关键词： 磁场调制型磁齿轮   调磁环   仿生设计   多目标优化   结构优化  

摘要： 同轴式磁场调制型磁齿轮(磁齿轮)具有转矩密度高、非接触传动以及过载自我保护等特点,可广泛应于用于车辆、风电、化工等多种领域。调磁环在磁齿轮中起磁场调制的关键作用,随着高性能永磁材料的发展,磁齿轮传动能力逐步提升,现有调磁环强度和刚度不能满足需求,阻碍了磁齿轮进一步发展。本文针对调磁环易于变形的问题,对其进行仿生结构设计及整体结构优化,具体内容如下: 分析了磁齿轮工作原理,建立了磁齿轮的参数化模型,对调磁环进行磁力载荷分析,计算了调磁环变形。针对磁齿轮加工及安装中存在内外转子偏心的问题,分析了不同偏心工况下调磁环径向不平衡磁拉力及变形规律,结果表明磁齿轮偏心时其径向力及变形均明显增大。 基于竹子结构特征,对比分析了调磁环和竹子的相似性;对调磁环进行仿生结构设计,利用有限元仿真分析调磁环分段和不同结构加强筋对其变形的影响。以调磁环转矩最大、变形最小为目标,采用NSGA-Ⅲ算法对仿生型调磁环进行参数多目标优化,得出仿生型调磁环最优结构并利用有限元验证优化效果。结果表明调磁环仿生设计可显著减小其变形。 针对调磁环根部、头部及非导磁块分别设计了根部加强筋、支撑结构套筒及加强条,并对其进行结构及参数优化;当调磁环为输出端即调磁环为转子时,在调磁环头部、中部分别设置陶瓷轴承,有限元分析表明上述调磁环各位置结构优化均可有效减小其变形。 在现有磁齿轮样机基础上,重新设计并加工了仿生型调磁环,搭建了磁齿轮转矩测试平台及调磁环变形测试平台,测试了安装传统调磁环和仿生型调磁环时磁齿轮样机的转矩及调磁环变形,将实验结果进行了对比,验证了仿真结果正确性。

关键词： 20Cr2Ni4齿轮钢   激光喷丸   机械喷丸   复合喷丸   有限元仿真   残余压应力   等效塑性应变  

摘要： 20Cr2Ni4齿轮钢是一种高强度合金渗碳钢,广泛应用于工程机械、汽车、航空航天等领域的大型零部件上。为了提高齿轮钢的疲劳寿命,通常对其进行表面强化。机械喷丸和激光喷丸均是常见的金属表面喷丸强化技术,但是两者的作用形式和效果有很大差距,并且单一的喷丸强化具有一定的局限性。然而,针对激光喷丸和机械喷丸单喷丸强化的对比分析,以及复合强化的研究还鲜有报道。 因此,本文通过建立复合喷丸强化的有限元模型,利用数值模拟的方法研究在单喷丸和复合喷丸强化下各因素对靶材表面力学性能的影响,并进行不同强化方式的对比分析,探究复合强化下靶材内部残余压应力和等效塑性应变在深度方向上的分布特性。通过三点弯曲疲劳仿真研究不同强化方式下残余压应力对试件疲劳寿命的影响。为20Cr2Ni4齿轮钢表面机械、激光喷丸和复合喷丸强化的实际工程应用提供一定的理论指导和依据。 论文的主要研究内容如下: (1)仿真分析的基础研究和相关参数的设定。利用ABAQUS软件建立机械喷丸动力学耦合模型和激光喷丸压力波分布模型的研究;通过分析激光喷丸和机械喷丸网格精度与残余应力的关系,构建复合喷丸强化的有限元网格模型,求解得到激光喷丸多点冲击的动态分析时长和机械喷丸覆盖率达到100%所需要的弹丸数量。 (2)单喷丸强化下各因素对靶材内部应力应变影响的仿真研究。基于机械喷丸动力学耦合模型和激光喷丸压力波分布模型,研究激光喷丸的峰值压力、搭接率、覆盖率和机械喷丸的弹丸直径、弹丸速度对20Cr2Ni4齿轮钢表面单喷丸强化效果的影响,得到不同工艺参数下靶材内部残余压应力和等效塑性应变的变化规律;通过数字滤波技术建立高斯分布的初始表面形貌,探究不同初始表面形貌下激光喷丸和机械喷丸强化后靶材内部残余压应力的分布规律。 (3)复合喷丸强化下不同因素对靶材内部应力应变的影响分析。基于单喷丸强化下工艺参数的研究结论,分别讨论在复合强化中先激光喷丸后机械喷丸和先机械喷丸后激光喷丸对残余压应力分布的影响;开展激光光斑的峰值压力、机械弹丸速度和覆盖率对复合喷丸强化下靶材表面应力应变影响的研究,进行激光喷丸、机械喷丸和复合喷丸的对比分析;基于初始粗糙表面对于单喷丸强化影响的研究,探究在初始粗糙表面下复合强化后靶材内部残余压应力场的分布情况。 基于单喷丸和复合喷丸强化下不同因素对靶材表面应力应变的影响,以及不同强化方式的对比分析,揭示复合强化下靶材内部残余压应力和等效塑性应变在深度方向上的分布特性。结果表明,靶材表面和近表层残余压应力和等效塑性应变的值由机械喷丸起主导作用,而残余压应力场和等效塑性应变场的深度则由激光喷丸的强度所决定,复合喷丸强化下残余压应力在深度方向上表现出明显的分段组合特征。 (4)不同强化方式下残余压应力对工件疲劳寿命的影响分析。以复合喷丸强化下残余压应力分布特性和残余压应力对裂纹扩展特性影响的理论研究为基础,建立三点弯曲疲劳仿真模型,结合ABAQUS和FE-SAFE软件对工件疲劳寿命进行计算,从仿真角度上对比分析不同强化方式下残余压应力的大小和深度对于工件疲劳寿命的影响。结果表明,相较于机械喷丸和激光喷丸,复合喷丸强化有着更好的强化效果。

关键词： 微点蚀   磨损   风电齿轮油   TE77往复摩擦磨损试验机   添加剂  

摘要： 微点蚀是一种普遍存在于机械传动零部件中的表面起源型疲劳损伤现象,其失效机制和抑制方法受到风力发电等机械装备领域的广泛研究与关注。微点蚀形成机制复杂,涉及润滑力学、金属材料和润滑材料等多种物理化学因素的影响。从润滑材料角度,不同类型的基础油、极压抗磨等功能添加剂对表面微点蚀影响规律和作用机制仍不明确。本研究通过使用TE77往复摩擦磨损试验机探究了六种传统风电齿轮油润滑添加剂和四种新型添加剂对齿轮钢微点蚀早期失效以及摩擦、磨损的影响,并选择其中几种摩擦学性能表现较好的润滑添加剂,通过改变试验工况研究了其对微点蚀的影响规律,从弹流润滑、摩擦物理化学等角度讨论了相关作用机制。 首先,选用六种传统的风电齿轮油添加剂均按照0.3wt%的浓度添加至基础油P320中以获得六种油样,使用TE77往复摩擦磨损试验机研究了每种样品对齿轮钢表面微点蚀的影响。针对添加无灰抗磨剂DDP-2的油品,研究了添加剂使用浓度、温度、载荷以及循环次数等工况参数与表面微点蚀早期失效及摩擦学性能之间的关系规律。通过光学显微镜、扫描电镜、EDS能谱仪和X射线光能谱仪等仪器表征了磨损表面微观形貌、磨损量以及表面化学元素结构与组成,讨论了摩擦表面微观形貌变化及润滑添加剂不同元素组成对表面微点蚀的作用机制。结果表明:六种风电齿轮油添加剂中的DDP-2和660具有较强的抗磨损性能,但导致严重的微点蚀。其中DDP-2抗磨添加剂,随着浓度的增加,其与表面发生剧烈的摩擦化学反应生成摩擦膜,抑制了磨损,从而导致更严重的微点蚀出现。并且,温度和载荷的增加会导致流体动压润滑油膜变薄,加重了粗糙峰之间的接触,会导致更严重的微点蚀损伤,但过高的载荷会加重磨损,从而代替微点蚀成为主要的表面损伤形式。 其次,研究了四种新型润滑添加剂（纳米Ce O2、纳米铜、离子液体IL 1和IL2）对P320风电齿轮油润滑下表面微点蚀的影响。试验机选用TE77往复摩擦磨损试验机。选择摩擦学性能表现优异的纳米铜和离子液体IL 1通过改变浓度和温度研究了其与表面微点蚀以及摩擦磨损性能之间的关系规律。同时通过微观表面形貌和元素组成分析了添加剂作用机理。结果表明:纳米铜和离子液体IL 1添加剂具有优异的抗磨性能,表面均未出现严重微点蚀损伤。纳米铜添加剂受浓度和温度影响较小;但在添加质量分数为0.75%和温度为100℃时以及质量分数为0.5%和温度为50℃时可能出现了团聚现象,导致磨损量增加。离子液体添加剂IL 1基本不受浓度影响,但受温度影响较大;其在常温下有较强的吸附作用,配合较高的润滑油黏度,导致表面仅出现轻微磨损;而随温度升高粗糙接触增加,表面微点蚀损伤加重。 最后,考察了纳米铜和离子液体IL 1两种润滑添加剂对成品风电齿轮油的抗微点蚀性能的改善作用。将二者分别以两种高低浓度添加至国外某风电成品油Oil A中进行TE77实验。研究发现两种添加剂都在一定程度上提高了原成品油Oil A的抗微点蚀性能,显著减缓了表面微点蚀损伤。其中离子液体IL 1添加剂的改善作用极佳,使得成品油表面磨损体积降低了一个数量级,并且磨损表面平整光滑,未出现微点蚀损伤痕迹。 本研究工作可为抗微点蚀润滑添加剂的快速评价筛选、设计与性能优化提供理论与技术支撑。

关键词： 齿轮箱   故障诊断   可调品质因子小波变换   混合核极限学习机   改进麻雀搜索算法  

摘要： 齿轮箱作为旋转机械设备中的重要零部件之一,广泛运用在工业生产领域当中。由于齿轮箱受制造过程和装配过程中的误差以及高温、重载等恶劣工作环境等多种因素的影响,极易出现各种故障缺陷。一旦齿轮发生故障不但影响工业生产,还有可能引发重大安全问题。因此,对齿轮箱进行状态监测和故障诊断以保证其运行状态正常对工业生产尤为重要。目前针对强背景噪声下,齿轮箱中低速重载斜齿轮的相关故障诊断方法和分类模型仍有不足之处。本文主要研究了基于可调品质因子小波变换(Tunable Q-Factor Wavelet Transform,TQWT)和混合核极限学习机(Hybrid Kernel Extreme Learning Machine,HKELM)的故障诊断方法,并且设计了一套基于振动信号的齿轮箱故障诊断系统。本文主要的研究内容如下: 1.针对齿轮箱在低速重载的条件下,齿轮箱故障产生的以周期性冲击为主的故障信号在强背景噪声环境下难以提取的问题,采用K-均值奇异值分解(K-means Singular Value Decomposition,KSVD)联合参数自适应TQWT分解的故障诊断方法。结合学习字典自适应性高和TQWT具有平移不变性且可以灵活选取不同的小波基来匹配不同振荡特征信号的优势,提取低速重载条件下齿轮箱振动信号的故障特征。针对TQWT分解对噪声鲁棒性不强且参数调试困难的问题,结合齿轮箱早期故障的周期性和冲击性特性,提出一种自相关峭谱积指标用于评估单支重构信号包含的故障特征强弱,所提方法首先利用KSVD对强噪声背景下的齿轮箱故障信号进行稀疏降噪,再根据齿轮箱振动信号特性,自适应地寻找最优参数进行TQWT分解,单支重构信号以实现精确提取齿轮箱的故障特征,完成齿轮箱的故障诊断。 2.针对齿轮箱故障分类难的问题,首先从齿轮箱振动信号中提取故障特征向量,并将其作为HKELM模型的输入。考虑到HKELM模型参数众多且参数对模型精度影响显著,为避免传统人工选择参数的低效性和精度难以最优的问题,引入改进麻雀搜索算法(Improved Sparrow Search Algorithm,ISSA)进行参数寻优。针对原算法容易陷入局部最优与算法不稳定的缺点,引入微分递减权重因子和Tent混沌映射初始化种群提高了种群的寻优能力和种群多样性。使用改进的麻雀搜索算法对HKELM模型参数进行寻优,提升模型的性能和稳定性。最后,在公开的齿轮箱故障缺陷数据集以及实验采集的齿轮箱故障缺陷数据集上验证了模型的有效性。 3.完成齿轮箱故障诊断软件系统。基于系统的整体性需求,搭建齿轮箱测试平台,并确定实验所需的传感器等关键设备的型号。设计开发软件的信号采集和处理算法等模块。基于MATLAB开发软件系统,实现数据存储及故障诊断功能,通过对振动信号分析实现故障诊断,系统中集成了多种信号处理方法和分类模型。将该系统在实验台上进行部署,在齿轮箱实验平台进行实验测试,验证所搭建的齿轮箱故障诊断系统的有效性。

关键词： 外啮合齿轮泵   间隙泄漏   流动特性   流固耦合   样机试验  

摘要： 电动燃油泵凭借其结构简单,体积小,维修方便,排油量较大而成为航空发动机泵控燃油系统的核心组件,可简化燃油控制系统结构,提高系统可靠性。电动燃油泵中的齿轮泵作为航空发动机的主供油泵之一,其内泄漏和轴承负载问题一直是关注的焦点,此类问题会导致齿轮泵效率低下和运行不稳定,甚至出现泵体损坏等一系列危害。针对上述问题,以某型电动燃油泵为基础,研究齿轮泵在高速运行条件下的流场动态特性和转子受力情况,并进行样机试验,为燃油齿轮泵的齿轮和泵壳优化提供了参考依据。具体内容如下: 首先,构建齿轮泵CFD数值模拟数学模型,建立外啮合齿轮泵内部流场数值计算模型,借助Pump Linx流场仿真软件进行仿真计算,分析齿轮泵单个齿腔压力特性、泵的出口流量及压力特性。经计算,获得齿轮泵在工作时单个齿腔的建压过程,出口流量、压力与转速关系。 其次,在相同工况条件下,选定3组不同均匀径向间隙、4组不同中心距、3组不同偏心距及3组不同端面间隙的外啮合齿轮泵流场计算模型,分别探究不同径向间隙与端面间隙对齿轮泵内部流场的齿腔压力特性、速度特性、出口流量及出口流量脉动的影响。经计算,获得齿轮泵在工作时单个齿腔的压力、油液流速、出口流量、出口压力、泄漏量与间隙之间的关系。 然后,利用Pump Linx和Abaqus进行联合仿真,建立燃油齿轮泵单向流固耦合模型,计算燃油泵齿轮所受径向力的大小及方向随齿轮转角的变化规律,通过分析齿轮副在压力载荷、啮合力作用下的力学特性和流固耦合作用对齿轮副变形程度的影响,从而得出齿轮对泵壳内壁面的扫膛程度,为燃油齿轮泵齿轮和泵壳的结构优化提供了参考依据。 最后,完成了电动燃油泵样机制造及效率试验,试验结果与仿真计算结果一致性良好,验证了仿真计算的准确性。

关键词： 芥川龙之介   艺术至上   现实   困境  

摘要： 芥川龙之介在早期的小说创作中，多次利用小说主人公的命运结局和情节设置等要素，向读者传达“艺术至上”的理念，并将其作为自己艺术创作的宗旨。但随着人生阅历的增加，芥川龙之介对这种艺术理念逐渐发生动摇，且因在追求“纯粹艺术”的道路上屡遭碰壁，最终迫使芥川龙之介陷入创作的困境与无止境的精神内耗之中。尤其在其晚期小说《梦》《齿轮》中，小说中的种种意象与故事走向都暗示当时的芥川龙之介对艺术与现实选择的徘徊与犹豫，他的艺术坚持发生动摇又缺少直面现实的勇气，难以在理想与现实之中找寻到合适的平衡点，陷入艺术观的困境之中。