关键词： 螺旋伞齿轮   感应加热   热磁耦合   温度场   工艺可靠性  

摘要： 螺旋伞齿轮作为传动系统的关键组成部分,其可靠性成为确保整机安全性的决定性因素。感应热处理能够实现对淬硬层深度和均匀性的调控,同时保持轮齿核心部分的韧性并减少轮齿应力集中,从而提升可靠性。在实际加工过程中可能会出现电磁线圈的磁力线滞留、设备运动与电源波动等现象,影响加热效果的稳定性。研究这些因素对加热质量的影响,对优化加热工艺至关重要。本文根据螺旋伞齿轮的结构特点以及使用要求设计了一种仿形线圈并制订了异步双频感应加热的工艺方案,并基于齿轮表面的温度特性提出工艺可靠性的评估方法。 首先,根据螺旋伞齿轮的结构特点设计了新型感应器并制订感应加热方案,并利用ANSYS APDL语言编写螺旋伞齿轮感应加热数值模拟程序,建立螺旋伞齿轮电磁-热耦合仿真模型,搭建异步双频感应加热实验平台,通过实验验证模型准确性。 其次,通过控制变量法分析了线圈间距、中高频电参数及加热时间对螺旋伞齿轮异步双频感应加热效果的影响。通过仿真数据建立BP神经网络预测模型,并结合Garson算法揭示了各工艺参数对温度均匀性的具体影响。 最后,基于贝叶斯理论,通过整合仿真数据和实验数据的计算,更新了异步双频感应加热不同工艺参数下螺旋伞齿轮加热质量的数据,并据此迭代更新了BP神经网络预测模型。利用更新后的神经网络模型完成了工艺可靠性的精确预测和综合评估,为研究感应加热工艺的控制与优化提供了新的视角。该工艺评估方法为工业应用中实现更高效和可靠的加热处理过程提供理论依据。

关键词： 高铁齿轮箱   应力波检测   在线监测系统   实时显示   变分模态分解  

摘要： 当前,高铁齿轮箱健康状态监测面临两大难题:第一,由于高铁齿轮箱结构的复杂性和拆卸检修费用的高昂,传统检修方法变得不再理想;其次,在高铁运行的过程中对齿轮箱进行实时在线监测,传统的检测方法会因为检测环境的恶劣导致检测时受到严重的信号干扰。因此,本文提出了一种基于应力波技术的在线监测系统:通过应力波无损检测技术对齿轮箱运行时的信号进行采集,再通过监测系统的转换和传输功能将信号实时显示在监控显示屏中,直观地反映出齿轮箱的健康状态。 对于应力波检测技术,本文首先将其与传统的检测技术如振动监测、温度检测、液压监测等进行各方面比对,突显出了应力波检测技术的优势之处。尤其在高铁齿轮箱运行过程中的检测,应力波检测技术的高灵敏度、避免冲击干扰、低频干扰不敏感和高带宽等特点使得高铁的运行监测有了新的方向。然后,本文基于应力波技术的检测理论基础,进行了应力波信号分析方法的规划。 基于应力波检测技术,本文进行了在线监测系统的设计。首先是在硬件设计,主要包括在Altium Designer平台完成采集卡底板的设计和信号调理板的设计,对应力波传感器采集的模拟信号进行采集、转换和传输。在方案和Layout布局时,结合Ansys进行了电磁干扰、串扰、阻抗连续性等仿真,有效的提高了硬件电路的信噪比以及可靠性。然后,对于下位机软件的设计主要在Keil平台对系统的主控STM32H750XBT6进行程序设计,实现采集和传输功能,且在设计过程中使用实时操作系统UCOS II最大程度实现实时效果,弥补了单片机串行执行任务的不足。最后,是在QT平台进行上位机软件的设计,主要包括用户界面设计、数据传输软件设计以及数据解析软件设计,最终实现检测信号在时域和频域的实时显示。 本文使用了多层小波变换算法、变分模态分解(VMD)信号处理算法以及信号特征值的计算,从时频域和特征值对应力波信号进行了多方面分析比对。 最后,为了验证本文所设计系统的实用性,在某高铁车辆研究所进行了齿轮箱大轴小轴、正反转以及不同转速的数据采集和分析,进一步证明了本文所设计的基于应力波的高铁齿轮箱在线监测系统具有一定的参考价值。

关键词： 喷丸   超声滚压   复合强化   残余应力松弛   表面完整性  

摘要： 喷丸强化工艺作为有效提升齿轮弯曲疲劳性能的关键技术,广泛应用于硬齿面齿轮的加工制造,18Cr Ni Mo7-6合金钢因其具有较高的强度、韧性以及耐磨性,常用于轨道交通、能源电力和工程车辆等领域的齿轮传动系统。本文针对喷丸强化的18Cr Ni Mo7-6齿轮钢试样表面残余压应力松弛现象,以及试样喷丸强化后存在的表面粗糙度过高、残余压应力分布不均匀等表面完整性问题,通过旋转弯曲疲劳试验和单齿加载弯曲疲劳试验,研究喷丸强化和二次喷丸强化引入试样表面的残余压应力,在试样承受弯曲应力时的松弛规律;通过有限元分析和试验研究的方法,研究对比二次喷丸强化工艺和喷丸-超声滚压强化工艺对试样表面完整性问题的改善效果。主要研究结果如下: (1)通过旋转弯曲疲劳试验,发现单次喷丸强化试样表面的轴向残余应力,在第1次循环时松弛量及松弛速率最大,首次循环后松弛速率下降并逐渐稳定,在第10次到第10000次循环,疲劳试样表面残余压应力与循环次数基本呈线性对数关系,当试样中心承受的弯曲应力从549.08MPa变为405.86MPa时,相同循环次数下表面残余压应力松弛量均降低。二次喷丸强化的疲劳试样,相较于单次喷丸强化试样,在相同弯曲应力和循环次数下表面残余应力松弛量更低,并且增加第二次喷丸的覆盖率能够进一步提高疲劳试样表面残余压应力的稳定性。 (2)通过单齿加载弯曲疲劳试验,发现齿根经过约4200次起振循环后承受785.45MPa的弯曲应力,当循环次数为5000次左右时,单次喷丸强化的齿根表面残余压应力松弛量为139.93MPa、占初始表面残余压应力值的21.54%,二次喷丸强化的齿根表面残余压应力松弛量为101.33MPa、占初始表面残余压应力值的11.65%。在5000次循环后,大致相同循环次数下二次喷丸强化齿根的残余压应力松弛量低于单次喷丸强化齿根。二次喷丸强化工艺能够有效降低齿根表面沿齿廓方向残余压应力的松弛量,有利于提升齿轮弯曲疲劳性能。 (3)基于表面强化过程的动力学分析及赫兹接触理论,采用random函数随机生成丸粒球心空间坐标,建立随机丸粒分布喷丸强化有限元分析模型;采用傅里叶级数(余弦项为零)形式的集中力实现超声振动加载效果,建立超声滚压强化有限元分析模型。基于单一表面强化有限元分析模型,采用数据传递的方法消除喷丸强化随机性对复合强化初始状态的影响,建立二次喷丸和喷丸-超声滚压等两种表面复合强化有限元分析模型。四种表面强化有限元分析模型表面残余应力和残余压应力最大值的计算结果,与试验值的误差基本在5%-13%之间。 (4)通过表面复合强化对18Cr Ni Mo7-6齿轮钢表面完整性影响的仿真分析,发现在丸粒直径d=0.8mm、喷丸速度V=60m/s、覆盖率C=100%的喷丸强化模型基础上,采用d=0.6mm、V=70m/s、C=100%的二次喷丸强化工艺,试样表层残余压应力最大值增长至1359.56MPa、位于0.08mm的深度位置,但二次喷丸强化工艺对喷丸强化试样表面残余压应力均匀性的改善效果不突出;在单次喷丸的基础上采用静压力为1200N、振幅为12μm、频率为20k Hz、滚压3次的喷丸-超声滚压强化工艺,试样表层残余压应力最大值增长至1329.05MPa、位于0.25mm的深度位置,喷丸-超声滚压强化试样相较于喷丸强化试样,表面结点残余压应力值标准差下降89.50%。通过表面复合强化对18Cr Ni Mo7-6齿轮钢表面完整性影响的试验研究,发现喷丸强化后试样表面粗糙度Ra=1.023μm、表面显微硬度均值为689.83HV;与喷丸强化试样相比,二次喷丸强化试样的表面粗糙度Ra下降29.42%、显微硬度均值提升8.70%,喷丸-超声滚压强化试样的表面粗糙度Ra下降62.76%、显微硬度均值提升17.60%。喷丸-超声滚压强化工艺相较于二次喷丸强化工艺,对喷丸强化试样表面完整性问题的改善效果更全面。

关键词： 平面螺旋齿线圆柱齿轮   参数化建模   旋转刀盘   快速成型   抗偏载  

摘要： 齿轮传动在整个机械领域内是最常见的传动机构,是各类装置机床的重要传动结构,更是衡量现代工业化进程的标准,其于航天、汽车、制造、采矿行业中起着举足轻重的作用。常见的圆柱齿轮主要有直线形、斜线形、人字形、弧线形等几种主要齿线,前三者均属于直线齿线。近年来,随着曲线齿线圆柱齿轮的研究愈发成熟,学者们重点提出了圆弧齿线齿轮的概念。相对于传统直线齿轮而言,弧齿轮的承载能力与传动性能都有显著的提升,但是如何进行高效加工仍是困难重重。 本文提出了一种平面螺旋齿线圆柱齿轮的理想模型,基于微分几何知识,推导出该齿轮的静态齿面方程、动态齿面方程、接触线方程以及重合度的计算,并通过Matlab验证了静态齿面方程的准确性。基于Visual Basic6.0与Solidworks二次开发,搭建平面螺旋齿线圆柱齿轮自动化建模系统。通过建模系统生成的齿轮副在Solidworks中Simulation模块进行齿轮副接触区间的研究分析。 基于平面螺旋齿线圆柱齿轮自动化建模系统所生成的精确模型,对直齿、斜齿、螺旋齿进行抗偏载特性分析,通过ANSYS Workbench中静力学分析模块分析了三种齿轮副在理想啮合状态和齿轮安装轴线存在平行度误差的啮合状态这两种情况下的受力情况,研究了三种齿轮副的齿面最大接触应力随齿数、模数的变化情况,验证了平面螺旋齿线圆柱齿轮副具备优异的抗偏载特性。 通过分析平面螺旋齿条的成形原理,提出了一种全齿宽高线速度连续展成铣齿法。通过刀具加工轨迹,推导出平面螺旋齿线方程及刀具布置轨迹方程。并详细阐述该齿轮的齿槽切深与渐开线齿廓展成加工原理。基于Vericut仿真软件对螺旋齿加工方法的可行性进行验证,实验证明该种加工方法可以实现对齿轮的全齿宽高速铣削。通过Matlab构建平面螺旋齿轮的凹、凸齿面模型及Vericut仿真所得齿轮副模型进行齿面接触实验,得出该齿轮副模型接触特性如下:接触区间主要分布于轮齿齿面中间80%～90%区域,轮齿两端受力较小,这样有效减少轮齿两端齿根处的弯曲应力,与理论推导结果一致;有利于减少轮齿两端受力。齿轮抗弯强度更好,承载能力更强。 基于上述研究的平面螺旋齿线圆柱齿轮加工方法,自主研发了平面螺旋齿线圆柱齿轮的专用加工装置,并成功加工出理想的齿轮样品,加工所得的样品齿廓为渐开线齿廓,齿轮齿面精度良好。相较于滚齿与插齿加工,大大节省铣削时间,降低生产成本。

关键词： 复式行星齿轮箱   油液粘温衰减特征   多源特征融合   状态划分   剩余寿命预测  

摘要： 与传统齿轮箱相比,复式行星齿轮箱具有较高传动效率与更平稳的输出转矩,在风力、航天、交通运输等领域广泛采用。因此在工业生产中复式行星齿轮箱的状态监测和寿命预测极为关键。随着传感器技术的发展,数据采集变得更加方便,基于数据驱动的复式行星齿轮箱磨损状态评估及寿命预测得到快速发展。本文围绕着复式行星齿轮箱振动信号与润滑粘温信号特征进行多源特征提取与选择、特征融合、齿轮磨损状态划分及剩余寿命预测研究,主要研究分为以下3个部分。 (1)研究了复式行星齿轮箱振动信号在频域、时域和四种信息熵的特征提取方法,共提取18个特征组成候选特征集。构建仿真信号并验证信息熵在检测非线性信号时的有效性。基于单调性和相关性的特征参数选择方法,从振动信号多维特征中优选出对磨损程度敏感的特征子集。 (2)基于润滑油粘温衰变机理提出粘温衰减特征,将提出的粘温方程代入油膜厚度经验公式中,分析粘温特性对油膜厚度影响,根据油膜厚度和齿轮综合粗糙度计算膜厚比进而确定磨损状态。对润滑油粘温衰减特征及磨损状态进行关联分析,验证粘温衰减特征在齿轮状态划分及寿命预测中的有效性。 (3)针对优选出的振动信号及粘温衰减特征,提出了融合自适应回归算法与自适应特征融合算法的(Adaptive Attention Feature Gaussian Regression,AFKG)AFKG融合方法。构建新的健康因子(Health Indicator,HI),改进了特征融合过程中特征空间在纵轴上的压缩,实现较低的时间复杂度,并增强时间序列的特征量化对比度,实验证明该方法可提高状态划分精度。之后通过聚类算法的质量评估指标确定最佳时间序列分段数,获取初始故障发生点(此节点为健康因子为健康期与退化期分界点),进行齿轮状态划分。最后以退化期健康因子作为预测输入值,基于长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)方法,实现齿轮剩余使用寿命预测。 本文所提出的方法能够有效的将复式行星齿轮箱振动信号与润滑油粘温信号融合起来,进行复式行星齿轮箱磨损状态评估与划分,进而获取更加准确的剩余寿命预测结果。