关键词： 齿轮系统   箱体柔性   子结构法   啮合刚度   动态响应  

摘要： 齿轮传动系统作为重要的传动方式,其减振降噪性能受到广泛关注。在齿轮周期性啮合过程中产生的振动噪声通过轴、轴承传递到支承系统。箱体作为齿轮系统的重要支承部件,其柔性支承特性对齿轮系统动态特性具有显著影响。 为了准确求解耦合箱体后齿轮系统的动态响应,本文建立耦合箱体的齿轮系统静力学模型,并对其静力学特性展开分析;建立考虑箱体柔性的齿轮系统全耦合动力学模型,并分析其固有特性和动态响应。本文的主要研究内容和成果如下: 1、基于静态子结构法,建立耦合箱体的齿轮系统全耦合静力学模型。分别建立轴段单元、轴承单元、箱体单元和啮合单元,考虑齿轮副与轴、轴承和箱体之间的耦合作用,进行系统刚度矩阵组装,建立系统全耦合静力学模型。并与全有限元模型对比接触应力、传递误差和啮合刚度等参数变化,验证了该建模方法的有效性。 2、分析箱体柔性、箱体刚度和修形方式对系统静态特性的影响。结果表明:耦合箱体会提高传递误差的均值,降低啮合刚度的均值和波动幅值,且幅值对箱体刚度更敏感。虽然修形可以降低啮合刚度的均值,但是耦合箱体后,齿向修形反而提高啮合刚度的波动幅值。 3、基于动态子结构法,建立耦合箱体的齿轮系统全耦合动力学模型。采用模态综合法提取箱体动力学参数,建立齿轮副全自由度动力学模型,考虑轴和轴承的柔性支承,建立系统全耦合动力学模型。该模型以刚度激励作为激励源,通过傅里叶级数法求解。并与全有限元模型对比,验证该建模方法的有效性。 4、分析箱体柔性、箱体刚度和修形方式对系统动态特性的影响。结果表明:考虑箱体柔性后降低了系统固有频率,且箱体刚度越低,固有频率降幅越明显。考虑箱体柔性和箱体刚度后,齿轮啮合力波动幅值出现不同程度的增加,耦合箱体后轴承支反力在部分方向增加。耦合箱体后,修形不仅提高了啮合力波动幅值,而且和修形前相比,齿向修形反而提高了轴承支反力。

关键词： 同心磁齿轮   拓扑结构   优化设计   NSGA-Ⅱ算法  

摘要： 传统磁齿轮利用永磁体间的磁力耦合替代机械齿轮间的接触啮合，实现了转矩和转速的非接触传递，具有噪声小、少润滑、维护成本低的优点，但同时也存在转矩密度不足、永磁体利用率低的局限性。同心磁齿轮是基于磁场调制原理设计的调制型磁齿轮，既具有传统磁齿轮非接触传递的优点，又额外具有高转矩密度、高性价比、易于与电机结构结合等特点，在电气交通驱动、新能源发电、油矿开采等领域有着广阔的应用潜力。近年来，专家学者们对磁齿轮的拓扑结构、运行方式、性能提升等做出了积极的探索，逐步拓展了磁齿轮在工业领域的应用。深入分析磁齿轮拓扑结构的特征属性，综合多方面因素对磁齿轮结构进行优化设计，对指导磁齿轮的设计与制造、引领磁齿轮未来发展方向具有重要意义。　　一是总结了磁齿轮拓扑结构的发展现状，归纳了当前磁齿轮优化的高效方法和发展方向。延伸介绍了多种基于磁场调制原理的同心磁齿轮结构，分析了各结构的电磁特征和结构特点，并以表贴式同心磁齿轮为例，利用有限元法分析了气隙磁密谐波来源及各谐波对转矩传动的贡献情况，阐述了磁场调制式磁齿轮的工作原理。　　二是对不同磁齿轮结构的几何参数进行了多目标优化。在固定传动比和永磁体用量条件下，以高转矩密度和传动效率为目标，借助NSGA-Ⅱ优化算法，分别对九种磁齿轮的几何结构进行了多目标全局优化，总结归纳了不同磁齿轮结构的电磁特性，横向对比了磁齿轮的优化结果，并基于磁场调制原理深入探究了造成各结构表现存在差异的原因。　　三是研究了磁极对数和永磁体用量对磁齿轮电磁性能的影响。选取了多种电磁表现良好的磁齿轮结构，将转子极对数翻倍后重新优化，对比了翻倍前后的磁齿轮电磁性能，总结了磁极对数翻倍对磁齿轮性能的影响。设置了多种永磁体用量，在变化的永磁体用量下对多种磁齿轮结构几何参数进行了优化对比，探究了各结构在不同永磁体用量水平下对永磁体的利用程度，并指出内表贴-外聚磁式结构和Halbach充磁结构在永磁体利用率方面具有一定的优越性。　　最后，选择了转矩密度和传动效率综合表现突出的内表贴-外聚磁式磁齿轮，通过三维有限元方法对其电磁性能计算结果进行了修正。考虑到样机制造的实际要求，进一步探讨了调制块的形状、内部固定部件对磁齿轮性能的具体影响，并通过三维电磁-应力场仿真计算了磁齿轮内部结构的机械强度。

关键词： 齿轮箱   故障诊断   混合注意力机制   加权联合分布域适应   YOLO v4  

摘要： 齿轮箱是机械设备中的关键部件,其工作状态关乎着设备能否正常运行。然而,由于其长期运行在恶劣环境中,齿轮箱往往容易发生故障,导致维修成本增加以及设备可靠性降低。因此,对齿轮箱进行故障诊断以确保其稳定工作是至关重要的。本文以齿轮箱的核心部件为研究对象,针对不同的信息源构建了三种不同的故障诊断模型,探讨基于多源信息的齿轮箱故障诊断方法。论文的主要研究内容如下: 针对齿轮箱的振动信号中存在噪声干扰,导致模型特征提取困难、故障诊断精度低的问题,提出一种基于混合注意力残差神经网络的齿轮箱故障诊断方法。该方法利用残差神经网络作为模型的特征提取网络,在特征提取网络中融合时域注意力与频谱通道注意力,以增强模型提取一维信号特征的能力;并对时域注意力分段以降低模型的计算量,根据多频谱通道注意力获取的不同通道权值,强化与故障分类相关的特征,抑制无关特征。采用东南大学数据集验证该方法的有效性,结果表明,所提方法的平均诊断精度为97.5%,同时在有噪声干扰测试集的情况下,所提方法在不同噪声下的平均诊断精度为85.5%,均高于对比算法,表明该方法具有较高的故障诊断性能和较强的模型鲁棒性。 针对齿轮箱运行过程中工况发生变化引起振动信号的数据分布变化,导致故障诊断模型的泛化能力降低的问题,提出基于加权联合分布域适应神经网络的齿轮箱故障诊断方法。为最小化同类故障的类内距离,该方法引入权重系数构建加权联合最大均值差异,并将其嵌入到混合注意力残差神经网络的全连接层处,以缩小不同工况数据间的联合分布差异;同时在加权联合最大均值差异的基础上引入子域类间域适应,构造加权类间联合最大均值差异,以最大化不同类故障的类间距离。采用西储大学轴承数据集进行仿真实验,结果显示,所提方法的故障诊断精度为95.8%,高于对比方法,表明该方法在跨工况迁移学习任务中具有较高的故障诊断准确率和优异的模型泛化性能。 针对齿轮箱的磨损故障诊断过程中存在磨粒特征提取困难、小目标漏检率高的问题,本文结合铁谱磨粒与磨损故障之间的机理关系,提出一种基于改进YOLO v4的齿轮箱磨损故障诊断方法。首先,使用轻量级GhostNet网络替代原模型中的CSP-DarkNet53网络,并使用深度可分离卷积替换原网络中的传统卷积,以降低模型计算量,加快模型推理速度;其次,引入坐标注意力机制增强模型的特征提取能力,弥补因模型轻量化所造成的精度损失;然后,使用Focal损失函数替换原模型中的二分类交叉熵损失函数,解决不同类型的磨粒数量不平衡的问题;最后,将目标检测模型检测出的磨粒类型结果输入到深度置信网络模型中进行故障分类,实现齿轮箱磨损故障类型的判别。结果表明,所提方法在磨粒数据集上的平均检测精度为94.1%,整体的磨损故障诊断精度为92.8%。 以上述研究内容为基础,设计了基于多源信息的齿轮箱故障诊断平台。结合齿轮箱的故障诊断流程对平台的需求进行分析,构建了用户管理、数据预处理、模型训练和故障诊断四个功能模块,实现了基于振动数据和油液异常磨粒的齿轮箱故障诊断功能。

关键词： 等相对曲率齿轮   胶合承载能力   热弹流润滑   闪温计算   齿面温度测量  

摘要： 等相对曲率齿轮(gears with constant relative curvature,CRC gear)是一种新型非渐开线齿轮,其设计方法是通过控制啮合点相对曲率件求解啮合线方程,进而基于齿轮啮合原理使用啮合线生成共轭齿廓。其与同参数渐开线齿轮相比具有弯曲应力较小,接触应力较小,分布更加均匀,啮合刚度较大等特点。作为一种新型齿轮,其应用前景广阔,为全面获取其各项承载能力,本文以CRC齿轮为研究对象,对其胶合承载能力进行分析与评估。 首先,根据CRC齿轮的设计公式通过MATLAB进行编程,通过给定设计参数获得了齿廓数据。针对CRC齿轮的啮合线为曲线,无法直接使用啮合线为直线的渐开线齿轮的相关参数计算公式的问题,基于齿轮啮合原理与理论力学运动学原理推导了CRC齿轮齿面切向速度计算公式。综合运用改进的接触变形公式、最小势能原理、通用接触力约束以及简化的啮合解析模型,提出了一种适用于各种齿轮的改进载荷分配系数计算方法,并计算了CRC齿轮载荷分配系数。 其次,基于ISO标准的闪温理论,利用前述齿轮传动参数计算了CRC齿轮与渐开线齿轮的平均摩擦因数以及闪温分布情况,对其差异来源进行了分析。研究了齿轮设计参数对计算结果的影响,并对比了两组齿轮的最大闪温及其与设计参数的关联。 接着,基于Visual Studio平台使用Fortran语言编写了计算程序,基于热弹流润滑理论,在模拟工况下计算了CRC齿轮与渐开线齿轮在五个啮合关键位置处的油膜压力、厚度、温度等数据,对其进行对比分析,讨论了各项参数在热弹流润滑计算中的影响与关联,研究了齿轮表面形貌缺陷对计算结果的影响。 最后,搭建了齿轮传动试验台,通过扭矩传感器调整工况参数,开展了CRC齿轮接触印痕试验,浸油润滑与干摩擦润滑状态下的运行试验,使用红外热像仪获取了运行前后的齿轮箱内与齿面的温度分布。

关键词： 行星齿轮箱   故障诊断   数字孪生   虚实数据   一致性评价  

摘要： 行星齿轮箱是机械传动系统中的关键部件,其性能对机械设备的正常运行至关重要。因此,实现行星齿轮箱的精准故障诊断,对减少停机时间和维修成本具有重要意义。在数据驱动的故障诊断中,面临一个主要挑战:故障样本稀缺。在实际工业场景中,由于故障发生频率低,获取大量真实故障数据变得困难,这限制数据驱动故障诊断的发展。为解决故障样本稀缺问题,基于数字孪生的故障诊断方法提供了一种解决方案,但该方法仍然存在模型保真度低、计算成本高、模型维度单一及缺少一致性评价体系等问题,限制工程应用。针对上述问题,本文提出一种基于一致性孪生数据的行星齿轮箱故障诊断方法研究,综合运用数字孪生、多传感器信息融合、深度学习等新一代前沿技术,实现对行星齿轮箱的精准故障诊断。 以下是本课题的研究内容: (1)针对行星齿轮箱动力学模型保真度低的问题,提出多传感器信息融合,优化动力学模型输入的方法,实现行星齿轮箱运行状态的准确描述与精准映射。通过引入多传感器信息融合技术,结合电流扭矩与实测转速数据,形成多源实时转速数据,进而精确调整驱动转速,使得仿真结果与齿轮箱的实际运行状态精准一致,从而提高模型的保真度,为仿真模型保真度优化提供了一个新方法。 (2)针对数字孪生模型的计算成本高与模型维度单一问题,提出基于降阶模型的行星齿轮箱多维数据孪生方法。采用时间序列预测,构建基于LSTM的降阶振动模型,对振动数据进行平稳性分解并筛选相关性高的IMF分量进行预测,融合预测IMF分量得到降阶振动数据;采用多变量回归预测,构建基于CNN-LSTM的降阶异音模型,选择关键变量预测异音数据。降阶振动与降阶异音模型在降低计算成本的同时,从振动与异音两个数据维度精准反映系统的实际状态,为故障诊断领域提供更为丰富的数据支持。 (3)虚实空间一致性评价是获取一致性仿真训练样本的关键技术瓶颈,应用动态时间规整、余弦距离和暹罗神经网络技术,构建波形结构、数据方向和数据特征三个维度的评价体系,实现从直观层面到深度学习层面的多层次评价。为数据驱动的故障诊断提供全面、充分、准确的仿真训练样本与虚实同步进化提供理论支撑。 (4)针对数据驱动的故障诊断中存在故障样本稀缺问题,提出一致性孪生数据聚合的行星齿轮箱故障诊断方法。首先,通过构建齿轮箱动力学模型、降阶振动模型与降阶异音模型,生成多维仿真数据;然后,构建一致性评价体系,选取一致性最优的仿真数据,与实测数据聚合为一致性孪生训练样本;最后,构建基于卷积神经网络的声振融合故障诊断模型,实验结果证明,虚实数据融合驱动的策略能有效提高诊断准确率,缓解故障样本稀缺问题,为实现精准故障诊断提供全面、充分、准确的数据支持。 综上所述,本文通过引入数字孪生,为解决故障样本稀缺问题提供一种方案。针对模型保真度低、计算成本高、模型维度单一及缺少一致性评价体系等问题,开展多传感器信息融合驱动、基于降阶技术的多维模型构建以及一致性评价体系建立等研究,旨在为精准故障诊断提供全面、充分、准确的数据支持,并为行星齿轮箱故障诊断领域带来新的研究方向。

关键词： 曲线构型   内啮合齿轮   成形磨削   砂轮截形   温度场  

摘要： 齿轮作为一种常见的机械传动元件,在许多工业领域中广泛应用。齿轮制造业在推动工业自动化和智能化发展的同时,也支撑着新兴领域和技术的发展。通过不断改进设计和制造工艺,促进新材料、新工艺的应用,为航空航天、新能源汽车等领域提供高性能齿轮传动系统。本文以新型双点接触内啮合曲线构型齿轮为对象,开展其齿面成形磨削基本原理、成形磨削温度场分析、磨削温度预测及参数优化、热力耦合作用下残余应力分析等研究,主要工作概述如下: (1)在内啮合曲线构型齿轮传动基本原理的研究基础上,提出凸齿轮和内齿轮齿面成形磨削基本原理,基于构型齿面表达式分别建立“凸齿轮-砂轮”和“内齿轮-砂轮”齿面成形磨削接触线的数学模型。利用牛顿迭代法计算得到齿面空间共轭磨削接触线,并通过坐标变换求解获取磨削砂轮截形数据点,完成砂轮截形参数化建模分析;基于MATLAB GUI软件功能开发双点接触内啮合曲线构型齿轮廓形设计及成形磨削软件模块;基于磨削过程中不同砂轮安装角度和砂轮直径参数,分析齿面磨削接触线和砂轮截形的变化规律。提出磨削误差计算方法,并对仿真截形进行误差分析。 (2)针对凸齿轮和内齿轮分别建立有限元瞬态热分析模型,结合磨削力和磨削接触弧长方程,确定齿面成形磨削的热流密度。通过瞬态传热模块,开展成形齿面磨削温度场仿真分析,探究不同砂轮转速、工件进给速度、磨削深度对双点接触内啮合曲线构型齿轮副磨削弧区温度场变化及最高温度的影响规律,并分析在湿磨与干磨条件下的磨削温升变化,给出齿面磨削加工工艺参数建议。 (3)以双点接触内啮合曲线构型齿轮的结构尺寸参数和磨削工况参数为自变量,基于XGBoost算法建立双点接触内啮合曲线构型齿轮成形磨削温度预测模型,通过给定砂轮回转线速度、工件进给速度、磨削深度等参数,结合多组数据模型计算并与前章仿真结果对比,结果表明基于XGBoost的成形磨削温度预测有较高的准确度。利用贝叶斯优化算法对共轭齿面成形磨削参数进行优化处理,建立以砂轮回转线速度、工件进给速度和磨削深度为变量的优化模型,获得在固定结构参数下双点接触内啮合曲线构型齿轮成形磨削的最优工况参数解。通过优化前后磨削温度对比,为实际加工工况的参数选择提供了理论基础。 (4)基于有限元分析开展双点接触内啮合曲线构型齿轮成形磨削过程残余应力分析,分别以凸齿轮与内齿轮为研究对象,基于瞬态传热模块,通过前处理、约束条件施加及外部载荷设置等,采用顺序耦合法对成形磨削残余应力进行模拟仿真,探究不同磨削参数对双点接触内啮合曲线构型齿轮副成形磨削齿面残余应力的影响。分析残余应力场的分布特征,并讨论砂轮转速、工件进给速度和磨削深度对残余应力场的影响。

关键词： 面齿轮   章动   动力学   分汇流   均载  

摘要： 章动面齿轮传动系统是一种创新型齿轮分汇流传动系统,它以其紧凑的结构、出色的减速比以及强大的承载能力,在航空和航天等领域展现出巨大的应用潜力。在齿轮分汇流传动系统中,保证各支路的功率传递质量及载荷分配均等至关重要。本课题以章动面齿轮传动系统为研究对象,分别从静力学和动力学的角度,对该系统的均载特性及动态特性进行了深入研究。 研究章动面齿轮传动系统的静态均载问题。分析了章动面齿轮传动构型不同支路的功率流动,揭示了系统各支路载荷分配不均机理。基于变形协调的原理,探讨了齿轮传动的载荷分配机制。构建了章动面齿轮传动构型的均载计算模型,研究了系统关键参数对章动面齿轮传动构型均载的影响。 章动面齿轮传动系统动力学建模。分析了章动面齿轮传动系统存在的内部激励形式。综合考虑啮合刚度、支撑刚度、扭转刚度以及啮合误差等多个因素,采用集中参数法构建了章动面齿轮传动系统22自由度的弯-扭-轴耦合动力学模型,并进行无量纲化处理。计算了动力学模型中的等效集中质量、等效转动惯量以及啮合刚度等系统参数。设计试验方案验证模型的正确性。 分析章动面齿轮传动系统的固有特性和动态响应。分析了系统参数下章动面齿轮传动系统的模态和振型,研究了刚度参数对其固有频率的影响。计算了章动面齿轮传动系统的动态啮合力和动载系数,研究了输入轴扭转刚度对章动面齿轮传动系统动态响应的影响。 研究章动面齿轮传动系统的动态均载问题。定义了动态均载系数,研究了系统刚度参数对章动面齿轮传动系统动态均载特性的影响。通过分析系统参数对传动系统动态均载性能的影响规律,提出了章动面齿轮传动的均载方法。 图41幅;表8个;参62篇。