关键词： 齿轮箱   弹性支撑   混流装配线   仿真优化  

摘要： 随着风电行业的快速发展，风力发电机的需求也在逐年增加，而具有减振降噪、结构相对简单、种类多样等特点的齿轮箱弹性支撑作为风力发电机的重要组成部分，其需求量也在不断增加。目前，大部分齿轮箱弹性支撑制造企业在生产齿轮箱弹性支撑时，仍倾向于依赖工人和简单的流水线，此种生产方式不仅自动化水平低，对工人的依赖较大，成本较高，而且装配效率较低，无法满足客户和市场的需求。因此，本文的研究目的在于设计一条能够满足多种不同类型的齿轮箱弹性支撑生产的混流装配线，并研发齿轮箱弹性支撑混流装配线制造系统，其包括齿轮箱弹性支撑混流装配线整体结构设计和方案优化、齿轮箱弹性支撑混流装配线多目标平衡优化研究、齿轮箱弹性支撑混流装配线多品种物料配送仿真优化研究和齿轮箱弹性支撑混流装配线集成系统研发。本文的主要研究如下：　　（1）根据对齿轮箱弹性支撑类零件的装配工艺流程分析，并针对企业当前产品的生产现状和实际生产需求，提出了一种能够满足多品种齿轮箱弹性支撑生产的总体方案，该方案包括齿轮箱弹性支撑混流装配线设计、仿真优化模型的建立以及物料配送方案的设计。　　（2）基于企业现有的机器设备以及齿轮箱弹性支撑混流装配线的三维模型，使用生产仿真软件PlantSimulation构建了齿轮箱弹性支撑混流装配线的仿真优化模型，并针对齿轮箱弹性支撑混流装配线多目标平衡问题，构建了以生产时间最短和总碳排放量最少为优化目标的双目标数学优化模型，并设计了一种改进的遗传-粒子群算法对模型进行求解，详细阐述了基于Pareto改进的遗传-粒子群算法的流程，最后进行实例验证，将标准遗传算法和本文设计的基于Pareto改进的遗传-粒子群算法分别求解得到的结果进行对比，验证本文所设计算法的可行性和有效性。　　（3）完成对齿轮箱弹性支撑混流装配线设计和齿轮箱弹性支撑混流装配线多目标平衡优化后，接着对齿轮箱弹性支撑混流装配线的物料配送进行优化。在已构建的齿轮箱弹性支撑混流装配线仿真模型的基础上，以车辆行驶总距离和配送小车的数量为优化目标构建了多目标数学优化模型，提出了一种柔性配送策略，并设计了一种遗传-模拟退火算法对模型进行求解，阐述了遗传算法对模拟退火算法改进的具体方法以及遗传-模拟退火算法的流程，最后进行实例验证，将遗传算法、模拟退火算法和本文设计的遗传-模拟退火算法分别求解得到的结果进行比较，验证本文所设计算法的有效性和优越性。　　（4）基于上述对齿轮箱弹性支撑混流装配线的研究，并结合企业的实际需求，设计PlantSimulation生产仿真界面，再联合Python、***、PlantSimulation、Matlab和VisualStudio等软件进行齿轮箱弹性支撑混流装配线集成系统开发，并结合实例详细阐述系统的功能。

关键词： 飞秒激光   面齿轮材料   电子态密度   表面形貌   表面粗糙度  

摘要： 面齿轮是机械传动系统的基本零部件,尤其在实现交错传动或空间相交传动,如机械、工程、航空航天等方面有大量应用。但面齿轮因硬度高、齿形复杂且精度要求高,加工难度很大。为突破国外封锁和机械加工瓶颈,本文采用飞秒激光进行面齿轮材料18Cr2Ni4WA烧蚀精加工,具体内容如下: 详细阐述了飞秒激光烧蚀面齿轮的机理、物理过程和基本双温方程。在飞秒激光烧蚀的极端高温条件下,考虑电子态密度效应（DOS）的影响,根据Fe与Ni在电子结构与化学性质上的相似,以及面齿轮材料18Cr2Ni4WA的特殊性,修正原低温情况下电子热容的线性表达式,并用于基本双温方程中。结合DOS效应对多种随电子温度变化的动态参数和激光热源的影响,建立了飞秒激光烧蚀面齿轮材料的DOS效应动能量传热模型。 基于飞秒激光烧蚀面齿轮材料的DOS效应动能量传热模型,用Matlab2016b进行不同脉宽和能量密度下电子温度和晶格温度变化曲线仿真,分析DOS效应对电子峰值温度、晶格峰值温度、电子温度变化、晶格温度变化和电子晶格平衡温度等的影响。仿真了晶格温度的时空变化和晶格剖面能量分布,研究了激光能量在晶格中的传播。在三个脉宽条件下进行实验,发现脉宽对烧蚀凹坑的直径与深度无明显影响,但显著改变了烧蚀凹坑的内部、边缘及四周表面形貌。改变激光能量密度进行实验,发现增大能量密度,烧蚀凹坑的直径与深度都有增加,材料去除量随之增加,但同时会增加凹坑内熔融物,对表面形貌有不利影响,实验结果显示在1.58 J/cm2综合效果较好。进行面齿轮材料线加工实验,激光能量密度对表面形貌和烧蚀沟槽宽度均有较大影响。 进行了面齿轮材料表面粗糙度研究,在Python3.11环境下选用支持向量机进行粗糙度数值预测。将83条实验数据序列划分为48组训练集和35组测试集。采用先优化参数再对比选择核函数的方法,确定了使用多项式核函数进行训练建模预测。使用训练好的SVR预测模型对测试集预测,预测数据点整体分布较好,预测结果均方误差MSE为0.0011,均方根误差RMSE为0.0328,平均绝对误差MAE为0.0253,平均绝对百分比误差MAPE为0.0992。对误差相较整体略大的六个序列做了分析,尤其是序列78的尖峰情况。该预测模型在粗糙度0.2μm-0.5μm区间有着最准确的表现,可以适应面齿轮材料精加工实际场景,为相关研究提供了有益参考。

关键词： 磁场调制齿轮   电控永磁   扭矩特性   磁齿轮损耗   磁齿轮温度场  

摘要： “离合器-齿轮”传动模块是目前技术成熟的动力传递控制模块,其中离合器用于控制动力的通断,齿轮用于动力的传递。但是由于其固有的机械特性,具有摩擦、磨损、噪音和适用局限性等缺点。因此,本文基于电控永磁技术和磁场调制齿轮传动原理,提出了一种新型的磁场可逆式电控永磁齿轮结构,无摩擦、免润滑,低噪音并且具备动力控制和变速传递功能。 首先,基于电控永磁技术和磁场调制原理,提出了磁场可逆式电控永磁齿轮结构,阐明了磁场可逆式电控永磁齿轮动力传递原理和状态可控原理,分析电控永磁齿轮内部磁场在不同工作状态下的谐波耦合关系,给出了电控永磁齿轮传动比和内外磁极对数的对应规律。 然后,通过二维全局解析法,建立磁场可逆式电控永磁齿轮各区域的磁场分布模型,得到转矩的数学解析模型,通过有限元方法验证了该模型的正确性,进一步定量分析了电控永磁齿轮不同状态下的转矩特性以及外环可逆磁体间隔角对转矩的影响。 构建了磁场可逆式电控永磁齿轮的温度场有限元模型,研究其在不同工作状态下的损耗特性,结果表明:磁场可逆式电控永磁齿轮内部涡流损耗占据主导作用,其中,永磁体区域涡损占比较大,调磁环和内外铁芯区域占比较小;在工作时固定环温度最低,内转子温度最高。 研制了磁场可逆式电控永磁齿轮样机,搭建了传动测试测试平台,测试了磁场可逆式电控永磁齿轮在动力传递和断开状态下的传动特性。试验结果显示:输出转速符合理论预测,能够实现动力通/断切换功能。

关键词： 刚柔耦合   行星齿轮   动力学仿真   齿轮修形  

摘要： 随着全球经济的飞速增长,起重设备已经变成了帮助人们减轻重体力、提升工作效率、实现机械智能化和确保生产安全的核心工具,并在多个行业中得到了广泛应用。而大吨位起重机用减速机作为一种起重机中的核心部件,其设计与制造水平直接影响到整个起重设备的性能及使用寿命。随着国内产品的种类逐渐增多,制造的品质也在持续提升,同时在产品生产过程中,物料的装卸和搬运成本所占的份额也在逐渐上升,从而对大吨位重载起重机的需求仍在持续增长。目前,在中国国内,重载起重机的大型提升减速机主要依赖于外国进口,并且价格相对较高。如果使用两个较小吨位的机型同时运行,这不仅会增加结构的复杂性,还会导致故障率和维护成本的增加。因此,本文研究设计出一种性能良好、安全可靠并且造价低廉的起重机用大型减速机具有非常重要的意义。 根据大型行星齿轮减速机工作要求,设计行星齿轮减速机齿轮传动系统方案;基于行星齿轮减速机的结构特点,对齿轮传动系统进行理论分析计算建立动力学微分方程,得出行星齿轮减速机的动力学模型,为后续的动态特性研究提供理论基础。根据设计方案最终得到的部件参数建立行星减速机的三维数字化模型。 通过多体动力学分析软件对行星减速机整机进行动力学仿真模拟。研究了各级每个齿轮的啮合力情况,在此基础上研究不同转速和扭矩下的齿轮副啮合力情况及运动平稳性。考虑行星减速机在变转速定负载作用下齿轮副运动及受力情况,查看齿轮副运动规律及受力情况并检验了其正确性,后面对行星减速机在定转速变负载作用下进行动力学仿真,得出减速机在工作过程中各零件所受到的实际作用力,验证了行星减速机数字化模型设计的合理性,为下文进行刚柔耦合仿真分析及齿轮修形提供依据。 研究刚柔耦合技术理论并基于刚柔耦合仿真技术,将齿轮副、行星架柔性化,创建了行星减速机的刚柔耦合仿真模型。对行星减速机进行了刚柔耦合仿真分析,研究了各级齿轮副和一级、二级行星架所受应力情况,根据前文研究结果,利用软件对各级行星轮进行修形,并对修形后的齿轮副齿轮应力情况进行验证,结果显示了修形设计的合理性。 根据仿真分析得出的结论制造了该行星齿轮减速机的样机,并对其性能进行了试验研究,搭建试验平台,分别进行跑合、传动效率及可靠性能试验。获取了转速、扭矩、温度、传动效率等数据,根据试验结果数据分析及零件产品观测验证了优化改进后的大型行星齿轮减速机的可靠性,也加快了产品推向市场的速度。

关键词： 星型齿轮传动   均载系数函数   误差   随机性   支撑刚度  

摘要： 定轴多分支功率分汇流齿轮传动系统具有结构紧凑、功率密度比大、承载能力强等诸多优势,相比于行星齿轮系统,其传动比范围更大、可靠性更高。星型齿轮系统作为一种典型的定轴多分支功率分汇流传动结构,在航空、航海等领域具有重要应用,但各构件不可避免的制造、安装误差以及构件弹性变形等因素引起的各传动分支载荷分配不均匀的问题,严重制约着该类齿轮传动系统的性能。因此,研究星型齿轮传动系统均载特性,分析误差等因素对系统均载特性的影响,对于理解其均载机理、提高系统的均载性能、设计均载实验方案和扩展功率分汇流传动系统在工程中的应用具有重要意义。本文以两级三分支外啮合星型齿轮增速传动系统为研究对象,从以下几个方面展开研究: (1)系统静力学均载特性分析。建立了系统的静力学等效分析模型,考虑齿轮制造、安装偏心误差和齿轮浮动影响,推导了考虑双联星轮传动轴扭转的变形协调条件,结合当量啮合误差原理和力矩平衡方程,获得了系统各分支均载系数关于误差及时间变量的函数表达式,即均载系数函数,由此可反映系统均载系数的变化规律,同时也消除了均载系数计算中潜在的截断误差。基于均载系数函数,定量分析系统均载对各误差的敏感性,并与一般的误差敏感性分析方法所得到的结论进行对比,验证了基于均载系数函数分析误差敏感性的正确性;随后,分析误差随机性对系统均载的影响。在均载系数函数的基础上,计算误差变量随机产生时系统均载系数的期望值,并分析了误差相位角随机时,系统均载对各误差的敏感性;最后,研究了齿轮径向支撑刚度变化对系统静力学均载系数的影响。 (2)系统动力学模型的建立及求解。考虑齿轮制造、安装偏心误差以及偏心质量引起的惯性离心力影响,并计入时变啮合刚度与啮合冲击激励,建立了星型齿轮系统的弯-扭-轴动力学模型,运用Newmarkβ法求解系统的动力学运动微分方程组。最后,通过采集星型齿轮系统的输出端振动加速度信号并与仿真结果进行对比,验证了动力学模型的正确性。 (3)系统动力学均载特性分析。基于星型齿轮系统的动力学模型,计算系统的动力学均载系数;分析齿轮的制造、安装偏心误差和径向支撑刚度对系统动力学均载系数的影响,并与相同误差条件下的静力学计算结果进行对比分析;最后,考虑到本文研究对象的高速工况特点,分析了中心轮陀螺效应对星型齿轮系统均载特性的影响。 (4)基于对星型齿轮系统的动静态均载特性分析,设计了相应的均载实验方案。首先,考虑到星型齿轮系统的传动结构特点,设计了基于星轮轴向振动特性分析系统均载特性的实验方案;其次,根据星型齿轮系统中心轮的浮动轨迹特点,又设计了基于中心轮浮动轨迹的均载实验方案,并通过仿真计算结果说明了上述实验方案的可行性。

关键词： 高速液压电机泵   内啮合齿轮泵   空心轴充液泵   吸油强化   齿圈倾覆  

摘要： 液压电机泵作为移动机械的新型动力源,正向高速化方向发展。内啮合齿轮型电机泵是将永磁电机、空心轴充液泵和内啮合齿轮泵等一体化集成的紧凑型电动液压动力单元。拓宽液压泵转速范围以适配永磁电机的高效区间,将大幅改善电机泵的功率密度、效率、噪声等性能指标。而吸油空化和摩擦副磨损是液压泵高速化面临的两大重要基础性课题。为此,本文开展了高速内啮合齿轮泵可视化试验、电机泵全流场仿真、齿轮副瞬态动力学仿真、齿轮副轴向微动测量实验、内啮合齿轮泵流固耦合联合仿真、内嵌微小热电偶测温实验和高速内啮合齿轮型电机泵样机性能分析,解决了电机泵的吸油问题,从微观层面揭示了惯性力、油膜压差、油介质温升等因素影响下齿圈的摩擦机理,为摩擦副的减摩设计提供了指导。主要研究工作如下: (1)内啮合齿轮泵的高转速自吸特性分析。设计了内啮合齿轮泵流场可视化试验,结合流场仿真,阐明了内啮合齿轮泵的高转速自吸特性。研究表明:转速越高,空化越剧烈;在压差作用下,齿间容腔中产生或带入的大部分气泡会重新融入到油液中,只有进入到排油腔的气泡会降低内啮合齿轮泵的有效输出流量;齿轮副长径比设计在0.23～0.33范围内、增加吸油口直径和数量都会改善内啮合齿轮泵的自吸性能,但仍有必要强化其吸油压力,抑制空化。 (2)空心轴充液泵的增压供液特性全流场解析。建立了空心轴充液泵内部压力预测数学模型和电机泵全流场仿真模型,优化了空心轴充液泵的结构参数,并分析了影响其增压供液性能的主要因素。结果表明:离心孔孔径、数量和空间角、运行转速、油液温度、液压泵的自吸能力以及电机泵辅油路间隙共同决定了空心轴充液泵的增压供液性能;离心孔8个,空间角45°,实度在0.36～0.42范围内的空心轴充液泵结构最优;6000rpm以内,转速越高,空心轴充液泵的增压效果越好,低速也不妨碍内啮合齿轮泵吸油。 (3)内啮合齿轮泵齿圈的微动行为仿真与实验验证。建立了齿轮副瞬态动力学仿真模型,搭建了齿圈轴向微动测量实验系统,研究了空载状态下齿圈的微动特性。发现:惯性力影响下,齿圈同时存在径向和轴向微动行为;转速越高,齿圈的径向微动量越大,而轴向的微动幅值会变小,但会偏向某一侧,增加了与侧板的接触频率;齿圈与偶件发生非持续性局部接触,出现接触、反弹和再次接触现象,反弹后接触位置发生变化。 (4)内啮合齿轮泵齿圈的倾覆行为联合仿真分析。建立了内啮合齿轮泵流固耦合联合仿真模型,计算了端面非等间隙下的油膜压力分布,分析了齿圈在油膜压差作用下的倾覆行为。研究表明:端面摩擦副间隙差越大,两侧的油膜压差也越大,高低压侧的压差也不相等;在该压差作用下,齿圈发生倾覆,使齿圈外圆与侧板发生局部线性接触;同时存在轴向移动和压形变,轮齿部位发生的局部凸起形变与侧板接触,且间隙差越大,接触面积越大。 (5)内啮合齿轮泵端面间隙油膜温度分布及齿圈热形变特性。搭建了内啮合齿轮泵端面间隙油膜温度分布原位测量系统,获得了内啮合齿轮泵端面间隙油膜温度分布特征,基于此计算了齿圈的热形变量。研究表明:端面间隙油膜的局部高温始终出现在齿圈轮辐位置;微观自由状态下,齿圈受热非规则膨胀,使齿圈处于倾斜状态;相同条件下,5000rpm比常规转速3000rpm的热形变量高出56.9%,热形变不可忽略。 (6)高速内啮合齿轮型电机泵样机性能分析。研制了高速内啮合齿轮型电机泵样机,并搭建了与同规格油泵电机组的性能对比试验台。测试结果表明:在空心轴充液泵的辅助下,6000rpm时较同规格内啮合齿轮泵样机和产品的充液率分别提高5.14%和6.06%,气穴噪声基本消除;内啮合齿轮泵摩擦副端面磨损主要发生在与齿轮副配合的高压侧泵体或侧板,摩擦面的磨损特点与仿真结果高度吻合,证实了齿圈的倾覆行为。