关键词： 传动精度   轴线偏差   响应面模型   公差优化  

摘要： 齿轮传动具有传动比大,结构紧凑、效率高、承载能力大、传动平稳等优点,被广泛应用于各种机械设备和仪器仪表中。齿轮的传动精度是衡量一个传动系统优劣的重要特性,科技的发展对机械产品的精度提出了更高的要求。但由于变速箱箱体的加工误差及轴承装配误差等原因,齿轮轴不可避免产生轴线角度偏差,轴线偏差严重影响了齿轮的啮合特性。而通过控制公差可以约束误差的范围,从而保证一定的精度。因此,研究箱体形位公差、轴承装配公差等对齿轮轴线偏差的影响以及对传动精度的影响尤为重要。 本文主要研究齿轮箱制造与装配公差对渐开线斜齿轮传动精度的影响,建立了齿轮箱公差传递累积三维模型,得到各公差与齿轮轴线偏差的关系。进一步分别研究齿轮轴线偏差对空载与负载状态下的齿轮传动精度的影响。具体研究如下: (1)利用小位移旋量与跟踪局部坐标系,建立沿装配尺寸链的箱体形位公差、轴承装配公差累积传递模型,用不等式约束误差变动范围,利用齐次变换矩阵表达误差累积后的齿轮轴线偏差,结合蒙特卡洛法得到齿轮轴线偏差范围; (2)利用轮齿接触分析(TCA)技术对空载下斜齿轮接触状态进行分析,空载时可以忽略变形影响,将齿轮箱系统看作刚体,使用MATLAB软件进行编程计算,研究了齿轮轴线偏差对传动精度的影响。对齿轮箱制造装配公差进行敏感度分析,采用响应面法拟合传动精度对齿轮箱制造装配公差的响应模型来模拟复杂的真实响应模型。 (3)研究了渐开线斜齿轮齿面啮合时形成的接触椭圆,计算主曲率与主方向;使用ANSYS对负载状态下弹性齿轮接触状态进行仿真建模,研究了轴线偏差对齿轮传动精度的影响。采用响应面法拟合了负载下的传动精度响应模型,实现负载下齿轮系统传动精度的预测。 (4)基于上述研究,对齿轮箱在制造和装配过程中的公差进行优化。在保证传动精度不降低的前提下,提高齿轮箱制造的经济性。以齿轮箱公差特征的总加工成本为目标函数,公差取值范围和传动精度要求为约束,利用遗传算法实现了针对空载和负载工作状态下齿轮箱公差的优化设计。为齿轮箱公差的设计提供了参考。

关键词： 齿轮泵内泄漏   响应面法   结构优化   容积效率   流场分析  

摘要： 齿轮泵在液压系统中的应用十分广泛,其具有效率高、价格低、结构简单等优点,广泛应用于各类工程领域。在实际应用过程中,当齿轮泵转速较高时,泵入口油液进入不充分,会导致内部压力降低,造成齿轮泵的内泄漏问题,故研究齿轮泵的容积效率损失对其高压化发展具有重要作用。本文对容积效率影响因素进行理论分析,利用Pumplinx进行齿轮泵内部流场分析,对其内部流体速度分布及压力分布进行分析,以获得容积效率最小的齿轮泵结构为目标,并利用响应面优化法进行齿轮泵结构优化,并搭建实验台进行实验验证。 首先,介绍外啮合齿轮泵的结构及工作原理,从液体流动机理角度分析齿轮泵间隙流动规律,并对内泄漏机理进行理论分析,阐述内泄漏途径及其流量理论公式。根据齿轮泵物理模型建立其几何模型,并抽取流体域模型,对其内流场模型进行简化并进行数值模拟计算,分析齿轮旋转一个周期内泵体内流场压力和速度变化情况。 其次,根据齿轮泵进出口流道的压力及速度云图,对流道圆角处进行流场分析及结构改进。通过局部速度矢量分布图结合出口瞬时流量数据,分析结构参数(进出口圆角直径、端面间隙及径向间隙)对容积效率影响情况。以获得最高容积效率为目的,分析单个结构参数对容积效率的影响,确定单参数分析时结构参数的最优取值。 最后,依据响应面法优化理论,建立齿轮泵容积效率的响应面优化模型,对响应面模型进行分析,确定其模拟的有效性。利用Design-Expert进行响应面模型设计及优化结果拟合,分析多个参数对容积效率的交互影响,得到多参数分析下容积效率最优时的结构参数值。依据优化所得结构参数值建立内流场模型,与优化前模型结合,比较内泄漏情况,确定优化方法可行性。对优化后的齿轮泵进行样件试制及实验测试,验证仿真的正确性。 结果表明:利用响应面法优化所得最优结构参数为圆角直径9.395 mm,端面间隙0.047 mm,径向间隙0.062 mm,得到最优容积效率为94.66%。对比原始模型,优化后模型的容积效率提升了4.16%。通过实验验证分析可知,优化结果有效。

关键词： 行星齿轮箱   电流信号分析法   辛几何模态分解   故障诊断  

摘要： 行星齿轮箱具有结构紧凑、承载能力强、传动比高等特点,被广泛应用于各种工业领域。然而,由于行星齿轮箱的工作环境复杂,容易出现故障。为了避免这些故障可能导致的重大事故,需要对其进行状态监测和故障诊断。与传统的基于振动信号的故障诊断方法相比,电机电流信号分析法具有信号获取成本低,不易受环境和噪声影响等优势,已经逐渐应用于齿轮故障诊断中。但是在该方法中存在故障信息被电流基频及其谐波掩盖且故障频率以调制的形式出现的问题,因此提出了一种基于电流信号和辛几何模态分解的行星齿轮箱故障诊断方法。 为了解释齿轮故障在电流信号中的表现形式,通过机-磁-电相互作用分析,推导了稳态和变速工况下感应电机电流的信号模型。而且导出了稳态工况下电流信号模型的傅立叶频谱、包络谱和频率解调谱的具体表达式,总结了电流信号在频谱和解调谱中的故障特征。 提出了基于辛几何模态分解的电流信号处理方法,针对辛几何模态分解对电流信号的分解特点,提出新的时域参数幅值指标和改进频谱熵用于确定信号重构条件,实现信号基频及谐波分量的移除和齿轮故障信息的提取。并在Simulink环境中搭建了齿轮故障仿真模型,利用辛几何模态分解、经验模态分解和时移相加方法对故障仿真信号进行对比分析,验证了该方法的有效性。 搭建行星齿轮箱故障模拟实验台,进行太阳轮裂纹、点蚀和行星轮裂纹、磨损、点蚀、断齿故障实验,采集稳态和变速工况下故障行星轮和太阳轮的实验电流信号。通过对稳态工况下的正常和故障齿轮的实验电流进行时域和频域分析,发现在时域和频域中存在严重的基频遮掩问题。将辛几何模态分解处理采集到的实验电流信号,利用幅值指标和改进频谱熵重构分量,并对重构分量频谱分析,可以揭示故障特征信息。最后研究了在稳态工况下不同转速对行星齿轮箱故障诊断的影响。 为了实现能够在变速工况下完成行星齿轮箱的故障诊断,提出了基于辛几何模态分解和小波变换的非平稳信号特征提取方法,利用辛几何模态分解移除基频分量,再用小波变换时频分析。最后利用非平稳实验信号证明所提方法的有效性。

关键词： 仿真调用   有限元模型修正   高周疲劳可靠性分析   齿廓修形优化设计  

摘要： 航空发动机是飞机最重要的部件之一,它肩负着支持飞机航行的重要作用,在现代制造业中有着举足轻重的地位,高可靠性的航空发动机及齿轮传动系统有助于飞机稳定安全地飞行,维护乘客的生命财产安全。 本文以某航空发动机齿轮传动系统作为研究对象,运用ANSYS参数化设计编程语言(ANSYS parameter design language,APDL)建立了材料为17Cr Ni Mo6的齿轮参数化有限元模型;为在齿轮可靠性分析中融入不确定性,梳理了一套仿真调用策略;在获取了试验数据后,对齿轮进行有限元模型修正,采用响应面(Response surface method,RSM)、Kriging、高斯过程(Gaussian process,GP)三种典型代理模型代理有限元,并在代理模型精度不足时采用主动学习提升代理模型精度,然后通过粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)算法对齿轮有限元模型进行修正,得到了高精度有限元模型;最后提出一种结合准蒙特卡洛(Quasi-monte carlo,QMC)方法和梯度降速的改进PSO算法以提高修正效率与精度。 齿轮的疲劳失效是齿轮可靠性研究的重点,齿轮承载能力计算以及齿轮接触疲劳强度试验是齿轮可靠性研究的两个重要内容。基于此,本文在疲劳试验前后分别建立了两种极限状态函数(Limit state function,LSF)进行可靠性分析:(1)利用平均应力修正的寿命预测模型,结合黄金分割法对齿轮的接触疲劳极限应力进行评估,并融入到齿轮许用接触应力的计算中,然后采用蒙特卡洛方法对齿轮进行考虑尺寸、材料、工况不确定性的可靠性分析,最后与通过试验获得接触疲劳极限的可靠性分析结果进行对比验证。(2)利用S-N曲线建立了判据为疲劳寿命的极限状态函数,然后在有限元模型修正的基础上采用主动学习代理模型进行齿轮高周疲劳可靠性分析,最后对比了多种学习函数的效果。 通过对齿轮的齿顶齿廓修形参数进行计算完成初步修形,考虑到传统修形中忽略了修形曲线参数选取以及齿顶倒圆半径,于是基于这两个设计变量,采用一种组合加点策略避免了在优化设计中陷入局部最佳点,最终降低了齿面最大接触应力并改善传递误差。