关键词： 平面螺旋齿线圆柱齿轮   参数化建模   旋转刀盘   快速成型   抗偏载  

摘要： 齿轮传动在整个机械领域内是最常见的传动机构,是各类装置机床的重要传动结构,更是衡量现代工业化进程的标准,其于航天、汽车、制造、采矿行业中起着举足轻重的作用。常见的圆柱齿轮主要有直线形、斜线形、人字形、弧线形等几种主要齿线,前三者均属于直线齿线。近年来,随着曲线齿线圆柱齿轮的研究愈发成熟,学者们重点提出了圆弧齿线齿轮的概念。相对于传统直线齿轮而言,弧齿轮的承载能力与传动性能都有显著的提升,但是如何进行高效加工仍是困难重重。 本文提出了一种平面螺旋齿线圆柱齿轮的理想模型,基于微分几何知识,推导出该齿轮的静态齿面方程、动态齿面方程、接触线方程以及重合度的计算,并通过Matlab验证了静态齿面方程的准确性。基于Visual Basic6.0与Solidworks二次开发,搭建平面螺旋齿线圆柱齿轮自动化建模系统。通过建模系统生成的齿轮副在Solidworks中Simulation模块进行齿轮副接触区间的研究分析。 基于平面螺旋齿线圆柱齿轮自动化建模系统所生成的精确模型,对直齿、斜齿、螺旋齿进行抗偏载特性分析,通过ANSYS Workbench中静力学分析模块分析了三种齿轮副在理想啮合状态和齿轮安装轴线存在平行度误差的啮合状态这两种情况下的受力情况,研究了三种齿轮副的齿面最大接触应力随齿数、模数的变化情况,验证了平面螺旋齿线圆柱齿轮副具备优异的抗偏载特性。 通过分析平面螺旋齿条的成形原理,提出了一种全齿宽高线速度连续展成铣齿法。通过刀具加工轨迹,推导出平面螺旋齿线方程及刀具布置轨迹方程。并详细阐述该齿轮的齿槽切深与渐开线齿廓展成加工原理。基于Vericut仿真软件对螺旋齿加工方法的可行性进行验证,实验证明该种加工方法可以实现对齿轮的全齿宽高速铣削。通过Matlab构建平面螺旋齿轮的凹、凸齿面模型及Vericut仿真所得齿轮副模型进行齿面接触实验,得出该齿轮副模型接触特性如下:接触区间主要分布于轮齿齿面中间80%～90%区域,轮齿两端受力较小,这样有效减少轮齿两端齿根处的弯曲应力,与理论推导结果一致;有利于减少轮齿两端受力。齿轮抗弯强度更好,承载能力更强。 基于上述研究的平面螺旋齿线圆柱齿轮加工方法,自主研发了平面螺旋齿线圆柱齿轮的专用加工装置,并成功加工出理想的齿轮样品,加工所得的样品齿廓为渐开线齿廓,齿轮齿面精度良好。相较于滚齿与插齿加工,大大节省铣削时间,降低生产成本。

关键词： 喷丸   超声滚压   复合强化   残余应力松弛   表面完整性  

摘要： 喷丸强化工艺作为有效提升齿轮弯曲疲劳性能的关键技术,广泛应用于硬齿面齿轮的加工制造,18Cr Ni Mo7-6合金钢因其具有较高的强度、韧性以及耐磨性,常用于轨道交通、能源电力和工程车辆等领域的齿轮传动系统。本文针对喷丸强化的18Cr Ni Mo7-6齿轮钢试样表面残余压应力松弛现象,以及试样喷丸强化后存在的表面粗糙度过高、残余压应力分布不均匀等表面完整性问题,通过旋转弯曲疲劳试验和单齿加载弯曲疲劳试验,研究喷丸强化和二次喷丸强化引入试样表面的残余压应力,在试样承受弯曲应力时的松弛规律;通过有限元分析和试验研究的方法,研究对比二次喷丸强化工艺和喷丸-超声滚压强化工艺对试样表面完整性问题的改善效果。主要研究结果如下: (1)通过旋转弯曲疲劳试验,发现单次喷丸强化试样表面的轴向残余应力,在第1次循环时松弛量及松弛速率最大,首次循环后松弛速率下降并逐渐稳定,在第10次到第10000次循环,疲劳试样表面残余压应力与循环次数基本呈线性对数关系,当试样中心承受的弯曲应力从549.08MPa变为405.86MPa时,相同循环次数下表面残余压应力松弛量均降低。二次喷丸强化的疲劳试样,相较于单次喷丸强化试样,在相同弯曲应力和循环次数下表面残余应力松弛量更低,并且增加第二次喷丸的覆盖率能够进一步提高疲劳试样表面残余压应力的稳定性。 (2)通过单齿加载弯曲疲劳试验,发现齿根经过约4200次起振循环后承受785.45MPa的弯曲应力,当循环次数为5000次左右时,单次喷丸强化的齿根表面残余压应力松弛量为139.93MPa、占初始表面残余压应力值的21.54%,二次喷丸强化的齿根表面残余压应力松弛量为101.33MPa、占初始表面残余压应力值的11.65%。在5000次循环后,大致相同循环次数下二次喷丸强化齿根的残余压应力松弛量低于单次喷丸强化齿根。二次喷丸强化工艺能够有效降低齿根表面沿齿廓方向残余压应力的松弛量,有利于提升齿轮弯曲疲劳性能。 (3)基于表面强化过程的动力学分析及赫兹接触理论,采用random函数随机生成丸粒球心空间坐标,建立随机丸粒分布喷丸强化有限元分析模型;采用傅里叶级数(余弦项为零)形式的集中力实现超声振动加载效果,建立超声滚压强化有限元分析模型。基于单一表面强化有限元分析模型,采用数据传递的方法消除喷丸强化随机性对复合强化初始状态的影响,建立二次喷丸和喷丸-超声滚压等两种表面复合强化有限元分析模型。四种表面强化有限元分析模型表面残余应力和残余压应力最大值的计算结果,与试验值的误差基本在5%-13%之间。 (4)通过表面复合强化对18Cr Ni Mo7-6齿轮钢表面完整性影响的仿真分析,发现在丸粒直径d=0.8mm、喷丸速度V=60m/s、覆盖率C=100%的喷丸强化模型基础上,采用d=0.6mm、V=70m/s、C=100%的二次喷丸强化工艺,试样表层残余压应力最大值增长至1359.56MPa、位于0.08mm的深度位置,但二次喷丸强化工艺对喷丸强化试样表面残余压应力均匀性的改善效果不突出;在单次喷丸的基础上采用静压力为1200N、振幅为12μm、频率为20k Hz、滚压3次的喷丸-超声滚压强化工艺,试样表层残余压应力最大值增长至1329.05MPa、位于0.25mm的深度位置,喷丸-超声滚压强化试样相较于喷丸强化试样,表面结点残余压应力值标准差下降89.50%。通过表面复合强化对18Cr Ni Mo7-6齿轮钢表面完整性影响的试验研究,发现喷丸强化后试样表面粗糙度Ra=1.023μm、表面显微硬度均值为689.83HV;与喷丸强化试样相比,二次喷丸强化试样的表面粗糙度Ra下降29.42%、显微硬度均值提升8.70%,喷丸-超声滚压强化试样的表面粗糙度Ra下降62.76%、显微硬度均值提升17.60%。喷丸-超声滚压强化工艺相较于二次喷丸强化工艺,对喷丸强化试样表面完整性问题的改善效果更全面。

关键词： 复式行星齿轮箱   油液粘温衰减特征   多源特征融合   状态划分   剩余寿命预测  

摘要： 与传统齿轮箱相比,复式行星齿轮箱具有较高传动效率与更平稳的输出转矩,在风力、航天、交通运输等领域广泛采用。因此在工业生产中复式行星齿轮箱的状态监测和寿命预测极为关键。随着传感器技术的发展,数据采集变得更加方便,基于数据驱动的复式行星齿轮箱磨损状态评估及寿命预测得到快速发展。本文围绕着复式行星齿轮箱振动信号与润滑粘温信号特征进行多源特征提取与选择、特征融合、齿轮磨损状态划分及剩余寿命预测研究,主要研究分为以下3个部分。 (1)研究了复式行星齿轮箱振动信号在频域、时域和四种信息熵的特征提取方法,共提取18个特征组成候选特征集。构建仿真信号并验证信息熵在检测非线性信号时的有效性。基于单调性和相关性的特征参数选择方法,从振动信号多维特征中优选出对磨损程度敏感的特征子集。 (2)基于润滑油粘温衰变机理提出粘温衰减特征,将提出的粘温方程代入油膜厚度经验公式中,分析粘温特性对油膜厚度影响,根据油膜厚度和齿轮综合粗糙度计算膜厚比进而确定磨损状态。对润滑油粘温衰减特征及磨损状态进行关联分析,验证粘温衰减特征在齿轮状态划分及寿命预测中的有效性。 (3)针对优选出的振动信号及粘温衰减特征,提出了融合自适应回归算法与自适应特征融合算法的(Adaptive Attention Feature Gaussian Regression,AFKG)AFKG融合方法。构建新的健康因子(Health Indicator,HI),改进了特征融合过程中特征空间在纵轴上的压缩,实现较低的时间复杂度,并增强时间序列的特征量化对比度,实验证明该方法可提高状态划分精度。之后通过聚类算法的质量评估指标确定最佳时间序列分段数,获取初始故障发生点(此节点为健康因子为健康期与退化期分界点),进行齿轮状态划分。最后以退化期健康因子作为预测输入值,基于长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)方法,实现齿轮剩余使用寿命预测。 本文所提出的方法能够有效的将复式行星齿轮箱振动信号与润滑油粘温信号融合起来,进行复式行星齿轮箱磨损状态评估与划分,进而获取更加准确的剩余寿命预测结果。

关键词： 螺旋锥齿轮   参数化建模   齿面接触分析   齿面检测   路径规划   遗传算法  

摘要： 螺旋锥齿轮被广泛用于传动系统，我国的螺旋锥齿轮研发生产大多直接购买国外的螺旋锥齿轮加工中心，生产成本非常高，所以有必要研究螺旋锥齿轮的参数化建模方法、快速实物制造、齿面接触分析、齿面检测，针对这些问题，本文研究内容如下：　　(1)以球面渐开线的形成理论为依据，采用MATLABR2023b软件编写齿面离散点程序，分别获取两组配合的大小齿轮的凹凸齿面离散点坐标。本文改进的程序中引入具有实际物理意义的齿轮参数符号，提出了改进程序中加入齿面旋转角度实现整圈齿面的方法，并用两组实例来验证改进后程序的有效性。采用UGNX12.0软件对齿面离散点进行曲面拟合，先分别建模出大小螺旋锥齿轮各自的单个齿条，再完成各自齿坯的绘制。采用镜像、阵列、缝合、合并等一系列命令完成大小螺旋锥齿轮的建模。　　(2)为了验证模型建立的有效性，采用3D打印机对模型进行了打印，经验证大小齿轮实物的啮合运动顺畅。第一组算例，通过对大小齿面单独建模，对齿面进行了测点规划和检测。第二组算例，直接检测齿轮的单个轮齿。由检测数据分析得出两组算例齿面的平均打印误差范围，进一步验证了该建模方法的有效性。螺旋锥齿轮逆向建模方面，提出了在获取齿轮齿面点云数据的基础上，只需要对齿轮的一对完整凹齿面和凸齿面进行曲面拟合。　　(3)为了研究螺旋锥齿轮齿面接触，采用齿轮建模设计专业软件KISSsoft对螺旋锥齿轮进行了赫兹接触应力、啮合刚度等齿面接触分析(Tooth Contact Analysis, TCA)，得出螺旋锥齿轮的啮合性能。在大轮轴线位置不变的情况下，研究了小轮的水平和竖直方向的微小量位移及轴线角偏差对齿轮传动误差的影响。在小轮轴线位置不变的情况下，研究了大轮轴线的微小改变对齿轮传动误差的影响。验证了采用KISSsoft软件的锥齿轮和准双曲面齿轮设计模块在螺旋锥齿轮齿面接触分析的有效性。　　(4)针对螺旋锥齿轮齿面测点的路径规划问题，首先，分析了齿面检测路径数学模型的组成，将齿面测点路径规划问题转化为旅行商问题(Travelling Salesman Problem, TSP)，并确定了目标函数。其次，介绍了模拟退火算法、蚁群算法、遗传算法的基本原理，改进了遗传算法，并将上述四种算法应用于齿面测点路径规。最后，通过对螺旋锥齿轮选取小轮和大轮上各自一个轮齿的凹面和凸面为例，进行算法仿真实验，在三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine, CMM)上进行齿面检测实验，通过对两个实验结果的综合分析，验证了改进的遗传算法的有效性。

关键词： 齿轮系统   动力学   变工况   横向振动   动态特性  

摘要： 随着齿轮系统朝着高可靠性、高速重载及高精度方向发展,其动态性能正面临着巨大的挑战,齿轮系统的动力学建模与动态特性分析已成为机械传动领域的研究热点。然而由于齿轮的内部激励十分复杂导致其动态机理难以准确分析,所以如何使齿轮内部激励更加符合实际情况,以此建立出相对准确的数学模型来更精确地反映出齿轮的动态特性显得尤为重要。此外,齿轮系统经常处于复杂的变工况运行状态之中,该阶段内外部激励的复杂性引发的齿轮运动不稳定直接影响机械设备的正常运行。 针对复杂内外部激励下的圆柱直齿轮系统动力学建模与动态特性问题,开展了启停过程齿轮系统振动特性分析、啮合刚度和横向振动影响下的齿轮系统动力学分析以及外部冲击下齿轮系统振动特性分析等研究工作。主要内容如下: (1)综合考虑时变啮合刚度、齿轮啮合误差及齿侧间隙的影响,构建了直齿轮系统动力学模型,研究了外部载荷和角加速度两个工况参数对其启停过程振动特性的影响,同时利用短时傅里叶变换对齿轮系统的非平稳振动信号进行了时频分析。结果表明:在启停过程中,增大载荷、增大角加速度均会加剧齿轮副振动与冲击的程度,并且均会使启动前期的不稳定运动进程提前结束,停止后期的不稳定运动进程延后出现,但启动后期(停止前期)的冲击成分却会分别增多和减少。 (2)综合考虑横向振动引起的啮合角、重合度的时变行为以及其对啮合刚度的影响,建立了直齿轮传动系统的弯扭耦合动力学模型,研究了横向振动和传动轴弯曲刚度对系统动态特性的影响。结果表明:与未考虑横向振动影响相比,考虑横向振动影响时,啮合角增大而重合度、啮合刚度有所减小,同时动态传递误差峰-峰值更小,不过其值整体上更大,齿轮的振动能量更小但其冲击成分更明显,此外,动态啮合力振动幅度减小,尤其是齿背冲击载荷急剧减小,同时一个啮合周期内的齿轮脱齿时间更长,而且轴承支撑反力振动幅度减小。 (3)考虑外部的冲击作用,建立了定轴直齿轮传动系统动力学模型,探讨了外部冲击作用对齿轮系统振动与冲击特性的影响,揭示了冲击作用不同因素下齿轮振动特性的变化规律。结果表明:外部冲击作用会极大增强齿轮副的振动能量,促进冲击成分的产生,同时加剧了齿轮在运行过程中的啮合冲击,有时会恶化齿轮轮齿之间的冲击状态,此外,冲击作用使系统产生了明显的边频调制现象,降低了齿轮系统的稳定性,并且对齿轮系统振动响应频率的影响主要发生在低频段。

关键词： 海上风电安装平台   齿轮齿条式   升降系统   多电机同步控制   滑模控制   偏差耦合控制  

摘要： 在“双碳”环境和海洋强国战略下,海上风电这一新能源开发项目正如火如荼的进行。自升式海上风电安装平台作为海上风电安装的主要作业装备,其升降系统性能的优劣直接关系到作业时的安全和效率。由于齿轮齿条式升降系统操作简单,升降速率快等优点,被许多的平台采用。但在恶劣环境,负载变化以及其他外界或内部的干扰下,会导致多电机升降系统的同步性能下降,影响平台的正常作业,因此研究海上风电安装升降平台多电机同步控制系统具有重大意义。本文通过分析某1500T齿轮齿条式海上风电安装平台的同步控制需求,从电机控制算法和多电机同步控制策略两方面考虑对齿轮齿条式升降同步控制系统展开研究,主要的研究内容如下: 首先,本文针对单台三相异步电机的矢量控制进行优化,提出了一种采用趋近律结合准滑动模态的滑模控制,来改进矢量控制中的PI转速调节器。通过在MATLAB/Simulink仿真软件中,搭建了PI控制和基于趋近律和准滑动模态的滑模控制仿真模型并进行对比实验。仿真结果表明,改进算法相较于PI控制有良好的跟踪性能。 其次,分析了多电机同步控制系统的控制策略,根据平台同步控制的三层需求,提出了一种多电机位置-速度滑模偏差耦合同步控制策略,提高单根弦管上的电机转速同步性能和同一根桩腿上的三根弦管位移同步性能。并在仿真软件中搭建仿真模型并与传统偏差耦合控制策略进行对比,结果表明提出的同步控制策略对电机速度和桩腿RPD(Rack Phase Difference,齿条相位差)有良好的同步性能,能够保持RPD在安全值内。 最后,搭建PLC和MATLAB间的OPC通信,将本文提出的多电机位置-速度滑模偏差耦合同步控制策略应用在实际的平台中,并与平台采用的主从控制策略进行了对比。试验结果表明本文提出的多电机位置-速度滑模偏差耦合同步控制策略在平台上升时,电机速度误差变化范围减小25%,均方根误差减小19.29%。平台下降时,电机速度误差变化范围减小21.42%,均方根误差减小13.86%。根据以上性能指标可以得出,多电机位置-速度滑模偏差耦合同步控制策略相比于平台采用的主从控制策略有着更好的同步性能。