关键词： 齿面剥落故障   时变啮合刚度   动力学特性   寿命预测   ARIMA  

摘要： 齿轮作为大型机械装备的重要组成部分,满足在重载工况下传递转扭矩和转速的要求,其动态服役性能决定设备运行的可靠性与安全性。重载会导致齿轮传动系统产生较大的应力和摩擦,导致齿轮表面剥落,降低齿轮的传动效率,并且导致噪音和振动增加。此外,齿轮的剥落还会加速齿轮的磨损,缩短齿轮的使用寿命。因此,开展剥落故障对重载工况下齿轮传动系统影响的研究工作,分析含剥落故障的齿轮副啮合特性,建立动力学模型分析齿轮传动系统的振动特性,使用齿轮实验台实测振动信号验证仿真模型,并对故障齿轮寿命预测方法进行研究,对指导齿轮传动系统的设计具有重要意义。具体内容如下: (1)含剥落故障的直齿轮副啮合特性分析。分析故障形式和齿轮受力情况,根据故障对刚度的影响机制,基于势能法建立外啮合直齿轮副时变啮合刚度模型,建立考虑剥落故障的直齿轮副时变啮合刚度模型,分析剥落尺寸变化与变位系数、齿宽、传动比、剥落起始点位置的压力角变化对时变啮合刚度变化规律的影响。 (2)考虑含剥落故障的齿轮副动力学特性分析。基于集中质量法建立考虑剥落故障的齿轮动力学模型,通过数值分析方法进行仿真模拟,分析重载工况及不同剥落尺寸下齿轮系统的动态特性。 (3)实验验证及数据处理。搭建齿轮模拟实验台,预置剥落故障形貌,设计实验方案,采集实测振动信号。通过GJO优化算法进行参数寻优,使用GJO-VMD对实验信号进行处理,提高了数据的信噪比,验证了动力学模型的准确性。 (4)故障齿轮寿命预测方法研究。获取剥落故障齿轮退化数据,提取齿轮故障特征,构建故障特征和健康指标之间的参数关系,对时间序列进行平稳性检验和白噪声检验,对非平稳时间序列进行平稳处理后进行参数寻优,应用ARIMA时间序列模型对剥落故障齿轮进行寿命预测,实现了较高精度的寿命预测。

关键词： 螺旋锥齿轮铣齿机   主轴系统   有限元动力学   切削力   工艺参数  

摘要： 螺旋锥齿轮铣齿机主轴系统是加工螺旋锥齿轮的关键部件。螺旋锥齿轮的齿面质量和加工效率受到铣齿机床主轴系统动态特性以及工艺参数的影响。当前关于主轴系统动态特性的研究大多集中于通用的铣床或车床上,对于螺旋锥齿轮铣齿机床主轴系统动态特性的研究较少。同时当前对于工艺参数的选择常采用经验或者参考手册来选取工艺参数,而对于加工过程或齿面质量合理性的判断则是通过工人观察的方式来进行的,这样的选择或判断有时会导致不能充分发挥铣齿机的性能而造成浪费、加速铣刀盘的磨损或引起刀具与工件之间的剧烈振动。 针对以上问题,本文通过研究铣齿切削过程中工艺参数变化导致激励的不同以及主轴系统的动态响应情况,以此来研究工艺参数与铣齿机主轴系统动态特性的匹配性。根据有限元动力学理论与Timoshenko梁理论,本文建立了铣齿机主轴系统动力学数值模型,在此基础上对系统进行了谐响应和瞬态响应分析。由于切削力是铣齿过程中最主要的激励来源,因此本文建立了加工小轮时的理论切削力模型,并分析了工艺参数变化对切削力的影响。同时通过仿真切削软件AdvantEdge FEM计算了不同工艺参数下的切削力,并对其切削力的频率成分进行了分析。基于切削力计算以及动态响应结果,选择了两组工艺参数进行了相应的实验,得到了最优参数并验证了其与主轴系统的匹配效果。 通过本文的研究,实现了铣齿切削过程中主轴系统动态特性的建模与分析,根据主轴系统的动态响应来选择合适的工艺参数将极大地提高工艺参数选择的效率同时也充分发挥了铣齿机的性能。本文的研究对于调整螺旋锥齿轮铣齿加工工艺参数、对某种工艺参数下的机床主轴系统状态进行准确判断以及调整铣齿机主轴系统结构参数提供了更为便捷的方式。

关键词： 椭圆齿轮   齿面方程   轻量化   动态特性   传动试验  

摘要： 椭圆齿轮作为一种特种齿轮,具有变速传动、结构紧凑和承载能力强等特点,在石油机械、煤矿机械、汽车、仿生机器人和工业母机等领域均有应用。然而,由于椭圆齿轮的偏心特点,在动力传递过程中的力学性能较差,限制了其推广应用。因此,进行齿轮结构优化获得更高效、更可靠的齿轮传动系统,是当今研究的迫切需求。 本课题聚焦于提升椭圆齿轮传动性能,采用理论推导、仿真模拟、数值计算和试验验证的研究方式,从轻量化设计角度对椭圆齿轮动态特性优化进行了系统性的研究。主要研究内容如下: (1)针对椭圆齿轮的结构特点,从节曲线设计入手,推导凹凸性、传动压力角和轮齿根切等约束下结构设计参数的判定条件,并对不同偏心率下齿轮运动学参数进行数值求解。其次,基于齿轮啮合原理和插齿加工理论建立精确齿面方程,利用齿面重构技术获取数字化模型,为后续轻量化设计奠定基础。 (2)针对椭圆齿轮结构中存在的动不平衡问题,综合考虑动态固有频率和不同轮齿处的应力工况,在多目标拓扑优化方法的基础上,引入折衷规划法建立多目标优化数学模型,通过对轮辐结构拓扑优化实现材料的最佳分配。其次,对轮辐结构厚度进行尺寸优化,确立轻量化模型。最后,基于有限元法,分析三种特殊啮合位置下(向径最大处、重合度最大处和向径最小处)不同轻量化设计对结构应力分布的影响,验证轻量化设计的合理性。 (3)基于非线性动力学和粘弹性理论,在考虑齿轮偏心和系统内外部激励的基础上推导了弯扭耦合作用下的动力学方程,对系统的时变啮合刚度、综合传递误差以及时变齿侧间隙等参数进行精确求解。在时域、频域和Poincaré截面等方面,对系统不同减重方式下的动态特性进行分析。结果表明:转动惯量与振幅正相关,同时质心位置更靠近转动中心系统传动更平稳,说明在轻量化设计中应将降低齿轮偏心和结构转动惯量作为重点。 (4)搭建椭圆齿轮传动试验平台,分析轻量化对齿轮动态特性的影响,对齿轮传动系统的振动特性进行分析。结果表明:轻量化设计的减振效果随转速的增加而呈现出递增的趋势,说明本文轻量化设计方法有助于提升椭圆齿轮高转速下的动力学性能。 上述研究为从结构优化角度来改善椭圆齿轮动态特性提供了有效方法,为拓展这类齿轮的工业应用提供了新的设计思路。

关键词： 风电齿轮箱   动态响应   时变啮合刚度   故障分析  

摘要： 风电齿轮箱作为风力发电机传动系统的核心部分,其服役状态将严重影响整机工作效率。目前风力发电机大多位于海边、高山等偏远地区,服役环境恶劣,因此更容易出现裂纹、剥落、磨损等典型齿轮故障,导致严重损失。为了准确分析风电齿轮箱传动系统的故障状态下的动态特性,本文以1.5MW风电齿轮箱传动系统为研究对象建立动力学模型,探究系统动态响应。分析齿轮典型故障对系统动态特性的影响,针对故障数据建立风电齿轮箱系统故障分析系统,为风电齿轮箱优化设计和故障预测提供理论支撑。 本文基于风电齿轮箱传动系统的工作原理,考虑系统齿轮刚度、轴承刚度、轴刚度及啮合误差等主要激励的影响,建立了风电齿轮箱系统平移-扭转动力学模型,求解了系统的固有频率。基于齿轮弹性啮合机理以势能法分别建立了行星级和平行级两种不同啮合方式的刚度计算模型,结合国家标准刚度求解公式和有限元法验证理论计算模型误差为3.42%和8.26%。对系统各时变内、外部激励进行求解,并代入到动力学方程中以分析时变参数对系统动态特性的影响。 以风电齿轮箱中太阳轮为研究对象,综合考虑齿根裂纹、齿顶剥落及齿面磨损等三种典型齿轮故障对太阳轮-行星轮时变啮合刚度的影响,其中断齿故障时刚度降低了67.6%。分别求解了三种故障不同程度损伤情况下对应时变刚度的系统动态响应,并以均方根值、峰值等5个动态响应特征参数增量百分比来描述不同故障下刚度激励与系统动态响应之间的映射关系。 以1.5MW风电齿轮箱为样机建立传动系统三维模型并结合动力学仿真软件对该齿轮箱动态响应进行仿真分析。依据第3章求解的系统内、外部激励参数对仿真环境进行设置,分析比较行星级、中速级和高速级各部件的动态响应。对1.5MW风电齿轮箱系统进行室外测试实验,采集自然工况下风电齿轮箱输入端和输出端的振动信号,通过FFT对其进行时、频域分析,其中高频信号多为高速级啮合频率及其倍频。对比仿真和实验的理论模型相对误差分别为1.36%和4.6%,验证模型准确性。 以第2章系统动力学模型为理论基础,通过MATLAB设计风电齿轮箱故障分析系统。通过设置齿轮箱构件参数和齿轮故障参数,建立系统动态响应参数与故障类型及程度之间的映射关系,为风电齿轮箱优化设计及后续故障预测系统奠定基础。

关键词： 人字齿行星齿轮传动系统   复合故障   振动特性   流形学习   ADAMS  

摘要： 人字齿行星齿轮传动系统(HPGT)常作为许多大型机械传动的核心部件,如风力发电设备的增速箱、GTF航空发动机减速系统和重型车辆的传动系统等,在整个机械运作中扮演至关重要的角色。由于其长期工作在恶劣的环境下,内部激励复杂多变,所以很容易发生故障,其中人字齿轮的断齿、裂纹和点蚀是最常见的也是最容易出现的故障。对于断齿和点蚀故障,其不仅会单独发生而且常常会同时发生导致断齿-点蚀复合故障的出现,若不能及时判断出故障形式并进行停机维护和检修,很容易造成整个系统的失效,甚至对生产安全带来不可挽回的经济损失和人员伤亡。本文以存在单故障和复合故障的人字齿轮为研究对象,对故障出现在太阳轮和行星轮上的不同情况进行振动特性分析,后续利用流形学习方法(LE)进行数据降维从而能够发现故障中的潜在特征,并以此分析了复合故障和单故障之间的关联特性,通过总结故障特征进而对故障诊断研究提出指导意见,主要研究内容如下: (1)针对以往齿轮故障研究主要聚焦于直齿轮和斜齿轮且多数只考虑一种故障类型的局限,本课题以一级人字齿行星齿轮传动系统为研究对象,根据实际参数联合KISSsoft和Solid Works进行了系统建模,并在人字齿轮上模拟出齿轮常出现的不同程度下的断齿、裂纹和点蚀单故障以及断齿-点蚀复合故障,对人字齿轮行星传动系统的故障振动特性进行了全面而深入的研究,通过建模和虚拟仿真分析,深入揭示了人字齿轮在行星传动系统中的独特故障特性,结果为系统的故障诊断研究和优化设计提供了重要的理论依据。 (2)为揭示齿轮故障发生在不同位置,以及不同类型的故障对系统所产生的不同振动特性,本文的研究不再局限于太阳轮或行星轮的单故障情况,而是全面考虑了故障可能出现在太阳轮和行星轮上以及不同故障的多种情形,通过对比分析不同位置和不同类型的齿轮故障对系统性能的影响,发现不论是同种故障出现在不同的齿轮上,还是在同一种齿轮上出现的不同故障类型,对系统产生的影响均具有一定差异。同时根据其特性分析可以发现太阳轮对于故障所造成的不对称性有着较高的敏感度,如果发生了对称形式的故障甚至能掩饰故障的严重程度,这些结果可以用于行星传动系统齿轮故障的精确定位和识别和针对系统的稳定性设计研究。 (3)为解决人字齿轮复合故障研究相对匮乏的问题,且复合故障相比单一故障具有更加复杂的振动特性且难以准确判断等问题,研究以齿轮中最常见的断齿和点蚀这两种故障为例,建立了复合故障模型并深入分析其对系统的振动影响。同时运用MATLAB编程实现了流形学习方法(LE),并对3种断齿单故障和断齿-点蚀复合故障之间的关联特性进行了深入研究,探讨了两者之间的关联程度随故障程度加深的变化规律,发现故障的加深会使故障特征圆变小即故障特征逐渐明显,并且断齿单故障的特征往往包含了复合故障特征,这代表着当断齿故障发生时系统往往出现了复合故障,这一现象在太阳轮发生故障时尤为明显,研究结果为故障识别提供了更加全面和深入的视角,对于潜在故障的诊断提供了新的方法。

关键词： 复式行星齿轮系统   动力学模型   多重复合故障   振动信号特征提取   故障识别  

摘要： 复式行星齿轮系统相较于传统行星齿轮系统,其结构紧凑、传动效率高且能实现更大的传动比,因此在大型能源开发和运输装备中被广泛应用,是风力发电、海洋工程、船舶等传动系统变速换挡的核心部件。但由于其结构的特殊性导致各齿轮间具有较高的啮合频率,因此不仅加剧了齿轮磨损,促使齿面损伤形成齿面点蚀、胶合等失效形式,而且齿轮与其他零部件产生共振导致复式行星齿轮系统振动加剧,噪音更明显。复式行星齿轮系统内零部件的单一故障可能会引发其他部位和类型的故障,即多重复合故障。与单一故障相比,多重复合故障的特征相互干扰,诊断更为复杂。因此本文针对复式行星齿轮系统的上述问题展开了以下研究: (1)首先,搭建了健康齿轮与不同程度点蚀太阳轮、不同程度胶合内行星轮、不同程度太阳轮及内行星轮多重复合故障的时变啮合刚度模型,得出时变啮合刚度随啮合角位移的变化值。其次,建立了复式行星齿轮系统太阳轮点蚀及内行星轮胶合的多重复合故障动力学模型,通过代入时变啮合刚度结果分析了不同程度内行星轮胶合、不同程度太阳轮点蚀、不同程度太阳轮及内行星轮多重复合故障齿轮对传动系统动力学特性的影响,为复式行星齿轮系统实际运行状态监测奠定了坚实的理论基础。 (2)介绍了同步压缩短时傅里叶变换和多点最优最小熵解卷积算法理论,并提出一种基于改进的多点最优最小熵解卷积算法的振动信号特征频率识别方法。对试验中采集的健康、单故障及多重复合故障下复式行星齿轮系统的振动信号,利用频谱分析验证了动力学模型求解结果,并将提出的基于猎食者优化的多点最优最小熵解卷积算法和同步压缩短时傅里叶变换方法用于复式行星齿轮系统多重复合故障的特征提取,验证了改进算法的有效性及准确性。 (3)提出了一种基于蜘蛛蜂优化极端梯度提升树模型,并将其应用于复式行星齿轮系统多重复合故障诊断中。首先,通过改进的多点最优最小熵解卷积算法提取齿轮故障特征信息,基于故障特征构造特征向量。引入蜘蛛蜂算法对极端梯度提升树算法中三个超参数进行优化,使其具有较强的齿轮故障识别能力,同时与极端梯度提升树算法及优化的支持向量机两种分类方法比较,数据结果表明,改进后的极端梯度提升树模型相较于其他两种模型分类识别准确率分别提高了9.05%、5.66%。

关键词： 金属-聚合物齿轮   摩擦磨损   啮合分析   热-力耦合   齿廓修形  

摘要： 聚合物齿轮在过去二十年内经历了迅速发展并得到广泛使用。聚合物齿轮有着重量轻、加工容易、自润滑等独特优势,与金属齿轮进行啮合时则能够结合金属齿轮可靠性好的优势满足特殊传动的需求。然而,当前对金属-聚合物齿轮啮合的研究尚不充分,仍需进一步研究在啮合过程中导致齿轮失效的影响因素。鉴于聚合物材料硬度相对较软、热敏性强,进行金属-聚合物齿轮副啮合特性研究时,应将啮合系统内由相对摩擦运动产生的摩擦热对啮合性能的影响考虑在内。 本文以国内某公司自动化工业机械臂关节中的45钢-聚甲醛齿轮副为研究对象,其中45钢齿轮作为主动轮,聚甲醛齿轮作为从动轮,从齿轮面间主要发生的滑动摩擦行为角度出发,对研究材料进行摩擦磨损实验,将齿轮副进行瞬态动力学与热-力耦合场有限元分析,研究内容对于企业应用此类齿轮副具有指导意义,并且对于相关齿轮副的设计同样具有参考意义,具体如下: 1.使用45钢和聚甲醛材料加工出销-盘摩擦副的上、下试件,并在摩擦磨损试验机上进行旋转摩擦实验,通过改变摩擦副的法向载荷及电机旋转速度进行了多组变量实验,得到了对应工况下的摩擦系数变化曲线,并且分析了法向载荷和电机转速对摩擦系数的影响规律。使用激光共聚焦显微镜对聚甲醛试样销摩擦面的微观形貌进行观察,提出了不同硬度材料接触的亚表面模型,进一步从微观形貌方面分析了载荷、转速对齿轮副材料摩擦学性能的影响。根据摩擦系数随时间变化曲线,推测出在各摩擦过程的摩擦机理,分析了载荷和转速对摩擦性能的影响。 2.使用Solidworks建立45钢和聚甲醛直齿轮三维几何模型,并将模型导入ANSYS Workbench有限元分析软件中,定义材料属性及边界约束条件后,对齿轮副开展了瞬态动力学的仿真分析。讨论了聚甲醛从动轮在施加不同负载转矩时齿轮副的最大等效应力和等效应变的分布,以及针对模拟不同润滑状态变摩擦系数情况下的最大等效应力分布。 3.介绍了齿轮副在啮合过程中摩擦热的产生与影响,齿轮副在啮合时会同时受到接触应力和摩擦热的影响,且两者又互相作用于对方。因此利用Workbench中的耦合场瞬态模块对齿轮副进行热-力耦合场分析,将耦合场计算结果与同条件下结构场计算结果进行对比,分析热影响下的聚甲醛齿轮在啮合过程中最大等效应力和应变的差异性。 4.根据有限元对比分析的结果,提出了一种对主、从动轮齿顶部分同时修形的齿廓形状改进方法。通过研究聚合物齿轮的啮合特性,揭示了齿顶修形对啮入和啮出的性能影响,并将修形过后的齿轮副模型在结构场和耦合场中的分析结果与未修形的进行对比,证明了此修形方法的可行性。

关键词： 风电齿轮箱   可控型磁齿轮箱   磁场调制   优化设计   有限元分析   RBF神经网络   粒子群算法   半直驱风电机组   双馈型风电机组  

摘要： 风电齿轮箱是半直驱型、双馈型风力发电系统进行功率传递的关键设备之一。但传统机械齿轮箱故障率高,需要复杂润滑注油系统,运维成本高,且不可控,制约了风电发展。为此,本课题组提出了一种以同轴磁齿轮结构为基础的可控型磁齿轮箱,既具有传统磁齿轮无机械接触、过载保护等优点,同时具备电气端口,能够对磁齿轮转子进行控制,辅助实现风电机组的低风速启动,而且可在高风速情况下将风轮捕获的多余功率进行抽取,增加单台机组发电量。本文对可控型磁齿轮箱的运行原理、结构设计、优化设计、运行特性、运行控制等方面进行探索研究。主要工作如下: 第一,利用磁场调制理论对传统同轴磁齿轮磁场调制原理进行分析;根据可控型磁齿轮箱结构与工作原理,对所提可控型磁齿轮箱的双磁场调制过程进行研究,通过ANSYS/Maxwell有限元软件进行仿真验证,证明双调磁结构的可控型磁齿轮转子气隙磁密相较于单调磁结构磁齿轮能够得到有效提升。同时对应用可控型磁齿轮箱的风力发电机组运行状态进行分析,结果表明,所提可控型磁齿轮箱能够显著增加单台风电机组发电量。 第二,对可控型磁齿轮箱进行初步设计。确定所设计的可控型磁齿轮箱技术性能指标,包括额定功率、传动比、电功率等,据此探究可控型磁齿轮箱内外转子极对数选取一般原则,对可控型磁齿轮箱定子电气端口进行设计,探究内外转子磁极排列方式对可控型磁齿轮箱性能的影响,并确定一组满足技术要求的初始参数。 第三,对所设计的可控型磁齿轮箱进行结构参数优化。采用分步优化方式,探究可控型磁齿轮箱性能指标与转子永磁体径向厚度的非线性关系,采用线性加权和法选取用于结构参数优化的基准值;对可控型磁齿轮箱结构参数进行灵敏度分析,提出一种最优拉丁超立方-RBF神经网络-粒子群优化(OLHS-RBFNN-PSO)方法,对可控型磁齿轮箱结构参数进行多目标优化,通过有限元仿真验证优化结果的合理性与有效性,仿真结果表明,可控型磁齿轮箱运行性能得到明显提升。 第四,建立可控型磁齿轮箱双转子结构数学模型,采用零d轴电流矢量控制策略对可控型磁齿轮箱进行控制,利用MATLAB/Simulink搭建可控型磁齿轮箱仿真模型,研究不同风速情况下可控型齿轮箱内外转子运行特性。仿真结果表明,能够实现对可控型磁齿轮箱的有效控制。