关键词： 锥齿轮机床   小位移旋量   误差传递模型   公差优化   装配精度可靠度  

摘要： 锥齿轮机床作为装备制造业中加工锥齿轮的设备,其主要由刀具箱、工件箱、床身、电气控制柜等组成。由于刀具箱中的主轴部件装配精度直接影响锥齿轮的加工质量,因此,本文主要围绕公差建模、装配误差传递规律和公差优化进行了研究。主要内容如下: (1)根据小位移旋量理论,将几何要素误差分解到六自由度方向,针对平面、圆柱面、轴线、圆锥面等几何误差,建立包括尺寸公差与几何公差的几何误差模型,并推导了误差模型中旋量参数的约束不等式与变动不等式。利用蒙特卡洛法求解误差分量的实际变动范围,并与变动不等式确定的理想变动范围进行了对比分析。采用响应面法建立实际变动区间范围与尺寸公差、几何公差间的函数关系,并用复相关系数检验拟合精度。重点以锥面和圆柱面为例,验证基于小位移旋量理论建模方法的加工经济性。 (2)基于几何要素误差模型,分析平面、圆柱面、圆锥面等常见配合形式的误差累积与传递规律,建立配合面误差传递模型。研究串联配合与并联配合的误差传递过程,分析平面与锥面并联的误差传递形式,并进行模型参数求解。以装配面为误差传递节点建立锥齿轮机床刀具主轴部件系统的装配误差传递模型,采用软件模拟求解刀盘在x、y、z三个方向的装配误差,并分析误差灵敏度;搭建点云扫描实验平台,验证装配误差传递模型及装配误差计算结果的正确性。 (3)结合机械可靠性理论建立装配精度可靠度评价指标,采用蒙特卡洛模拟法求解装配精度可靠度。以公差的最小加工成本为优化目标,装配精度可靠度和公差取值原则为约束条件,尺寸公差与几何公差为基本变量,建立刀具主轴部件系统的公差优化模型。并采用粒子群优化算法求解实现刀具主轴部件系统的公差优化。

摘要： 工业标本——写给电通创意广场周庆荣一它们属于经常被遗忘的那些内容。在时间里存在过，生动过，旋转着发出过创造者的声音。和这些创造者一起的，还有那些被称为工人的兄弟姐妹。锅炉红火时，他们的年华也在火红。车床把一块铁变得具体时，他们也省略了多余的梦想。

关键词： 人字齿轮   裂纹   点蚀   时变啮合刚度   振动特性  

摘要： 两级人字齿轮传动系统主要应用于大扭矩的发动机等齿轮传动系统中,然而由于不可避免的制造误差和安装误差以及恶劣的工作环境等因素,可能会发生齿轮裂纹、点蚀等影响齿轮系统的正常运行。因此需要对含裂纹-点蚀耦合的两级人字齿轮进行研究。研究内容如下: 建立了不同裂纹深度和点蚀影响程度在耦合作用影响下的人字齿轮副的弯曲刚度、剪切刚度、基体刚度、赫兹刚度和轴向压缩刚度的解析模型,采用积分法进行求解,研究了裂纹-点蚀耦合对人字齿轮时变啮合刚度的影响,并对健康和不同程度的裂纹-点蚀耦合故障下的时变啮合刚度计算结果进行了分析比较;采用有限元法,建立了四种不同程度等级的裂纹-点蚀耦合作用下的人字齿轮时变啮合刚度有限元计算模型,对模型进行了仿真分析并且和解析法进行了对比。 建立了两级人字齿轮弯扭轴摆耦合动力学模型,模型中包含裂纹-点蚀耦合时变啮合刚度,支撑刚度,扭转刚度和综合误差等因素,通过对模型的分析,建立并推导了考虑弯扭轴摆的48自由度两级人字齿轮传动系统微分方程。 将含裂纹-点蚀耦合失效的刚度作为激励代入一个48自由度的两级人字齿轮传动系统,得到了系统不同裂纹-点蚀耦合程度下的时域响应和频域响应,分析了各参数对系统的振动响应变化规律,并通过振动试验,测试了不同裂纹-点蚀耦合程度对系统时频响应特性的影响。 进行了含裂纹-点蚀耦合的两级人字齿轮传动系统振动测试试验,试验数据和理论数据进行了对比,趋势一致,较为合理的验证了本文所提出的基于裂纹-点蚀耦合时变啮合刚度的两级人字齿轮传动系统动力学模型建立方法及时频响应特性分析方法的正确性。 通过以上研究发现,可以得到裂纹-点蚀耦合影响下的系统时域响应特性存在按照啮合周期变化的冲击行为,且随着裂纹-点蚀耦合程度的不断增加,冲击行为越来越严重;裂纹-点蚀耦合影响下的系统加速度频域响应存在由于裂纹-点蚀引起的边频信号,特别是倍频附近会出现明显的边频信号,且随着裂纹-点蚀耦合程度的增加而增加,系统的振动稳定性变差。试验数据验证了理论方法的计算结果。

关键词： 航空发动机齿轮   不确定性表征   多保真度代理模型   可靠性优化设计  

摘要： 航空发动机齿轮作为航空发动机传动系统动力传递与驱动的关键零部件,其性能与可靠性将直接影响航空发动机传动系统的性能与安全,进而影响飞机的可靠性。传统基于经验公式的设计模型难以满足先进航空装备长寿命、高速、重载、高可靠性和轻量化的设计要求,同时航空发动机齿轮可靠性评估复杂、试验成本高昂等问题成为了高性能、高可靠性齿轮设计制造的难题。因此如何高效地对齿轮的各项参数进行可靠性优化设计是保证航空发动机传动系统低噪声、高性能和高可靠度的关键。本论文从代理模型、非概率可靠性分析方法和可靠性优化设计三个方面开展研究,通过综合考虑齿轮运行过程中存在的多源不确定性混合的数据特征,联合证据理论、主动学习方法和多保真度代理模型,解决混合不确定性条件下可靠性优化设计多层嵌套而导致的计算困难,分析效率低下的问题,建立高效的航空发动机齿轮可靠性优化设计方法,主要研究内容与成果如下: (1)联合多保真度代理模型的航空发动机齿轮可靠性分析方法。结合齿轮试验工况,使用MATLAB联合ANSYS APDL建立高保真度有限元仿真模型,并融合高保真度模型和低保真度模型的信息,建立航空发动机齿轮的多保真度代理模型,平衡可靠性分析过程中有限元建模成本与代理模型精度之间的关系。接着联合改进的单循环主动学习框架,建立基于多保真度代理模型的主动学习可靠性分析方法,结合多高低保真度模型信息,提出改进学习函数,进一步提升了代理效率。 (2)航空发动机齿轮传动系统的不确定性表征与灵敏度分析。综合考虑航空发动机齿轮传动系统输入与可靠性输出之间的不确定性关系,建立基于主动学习的非概率可靠性分析框架,同时增加了一个新的收敛判定准则,以解决代理过程中的过收敛问题并计算齿轮失效概率上下界。在此基础上,分别建立基于失效概率上界、方差分解与失效概率上下界的灵敏度指标,完成航空发动机齿轮传动系统的灵敏度分析。 (3)航空发动机齿轮可靠性优化设计。提出了改进的联合主动学习的非概率可靠性分析框架,将试验设计思想与区间分析相结合,提出了细分区间个数指标,通过基于代理模型的非概率可靠性分析框架与区间细分法,建立具有全局精度的可靠性分析模型,将可靠性分析从双循环中解耦出来,并结合多保真度代理模型进一步提升代理有限元效率,最终实现了高效的航空发动机齿轮可靠性优化设计。

关键词： POM齿轮   摩擦磨损   双滚子   P-V值  

摘要： 塑料齿轮因其重量轻、噪音小、成本低和自润滑特性,在微型传动领域（如智能手机、汽车和智能家居等）得到广泛应用。然而,塑料齿轮在服役过程中,其力学性能受到温度变化的影响,运行温度升高会直接导致材料弹性模量降低,这使得原本针对金属齿轮的失效规律和评估标准难以完全适用于塑料齿轮的失效预测。此外,塑料齿轮在动力传输和运动传输过程中,也会受到齿形精度不足、齿轮副安装间隙、齿面磨损等,这些都对齿轮传动领域的研究,特别是对其失效形式和规律的研究带来了很大的干扰。鉴于上述的问题,本研究提出了一种新的研究方法,即通过双滚子试验模拟齿轮啮合时的线接触状态,形成一种新的塑料齿轮材料接触磨损测试方法,开展考虑不同接触载荷、滑动速度下塑料齿轮材料磨损失效规律、机理的研究。 本文具体开展内容如下: （1）推导设计了POM双滚子摩擦副试验工况计算方法。基于齿轮箱内某齿轮副传动工况为试验计算基础,通过赫兹接触应力与塑料齿轮强度设计公式推导摩擦副接触载荷大小,齿轮副滑移率计算公式确定POM摩擦副滑差率大小,推导了双滚子摩擦副试验工况计算方法。 （2）搭建基于热力耦合的POM摩擦副接触挤压应力模型,分析接触载荷、运行温度对POM摩擦副接触应力的影响。基于POM齿轮热弹塑性本构方程搭建了POM摩擦副接触模型,分析了接触载荷与轮廓形状对POM摩擦副接触应力影响以及摩擦副表面接触应力分布特征,考虑温度-弹性模量效应,构建了POM摩擦副热力耦合接触强度应力模型,分析了运行温度对接触应力大小的影响。 （3）开展了塑料齿轮磨损试验研究。基于CQHH–RCF–A型线性滚动接触疲劳试验机开展干接触下POM摩擦副磨损试验,通过线结构激光传感器记录了POM摩擦副磨损高度变化以及表面磨损形貌演变过程,绘制了POM摩擦副表面高度变化曲线,通过显微镜和扫描电镜表征了POM摩擦副磨损形式。 （4）开展了工况条件对POM材料磨损程度影响研究。以滑动速度、接触载荷为研究变量,设计多组单因素变量与正交试验,通过磨损量研究了接触载荷、相对滑动速度对POM材料磨损程度的影响规律。 主要得出以下结论: （1）滑动速度对POM材料磨损程度的影响是大于接触载荷对其磨损程度的影响。在试验工况F·V=45.62 N·m/s下时,主试件转速为550 r/min,循环次数为5×10～4,当接触载荷为160 N,滑差率为12%时,其磨损量为0.019 g;而在接触载荷为80N,滑差率为24%,其磨损量为0.105 g,磨损量增加了约4.5倍,磨损程度加剧。 （2）在低滑动速度时,POM材料磨损随着滑动速度的增大而缓慢增加,而在高滑动速度下,POM材料的磨损对滑动速率敏感,磨损程度随着滑动速度的增大而快速加剧,接触载荷对POM材料磨损程度的影响与滑动速度对该材料的影响程度有相似的规律。在接触载荷为220N时,滑差率为8%和12%时,试样单位长度磨损量分别为1.6×10-5g/m、3.5×10-5 g/m;而在滑差率为16%时,摩擦副单位长度磨损量为15.0×10-5g/m,随着滑差率的持续增大,在滑差率为24%时,摩擦副运行寿命还未达到50000次就已经因为磨损过度而失效。 （3）POM材料磨损程度随着运行温度的增加而加剧。在相同工况条件下,通过调节冷风枪位置控制POM摩擦副磨损时表面温度,试验发现,在1×10～5循环次数下,最大运行温度在56-57℃,其磨损量为0.318 g,最大运行温度在70-71℃,其磨损量0.483 g,磨损量增加了约51.9%。

关键词： 聚类集成   三支聚类   故障检测   博弈论粗糙集  

摘要： 齿轮作为机械传动系统的核心组件,在现代工业中扮演着至关重要的角色。齿轮故障会导致系统性能下降甚至严重损坏。因此,及时准确地检测齿轮故障对于机械系统的维护和保养有着重要意义。齿轮故障检测旨在通过监测齿轮传动系统的振动、声音、温度等信号,分析其特征,进而判断齿轮是否存在损坏或潜在的故障。现有基于振动分析的方法在检测齿轮故障时面临环境复杂、数据缺失和特征提取困难等挑战,这些挑战会影响齿轮故障检测的准确性和稳定性,限制其在实际应用中的效果。 本文以信号处理方法和聚类集成的相关理论为基础,以齿轮为研究对象,开展基于聚类集成关键技术的齿轮故障检测方法研究,主要针对齿轮数据集包含缺失值的情况,着重从复杂数据处理和不完整信息处理等方面展开无监督方法的齿轮故障检测研究。本文的主要内容如下。 (1)对现有不同类型齿轮故障、主要振动处理方法进行总结,进而探究使用聚类集成方法解决齿轮故障的可行性,得出聚类集成作为一种无监督学习方法,可以作为齿轮故障检测的一种有效的手段。为后文提出基于博弈论粗糙集的三支聚类集成方法解决齿轮故障打下基础。 (2)基于对齿轮故障机理的分析,针对齿轮的数字信号,本文提出了一种基于博弈论粗糙集的三支聚类集成方法。该方法旨在应对数据聚类中的数据特征不确定性和数据缺失的问题。为解决传统聚类方法使用双向决策的单一集合表示簇存在不确定性的问题,引入三支决策的概念——首先,使用三个区域表示一个簇;其次,基于博弈论和粗糙集理论,提出了博弈论粗糙集的三支聚类框架;然后,多次运行三支聚类形成多个不同聚类结果;最后将聚类结果用不同集成方法进行集成,选择适合的集成方法,使得检测效果更佳、结果更稳定。这样处理数据不确定性和缺失值的方法更加全面和灵活,并且能够通过集成得到更鲁棒的聚类结果。 (3)探索并将基于博弈论粗糙集的三支聚类集成方法应用于齿轮故障检测,以提高其准确性和可靠性,对齿轮的振动信号转化、特征提取,并进行了完整的故障检测实验。与传统方法相比,该方法将博弈论理念和粗糙集结合,突出了在小波包基选择和分解参数确定方面的独特之处,例如自由选择分解层数等,在处理多样性工作环境、多样性故障模式和大规模数据时表现出优势。实验表明,基于博弈论粗糙集的三支聚类集成方法在提高齿轮故障检测准确性和通用性方面有着卓越性。 本文基于齿轮的故障原理,深入探讨在齿轮出现缺损、断齿、齿轮裂纹等情况下检测的复杂性,提出了基于聚类集成关键技术的齿轮故障检测方法以处理该种情况下含有缺失值的大规模齿轮数据集,并在不同转速-负载工作状况下对齿轮故障检测方法进行对比。得出针对不同齿轮数据集,实验结果均在在缺失值所占百分比越低时,精确度越高,小波函数和分解层数则需要根据具体的数据集进行调整,验证了本文方法在处理缺失值和大规模数据集中的优越性,提高了齿轮故障检测的准确性和通用性,为齿轮故障检测提供了一种新型解决方法。