关键词： 齿轮测量   双目视觉   三维点云   点云精简   曲面重构  

摘要： 齿轮是实现机械传动必不可少的零件之一,其质量直接影响了机械设备运行性能及使用寿命,由于其构造复杂,相关参数测量难度高、过程麻烦。因此如何快速准确地测量齿轮精度对制造业领域具有重要意义。而非接触测量中双目视觉测量技术既能避免因接触式测量可能带来的接触面损坏,又能低成本且高效率的完成齿轮测量。为了提高双目视觉测量系统在齿轮几何特征测量方面的精度,本文从硬件及算法两个方面进行了研究。 硬件上,建立了双目视觉齿轮测量系统结构参数模型,根据分析得到的影响测量精度两大主要因素基线距与物距,建立理论仿真曲线并进行实验验证。针对齿轮表面复杂存在测量死角问题,分析了在不同相机光轴与基线夹角下齿轮表面几何特征三维点云数据测量的完整性。本文利用双目视觉测量系统进行的齿轮表面几何特征测量实验结果表明,当相机光轴与基线夹角达到77°及以上时,获得的齿轮表面几何特征点云数据较为完整。当基线距为150mm、物距为300mm时,在保证获得齿轮表面几何特征完整性的同时测量误差最小。 算法上,点云重建可以清晰地表达被测齿轮表面几何特征的具体形貌,由于利用双目视觉测量系统最佳位置获得的齿轮表面几何特征三维点云数据中往往伴随着许多噪点与冗余点,严重影响重建精度及效率,为了提高重建精度与效率,本文根据获得的齿轮表面几何特征三维点云数据特点,首先利用直通滤波与统计滤波去除离群点与噪点,其次针对传统精简算法去除冗余点存在细节特征处点云丢失问题,提出了一种基于分区特征点提取的体素精简法,并与随机精简法、体素精简法进行实验对比,结果显示,本文提出的算法在精简率达到93.06%时,仍能不丢失齿轮表面几何特征三维点云数据细节特征处点云。然后在贪婪三角化算法基础上,结合分区特征点提取的体素精简法与移动最小二乘法,提出了一种基于特征精简平滑的贪婪三角化算法,并与泊松重建算法、贪婪三角化算法、体素精简法与移动最小二乘法结合贪婪三角化算法进行齿轮重构效果对比,结果显示,采用本文提出算法重构出的齿轮在细节拐角处特征更加明显。 最后根据特征精简平滑后的齿轮几何特征三维点云数据特点,进行齿距偏差与齿廓总偏差参数测量,并与利用JE25型齿轮测量中心获得的齿轮偏差参数进行对比,结果表明,优化后获得的齿轮左右齿距总偏差、齿廓总偏差与利用齿轮测量仪测量的参数最大绝对误差为39.07μm、31.15μm、51.17μm、44.53μm,由于利用JE25型齿轮测量中心获得齿距参数是利用点接触齿宽中部部位进行测量,无法反应齿轮整体精度情况,而本文通过将整个点云数据投影到一个平面提取出的齿廓,测量结果会受到整个轮齿面的影响。本文测量的参数与利用JE25齿轮测量中心测量的变化趋势大致相同,验证了论文测量数据的准确性。

关键词： 风电机组   故障预警   CNN   BiLSTM   麻雀搜索算法  

摘要： 风能是当今世界最具发展前景和潜力的可再生绿色能源之一,资源充足且干净清洁,正日益成为众多国家实现电力供应及能源产业脱碳化的一种高性价比选择。齿轮箱作为风电机组的关键部件之一,长期工作在工况多变、环境恶劣的条件下,发生故障的概率较高。为保障风力发电的正常运行,风电机组齿轮箱的故障预警技术变得尤为关键。 本文选取风电机组SCADA系统数据作为研究对象,以提升风电机组齿轮箱故障预警的准确性和及时性为目标,研究基于温度模型的故障预警算法,研究内容如下。 对风电机组SCADA系统的初始数据进行预处理。本文设计的预处理方法如下:按照指定规则对部分异常数据过滤;去除与机组运行状况无关联的冗余数据;对比LOF算法和Isolation Forest算法对异常数据的清洗能力,通过实验对比选取检测能力更好的Isolation Forest算法;通过Spearman秩相关系数对特征变量进行相关性分析,选取模型输入的特征变量。 本文提出一种基于注意力机制的CNN-BiLSTM风电机组齿轮箱故障预警温度模型。利用CNN中卷积层的特征提取能力对数据提取关键特征,用池化层进行降维;利用BiLSTM的时序数据分析能力对数据训练;AM对不同特征向量给予不同的权重,提升预测精度。将某风力发电场的SCADA数据按照设计的数据预处理过程进行处理,构建CNN-BiLSTM-AM模型。通过与其他几种模型的对比实验,验证了本模型具有较好的预测精度和故障预警能力。 为了优化模型中的超参数,避免陷入局部最优解,提出了基于Tent混沌映射与Levy飞行策略的改进麻雀搜索算法(TLSSA),对CNN-BiLSTM-AM模型的参数进行寻优。提出一种基于TLSSA-CNN-BiLSTM-AM的风电机组齿轮箱故障预警温度模型。通过对比实验,验证本模型较CNN-BiLSTM-AM具有更高的预测精度与故障预警能力。

关键词： 盾构用齿轮箱   最小体积   行星齿轮   齿轮宏观参数化设计  

摘要： 盾构用齿轮箱作为盾构机刀盘与液压马达之间的连接装置，主要起减速增转矩的作用。盾构用齿轮箱的方案设计按客户提供的接口图纸和齿轮箱相关规范及标准进行。本文对所设计的盾构用齿轮箱整体方案进行分析说明。首先，以最小体积为目标函数优取了齿轮宏观参数，并考虑行星轮轴承的最大外径和行星架的结构对传动比进行微调。然后，通过各部件功率损失设计出所需要的润滑与冷却系统，完成了整体结构方案设计。各计算结果表明：在不同工况下，整体传动比、各齿轮参数、轴承、润滑与冷却等结构参数可满足设计要求。

关键词： 风电齿轮箱   润滑油   图像处理   颗粒物   流动形态  

摘要： 齿轮箱作为风电机组的核心部件之一,它的运行状态直接影响风电机组整机的机械性能和可靠性。润滑油作为风电齿轮箱的润滑和冷却介质,其状态好坏会影响齿轮箱的正常运行和使用寿命。及时、准确的监测齿轮箱内润滑油的状态,有助于降低齿轮箱运维成本,降低风电齿轮箱发生故障的概率。目前,风电齿轮箱润滑油监测技术和市场供应主要被国外技术和进口产品所占领,通常价格较高。为了降低风电齿轮箱润滑油监测成本,本文尝试从现代机器视觉和图像处理技术角度探索相关解决方案。研究基于图像的风电齿轮箱润滑油监测关键技术,主要从润滑油的色彩、粘度和颗粒度三项指标监测问题着手研究。 (1)通过对劣化情况不同的润滑油在相同光照下的色彩图像提取灰度最值和均值,绘制灰度分布区间图。对润滑油灰度划分阈值,判断润滑油大致的污染情况。 (2)基于图像的润滑油颗粒物图像分析处理方法研究。用C++开发了对润滑油中颗粒物图像的计算机处理程序。在传统的Otsu阈值分割算法上,通过对全局轮廓覆盖MASK,利用气泡与颗粒物特征差别,对其灰度制定了筛选规则。有效去除了气泡对颗粒物特征提取的影响,对颗粒物和油液实现精准分割;针对颗粒物图像做了对比分析和重复性验证实验,验证改进算法的准确性。最后提取颗粒物面积、周长、长轴和短轴这4项形状特征信息和统计数据。 (3)提出了一种基于流动形态图像的润滑油粘度监测办法。该方法通过控制润滑油的温度、进口速度及其他边界条件等,使润滑油在不同粘度条件下表现出不同的流动形态特征,并通过CFD仿真研究了粘度与流形图像对应关系。通过流形图像采集实验装置提取润滑油的实际流形图像,并对仿真流形图像和实验图像做形态学处理,提取骨骼图像,统计流形图像一阶导。对比和分析了二者之间的拟合程度,比较其仿真值和实验值误差,以验证本文润滑油粘度监测方法的准确性。 (4)最后,本文设计和搭建了用于验证上述方法的图像采集实验装置,验证了本文方法在解决风电齿轮箱润滑油监测问题方面的可行性,为风电齿轮箱润滑油状态和品质监测探索出了一条可行的道路。

关键词： 行星齿轮传动机构   拓扑图   图库   参数优化  

摘要： 行星齿轮传动机构变速方案的构型决定了车辆结构的复杂程度以及生产制造成本的大小。随着节能减排的要求日益严格,采用行星齿轮式的液力机械式自动变速器(Automatic Transmission,AT)和机电复合传动变速器(Electro-mechanical Variable Transmissions,EVT)都朝着多挡位和多模式的方向发展,要求使用行星排和自由度的数量随之增加。因此AT和EVT在设计阶段会生成数以亿计的潜在方案,建模和分析复杂,计算耗时长,且它们的构型都是以多自由度行星齿轮拓扑结构为基础,通过控制元件和电机等的合理布置,淘汰无效结构,最终得到最优方案。目前尚没有一套系统的考虑包括AT和EVT在内的行星齿轮传动机构的高效设计方法。 本文以这两类行星齿轮传动机构为研究对象,基于有色三层图模型进行了多自由度多行星排拓扑结构综合,提出了传动比/机械点的快速求解方法,建立了挡位/模式排序过程中的数学模型,最后通过参数优化设计得到了一系列新型传动方案,为提高新型行星齿轮传动机构的研发效率提供理论基础,主要研究内容如下: 在非同构多自由度多行星排拓扑结构生成过程中,建立了自由度与行星轮系中不同类型构件之间的数量关系,为多自由度拓扑结构综合提供了约束条件。将行星齿轮结构转化为带构件属性的图论模型,在拓扑结构枚举过程中,利用有向图模型区分齿轮之间的运动关系。并结合两种典型的同构判定算法有效地避免了同构方案的误判,得到了非同构2-5自由度的2-5个行星排拓扑结构集,为下一步行星齿轮传动机构的创新设计奠定了结构基础。 分析了多自由度多行星排拓扑结构可能生成的传动比值及机械点值的数量和组成情况,基于基本齿轮连接实体(Fundamental Geared Entity,FGE)模型进一步减小行星齿轮拓扑结构集的规模,并研究了1自由度多FGEs结构速比合并递推过程及速比合成方法。将FGE图模型转换为有向图来区分FGE点和外部构件点,枚举了所有可能的1-5FGE(s)拓扑结构图,筛选出所有合理的非同构1自由度FGE图结构,并对每种FGE图结构所能生成的速比进行了搜索递推计算,最后建立了1自由度下1-5FGE(s)有限数量FGE图结构及对应速比值的图库。 综合考虑挡位/模式控制元件及电机的布置条件、切换逻辑、传动范围、电机工作特性等因素,全面地给出了液力机械式自动变速机构和机电复合传动机构的设计约束规则,预先淘汰了大量不合理的布置方案。在传动比值及机械点值的计算过程中,将1自由度下的拓扑图转化为FGE图模型的形式,基于同构判定,得到了所求图与图库中的预存图之间FGE点和外部构件点编码的对应关系,并调用图库中的预存速比值进行替换运算能快速地得到所求速比值,极大地提高了设计效率。 在挡位及模式排序过程中,提出了一种结合采样模拟和检验的方法对液力机械式自动变速机构的传动比值按照挡位升序情况进行了分组计算,提前淘汰了大量无效的挡位序列。根据构件编码建立了挡位/模式的单一切换计算模型,多模式机电复合传动机构的机械点衔接计算模型,以及传动比/机械点的级比计算模型,并利用采样模拟的方法求解了级比计算模型,得到了一系列合理的挡位及模式序列。最后,建立了效率和传动比值/机械点值的多目标优化函数,并对行星排特性参数进行了优化计算,并利用层次分析法对新型液力机械式自动变速方案和机电复合传动方案进行了评价分析,为最优传动方案的选择提供了依据。 全文基于MATLAB软件平台实现了整个设计过程的自动化计算,分别以3自由度四行星排和4自由度三行星排拓扑结构为基础,设计了新型液力机械式自动变速方案和机电复合传动方案的构型及参数,通过与现有方案的对比分析验证了所提出的设计方法的可行性和高效性。

关键词： 电动汽车   磁齿轮电机   Halbach   转矩密度  

摘要： 当前,日益严重的能源危机和环境污染问题使得传统汽车工业的发展面临空前挑战。面对能源短缺和环境污染的双重压力,电动汽车无疑成为当前汽车的重要发展方向,为此世界各国投入了大量人力、物力和财力来推动电动汽车的发展。当前电动汽车动力系统普遍采用的是电机与机械齿轮相结合的传动方式,然而这种传动系统存在诸如系统效率较低、可靠性差、油污润滑和摩擦损耗等问题,严重限制了电动汽车的进一步推广和应用。磁齿轮电机具有高可靠性、高转矩密度和速度可调等优点,特别适合应用于电动汽车领域,近年来受到了国内外相关学者的广泛关注。鉴于此,为进一步提高电动汽车驱动电机转矩密度和系统综合效率,本文提出了一种新型电动汽车用磁齿轮电机,并围绕其电磁设计与性能分析等问题开展较为深入的系统研究。论文的主要研究内容如下: 首先,针对电动汽车动力驱动系统结构复杂、可靠性低等问题,提出了一种直驱式磁齿轮电机动力系统,分析表明该种驱动系统可以有效提升电动汽车驱动系统效率及转矩密度;采用数值解析法详细分析了磁齿轮的工作原理,并在此基础上推导了磁齿轮电机的磁场调制作用机理,为后续磁齿轮电机的设计提供了理论基础。 然后,为匹配电动汽车的性能指标,根据电动汽车的整车参数配置,计算了磁齿轮电机相关设计指标;为便于对磁齿轮电机进行电磁设计,将磁齿轮电机划分为永磁电机和磁齿轮两部分,并采用有限元法详细分析了磁齿轮电机结构参数对其输出转矩的影响规律,并最终确定了电机的设计方案;为了更好的体现所设计磁齿轮电机转矩传递及调速性能的优越性,分别构建了内转子单独励磁、外转子单独励磁和内外转子共同励磁三种条件下电机性能分析模型,对比分析了三种励磁方式下调磁环对电机径向气隙磁密及谐波含量的影响规律,从而表明所提出新型直驱式磁齿轮电机拓扑结构可有效提高电动汽车驱动电机的输出转矩及调速性能,为该种电机在电动汽车领域的推广应用奠定了理论基础。 最后,为进一步提高所设计磁齿轮电机的转矩密度,设计了一种外转子Halbach阵列充磁结构的磁齿轮电机,详细对比分析了径向充磁与Halbach充磁两种充磁方式下磁齿轮电机的输出性能。研究结果表明,采用Halbach阵列充磁结构的磁齿轮电机具有更好的输出特性,为电动汽车用驱动电机的设计提供了一种新思路。

关键词： 多模数   闪温法   积分温度法   胶合强度   变位系数  

摘要： 齿面胶合的研究对提高齿轮的服役周期和使用性能尤为关键,对于主、从动轮模数、分度圆压力角分别对应不相等的齿轮副,目前国内对其胶合特性的研究尚未明了。本文在闪温的基础上,通过闪温法与积分温度法分别计算多模数齿轮副的胶合强度,研究模数比与主、从动轮的变位系数分别改变对多模数齿轮副胶合特性的影响,为多模数齿轮副的理论设计提供依据。 根据无侧隙啮合原理和连续啮合传动所满足的条件,推导了多模数齿轮副主要啮合参数的计算公式,基于闪温法与积分温度法的使用范围探究多模数齿轮副重合度与齿宽的限制条件。 引入无量纲线性坐标,推导了啮合线上任一点的啮合半径,与任一点的(38)坐标和特殊点的(38)坐标,将闪温法、积分温度法的温度变化与啮合线上的线性坐标巧妙的联系在一起,方便统一计算与对比分析。根据闪温法与积分温度法的基本准则,推导了含有模数比及其隐函数的多模数齿轮副胶合强度计算公式。 根据齿顶厚不过薄与胶合特性不发生突变两个条件,确定合适的模数比范围。研究闪温法、积分温度法计算多模数齿轮副的瞬时温升变化、积分温度变化,探究模数比与主、从变位系数分别改变对多模数齿轮副胶合强度的影响。结果表明,模数比与主、从动轮变位系数分别增大,闪温法、积分温度法计算得到的多模数齿轮副啮合面上的温度整体下降,胶合强度增大。 从多模数齿轮副齿面接触压力的理论分析入手,推导了多模数齿轮副的对流换热系数与摩擦热流密度,分析模数比与主、从动轮变位系数分别改变对多模数齿轮副摩擦热流密度的影响,为稳态温度场仿真提供数据支撑。基于MATLAB与Solid Works联合建模,进行ANSYS有限元分析,并将仿真结果与闪温法、积分温度法计算出的理论结果进行对比,结果表明有限元分析结果的变化规律与理论计算结果基本一致,说明理论计算的正确性。 图[51]表[2]参[85]

关键词： 谐波齿轮传动   等效机构   空间共轭   齿面设计   精度模型  

摘要： 谐波齿轮传动具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景,但是目前我国高精度的谐波减速器仍然依赖于进口,严重制约了我国谐波齿轮传动技术的发展。为研究误差运动特性,本文基于谐波齿轮传动的基本原理和柔轮壳体的空间弹性运动特性,将机构运动几何学理论应用于谐波齿轮传动中,通过研究其三大主构件的连接与等效,建立单齿啮合空间运动的等效空间机构及其运动模型,推导轮齿对的瞬轴面与齿面的相伴运动的空间共轭条件,探明轮齿对的相对运动特性并设计了刚柔轮空间齿面;建立多齿啮合的空间等效机构模型及其谐波传动精度模型,分析弹性误差耦合作用下的谐波齿轮传动的误差运动特性;通过谐波齿轮传动的有限元仿真模型验证空间机构精度模型的准确性,并基于等效机构精度模型对实验的误差参数辨识,主要研究内容如下: (1)提出并建立了谐波齿轮传动单齿啮合的等效空间机构模型。在谐波齿轮传动的构件组成与壳体空间运动分析的基础上,依据壳体弹性运动几何学和轮齿的刚性假设,提出将谐波齿轮传动(关键构件)柔轮壳体的弹性运动转化到中性层上轮齿对称面交线的机械运动,用刚体空间机构等效柔轮杯体弹性输入端到刚性杯底的柔顺机构(即柔轮壳体空间机构);再通过对波发生器、刚轮及其与柔轮的连接进行运动副和构件等效,提出谐波齿轮传动单齿啮合约束的等效空间机构(以下简称单齿啮合空间机构);基于绘制单齿啮合空间机构拓扑图分析其运动的传递路径;建立谐波齿轮传动单齿啮合空间机构模型,揭示刚性轮齿的空间运动规律,为瞬轴面的轮齿啮合相伴运动共轭模型与空间齿面设计、及多齿啮合弹性误差耦合的等效机构精度建模与误差运动/传递特性分析奠定理论基础。 (2)建立了瞬轴面的轮齿啮合相伴运动共轭模型,并设计了一对空间齿面。基于单齿啮合空间机构模型,应用刚体运动学的相伴方法推导出刚柔轮轮齿齿相对运动的定动瞬轴面,以瞬轴面为原曲面,刚性齿面为相伴曲面,推导出谐波齿轮传动轮齿啮合的共轭模型,建立瞬轴面与共轭齿面之间的内在联系,分析空间相伴的轮齿啮合共轭运动特性;推导出谐波齿轮传动轮齿空间相伴运动的二次共轭与双共轭条件,并进行了三条特定啮合直线存在二次共轭与双共轭的轮齿齿面设计,空间齿面改善了轮齿啮合的接触性能,将提高谐波齿轮传动的精度保持性,为谐波齿轮传动的齿面性能分析与设计提供理论指导。 (3)提出了弹性误差耦合的多齿啮合空间机构精度模型并对其进行了运动特性分析。基于谐波齿轮传动的单齿啮合空间机构模型,将制造误差与装配误差(包括:波发生器装配误差、波发生器凸轮廓形误差与刚/柔轮齿廓误差)等效为机构构件的位置和转角偏差、杆长偏差及轮齿啮合的初始间隙,分析谐波齿轮传动柔轮壳体空间机构与单齿啮合空间机构各误差的传递特性,研究误差参数对柔轮壳体空间机构与单齿啮合空间机构的运动传递影响;将多齿啮合等效为多支单齿啮合空间机构并联组成的空间机构,建立位移方程、静力平衡方程及变形协调方程,形成弹性误差耦合的多齿啮合空间机构精度模型,分析谐波齿轮传动多齿啮合空间机构的误差运动与传递特性,研究误差参数对传动精度影响,为高精度谐波减速器的性能分析与设计提供精度模型。 (4)谐波齿轮传动的有限元仿真及其误差参数的实验辨识,验证了空间机构精度模型和齿面设计的合理性和有效性。分别建立了谐波齿轮传动柔轮壳体在波发生器作用下、刚轮单齿啮合约束下及多齿啮合约束下的有限元模型,通过与柔轮壳体空间机构、单齿啮合空间机构及多齿啮合空间机构精度模型的仿真对比与分析(柔轮壳体空间机构精度模型位置和方向的最大相对误差分别为0.53%和4.35%,单齿啮合空间机构及多齿啮合机构精度模型传动误差的最大相对误差分别为4.73%和8.36%),表明本文所建立的谐波齿轮传动空间机构精度模型的合理性与有效性;通过对所设计的空间齿面有限元仿真分析,表明所设计的空间齿面接触性能高,传动误差小,将提高谐波齿轮传动的精度保持性。以波发生器角度误差和位置误差以及凸轮廓形状误差为特征参数,以特征参数理论值与实验测量值的差异为优化目标,建立多齿啮合空间机构误差参数辨识的优化模型,采用遗传算法求解优化模型,对误差参数进行了实验辨识,通过辨识结果与实验所测的传动误差结果的对比与分析,进一步验证了本文所建立的空间机构精度模型的合理性与有效性。