支路啮合相位的计算公式;基于齿面接触分析(Tooth Contact Analysis,TCA)以及齿面承载接触分析(Loaded Tooth Contact Analysis,LTCA),计算系统各支路考虑啮合相位的综合时变啮合刚度;建立内、外啮合副线外啮入冲击动力学模型,计算内、外啮合副啮入冲击力;建立中心轮浮动结构的数学模型。综合考虑啮合相位、时变啮合刚度、啮入冲击、制造误差与安装误差、机构浮动等因素,采用集中质量法建立斜齿行星齿轮传动系统弯-扭-轴耦合动力学模型。 (3)电驱动斜齿行星齿轮传动系统机电耦合动力学分析。基于电机转矩和行星轮系动力学模型构建系统机电耦合动力学模型,探究各支路啮合相位、电机转矩波动、齿轮偏心误差和安装误差对系统动态性能和均载特性的影响规律。结果表明,啮合相位对系统的均载性能、动载性能均有不可忽略的影响,在行星齿轮传动系统研究中应予以考虑;电机扭矩波动使得系统相对振动位移幅值增大,波动曲线更加复杂,相应的频谱图中增加了控制电流的倍频和电机的基频及其倍频,系统均载与动载系数均有所增大;太阳轮、行星轮、内齿圈的偏心误差、安装误差均会导致系统的均载系数、动载系数增大,行星轮相比太阳轮、内齿圈在同等误差值下的影响较大,且随着误差值的增大,行星轮的偏心误差、安装误差对系统均载和动载系数增长幅度的影响更为显著。 (4)电驱动斜齿行星齿轮传动系统均载性能、动态性能优化研究。采取中心轮浮动均载措施对系统进行均载性能优化。中心轮浮动可以有效的改善系统的均载性能,但对动载性能的改善效果有限,当浮动量增大到一定值时,系统的均载性能将不会得到进一步的改善。采用智能优化算法以承载传动误差波动幅值最小为优化目标进行系统内、外啮合副齿面修形优化设计,对比分析修形前后系统动态性能,结果表明修形后系统的承载传动误差波动幅值、内外啮合副冲击力均大幅降低,系统相对振动位移幅值降低,频谱图中啮合频率及其倍频幅值减小,系统的均载性能和动载性能都得到了一定程度的改善。

关键词： 齿轮传动   疲劳失效   材料选择   疲劳寿命  

摘要： 随着齿轮传动系统在各种机械设备中的广泛应用，齿轮的疲劳失效问题逐渐引起重视。材料选择、表面处理及加工工艺等因素对齿轮疲劳寿命有着重要影响。本文分析了齿轮疲劳失效机理与影响因素，介绍了常用齿轮材料的力学性能和疲劳特性，重点阐述了材料的表面硬度、抗拉强度、韧性和微观结构等因素对疲劳寿命的影响。

关键词： 多模数   弹流润滑   最小油膜厚度   温度场   胶合承载能力  

摘要： 随着现代工业的发展,齿轮传动在机械生产制造领域的应用愈发广泛,人们对于齿轮胶合失效的研究也在不断深入。目前,对于齿轮胶合方面的研究多是建立在两啮合齿轮的模数与压力角分别相等的基础上,对于模数与压力角不等的多模数齿轮副胶合特性方面的研究尚未完全清楚。本文通过分析不同传动参数对多模数齿轮副胶合特性的影响,探究提高齿轮润滑性能和胶合承载能力的有效措施,为多模数渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计提供理论上的参考。 根据多模数齿轮副正确啮合条件建立多模数齿轮副啮合传动的无侧隙啮合方程,推导出多模数齿轮副的啮合角、实际中心距、重合度等啮合参数的计算公式,确定在探究多模数齿轮副胶合特性时变位系数的取值范围。 根据齿轮啮合传动特性建立多模数齿轮副啮合线上的线性坐标参数,推导出多模数齿轮副啮合线上任意啮合点处的弹流润滑最小油膜厚度计算公式。通过在MATLAB上编写计算程序,对综合曲率半径、平均切向速度、单位齿宽法向载荷以及最小油膜厚度进行计算并分析其各自沿啮合线的分布规律。 建立弹流润滑最小油膜厚度比公式,将啮合节点处的最小油膜厚度值和膜厚比值作为特征值反映多模数齿轮副的胶合特性并以此来评估多模数齿轮副的润滑状态和胶合承载能力。通过计算分析不同模数比、主、从动轮变位系数和转矩条件下的最小油膜厚度和膜厚比变化规律,得到改变多模数齿轮副的模数比、主、从动轮变位系数、转矩对多模数齿轮胶合特性的影响规律。 建立多模数齿轮副本体稳态温度场仿真分析模型,分析不同模数比、主、从动轮变位系数和转矩对齿轮温度场变化规律和胶合安全系数变化规律的影响。结果表明,在改变多模数齿轮副的模数比、主、从动轮变位系数、转矩对多模数齿轮副胶合特性的影响规律上,温度场仿真结果规律与弹流理论计算分析结果规律基本吻合,验证了弹流理论计算分析的合理性。 图[36]表[11]参[83]

关键词： 齿轮箱   变分模态分解   模糊色散熵   随机配置网络   故障诊断  

摘要： 齿轮箱作为一种在机械传动系统中常见的部件,由于其工作环境和结构的复杂性,导致其容易出现故障,并且故障在早期不易发现。如果齿轮箱出现故障不能尽早发现并进行维修,长时间就会对机械设备造成损害甚至危及工作人员的人身安全,因此对齿轮箱进行状态检测和故障诊断是十分必要的。基于此本文以齿轮箱为研究对象,提出了基于变分模态分解(VMD)和随机配置网络(SCN)相结合的故障诊断方法,主要在齿轮箱信号处理、信号特征提取和故障类型识别等方面进行研究。 首先,对齿轮箱故障诊断的研究背景与意义、齿轮箱中常见故障类型和故障机理进行了简单介绍,针对变分模态分解方法中参数需要人为设置的问题,提出一种改进的鹈鹕优化算法(POA)对VMD算法进行自适应参数寻优。通过12种基准函数验证改进的鹈鹕优化算法所具有的优越性,并将其与EMD、EEMD分解进行对比,最后通过峭度准则进行信号重构证明其在信号降噪中具有的优越性。 其次,提出了基于精细复合多尺度模糊色散熵(RCMFDE)与非洲秃鹫优化算法(AVOA)优化随机配置网络相结合的齿轮箱故障诊断方法。该方法在多尺度模糊色散熵基础上提出精细复合多尺度模糊色散熵作为故障信号的特征向量,并针对随机配置网络中隐藏层权重与偏置随机初始化的不确定性会导致网络预测结果的不稳定问题,提出采用非洲秃鹫优化算法优化随机配置网络节点选取方式的方法,经过实验验证,所提方法可以有效的进行故障分类。 最后,针对单个模型可能导致模型输出结果的不稳定,提出了一种不需要显示聚合的基于随机配置网络的集成学习方法。该方法首先采用Bootstrap方法从原始训练集中获取训练子集,通过并行组合多个随机配置网络基学习器,构建齿轮箱故障诊断网络模型,最后通过实验验证说明了所提方法具有更好的优越性与稳定性。

关键词： 经编机   电子送经系统   PLC   CANOpen   窗体应用程序  

摘要： 送经系统是经编机不可或缺的一部分,其主要职责是确保经纱能够顺利地从经轴上退绕下来,并根据生产需求设定的送经量供应给成圈系统,以满足成圈机构编织生产所需的坯布。经编电子送经系统是一个实时变化的系统,它需要在主轴转速和送经量等条件一定的情况下根据自身经轴的变化做出迅速、精准的速度切换,否则容易造成送经控制不准确、响应延迟等问题。另外当前经编机车间多采取“一对一”的控制方式,即一台经编机由一个工业触摸屏控制,无法实现多台经编机的远程监控。随着经编行业的发展,数字化技术和计算机技术在经编机送经系统上的全面应用已成必然趋势,针对以上问题本课题基于CANOpen总线设计并开发出经编电子送经系统,另外在触摸屏控制的基础上,通过Visual Studio 2019平台基于C#语言设计并开发出窗体应用程序(Win Form)实现远程监控,同时该窗体程序还配备数据库功能,可实现生产数据报表的生成。 首先,阐述了经编机从机械式送经系统到电子式送经系统的技术发展,总结归纳了国内外学者对电子送经系统的研究现状,分析得出目前国内经编机送经系统的研究与国外存在一定差距,并对本课题的研究内容和创新点做出阐述。 其次,分析了经编机电子送经系统的系统架构并对控制系统的硬件配置进行设计和选型,还阐述了CANopen总线在本系统中的应用。具体先研究了经编机电子送经系统的总体方案,总体分为管理层、控制层和执行层以及本文采用内部电子齿轮方案的优缺点;然后确定将可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)作为系统的核心控制单元、触摸屏作为管理层设备、伺服驱动器和伺服电机作为执行层设备;最后对CAN总线下的CANOpen协议中的设计模型、对象字典、通讯对象等内容进行阐述并完成本系统中TPDO和RPDO的实现。 再次,研究分析了经编机电子送经系统的控制算法并对PLC程序和触摸屏程序进行设计。重点分析了单速和多速送经方式下电子齿轮比的控制算法;然后基于汇川提供的Auto Shop软件和Ino Touch Pad软件分别对PLC和触摸屏进行编程,分别设计了初始化子程序、送经子程序和人机交互界面等模块。最后,完成系统的管理层、控制层和执行层设备的搭建,通过主轴装置完成系统调试,调试结果为系统运行状态良好,人机交互模块功能正常。 最后,为了在触摸屏控制的基础上增加远程监控方式,基于C#语言在PC端通过Visual Studio 2019软件设计并开发出经编机的远程监控系统。通过构建不同功能的窗体页面实现对经编机的监控和操作,使用路由器设备实现多台经编机的远程操作和数据监控,结合SQL Server数据库可实现生产数据报表的生成。经测试,系统结构简单、操作方便,对针织生产数字化有一定的应用价值。

关键词： 涨圈密封   唇形油封   斜面型自补偿密封   分瓣式碳环密封   摩擦生热  

摘要： 随着我国现代制造工业和船舶技术的快速发展,密封技术已经成为影响船舶长时间航行、高可靠性航行的关键因素。近年来,以船舶齿轮箱为代表的旋转设备向高负荷、高转速方向发展,这就要求密封承受高相对速度、高环境温度、高密封压差以及剧烈振动等各种因素引起的变形和位移。因此,针对现阶段密封暴露出可靠性低的问题,亟需对现有密封暴露出的缺点进行材料和结构上的改良。本论文以船舶齿轮箱密封现阶段使用的涨圈密封、唇形油封和蜂窝密封为切入点,对上述三种密封进行动力学分析和实验分析,并对上述三种密封进行材料或结构上的改良,为船舶齿轮箱密封长寿命提供理论依据,主要工作包括: (1)针对船舶齿轮箱使用的涨圈密封,在长时间航行时产生大量的摩擦热,引起涨圈密封的热变形和磨损,引发密封失效的问题,本文提出涨圈密封端面开V型槽的改进方法。建立涨圈密封的动力学模型,开展涨圈密封和涨圈密封端面开V型槽的摩擦生热分析,探究不同压力、不同转速对密封摩擦生热的影响规律。以此为基础,继续深入研究涨圈密封端面开V型槽的优化设计方法,进行不同槽数和槽深的涨圈密封端面开V型槽的动力学分析。搭建高压高速旋转密封实验台,并进行上述密封的实验验证分析。 (2)针对船舶齿轮箱用的传统唇形油封,长时间使用时密封出现泄漏的问题,本文提出斜面型自补偿油封的改进方法,对传统唇形油封从结构和材料上进行改良。建立唇形油封、斜面型自补偿油封的动力学模型,进行密封的热-结构耦合,探究不同时刻、不同转速下油封的温度变化,将摩擦温度作为输入值,在静力学模块中进行油封的热应力分析。最后,设计加工实验需要的衬套和轴套,利用已经搭建的高压高速旋转密封实验台进行实验验证分析,验证理论分析的可行性。 (3)针对船舶齿轮箱用的传统唇形油封,根据先前在某石化厂电机轴承端使用的碳环密封的设计经验,本文提出分瓣式碳环密封的改进方法。建立分瓣式碳环密封的动力学模型,进行传统唇形油封、石墨材质的分瓣式碳环密封和改性PTFE材质的分瓣式碳环密封的摩擦生热分析,探究不同时刻、不同转速下密封摩擦生热的影响规律,并搭建碳环密封实验台进行实验验证分析。 (4)针对内蒙古某石化企业循环水泵用汽轮机轴端使用的梳齿密封,在长时间使用后,汽轮机低压端出现明显的蒸汽泄漏问题,本文提出蜂窝密封的改进方法。对梳齿密封和蜂窝密封进行流体动力学分析,探究梳齿密封、蜂窝密封的压力云图变化及流线图变化,计算二者密封的泄漏量情况,确定蜂窝密封改造时芯格的尺寸,为汽轮机轴端密封的改造提供理论基础。