关键词： 曲线构型   内啮合齿轮   成形磨削   砂轮截形   温度场  

摘要： 齿轮作为一种常见的机械传动元件,在许多工业领域中广泛应用。齿轮制造业在推动工业自动化和智能化发展的同时,也支撑着新兴领域和技术的发展。通过不断改进设计和制造工艺,促进新材料、新工艺的应用,为航空航天、新能源汽车等领域提供高性能齿轮传动系统。本文以新型双点接触内啮合曲线构型齿轮为对象,开展其齿面成形磨削基本原理、成形磨削温度场分析、磨削温度预测及参数优化、热力耦合作用下残余应力分析等研究,主要工作概述如下: (1)在内啮合曲线构型齿轮传动基本原理的研究基础上,提出凸齿轮和内齿轮齿面成形磨削基本原理,基于构型齿面表达式分别建立“凸齿轮-砂轮”和“内齿轮-砂轮”齿面成形磨削接触线的数学模型。利用牛顿迭代法计算得到齿面空间共轭磨削接触线,并通过坐标变换求解获取磨削砂轮截形数据点,完成砂轮截形参数化建模分析;基于MATLAB GUI软件功能开发双点接触内啮合曲线构型齿轮廓形设计及成形磨削软件模块;基于磨削过程中不同砂轮安装角度和砂轮直径参数,分析齿面磨削接触线和砂轮截形的变化规律。提出磨削误差计算方法,并对仿真截形进行误差分析。 (2)针对凸齿轮和内齿轮分别建立有限元瞬态热分析模型,结合磨削力和磨削接触弧长方程,确定齿面成形磨削的热流密度。通过瞬态传热模块,开展成形齿面磨削温度场仿真分析,探究不同砂轮转速、工件进给速度、磨削深度对双点接触内啮合曲线构型齿轮副磨削弧区温度场变化及最高温度的影响规律,并分析在湿磨与干磨条件下的磨削温升变化,给出齿面磨削加工工艺参数建议。 (3)以双点接触内啮合曲线构型齿轮的结构尺寸参数和磨削工况参数为自变量,基于XGBoost算法建立双点接触内啮合曲线构型齿轮成形磨削温度预测模型,通过给定砂轮回转线速度、工件进给速度、磨削深度等参数,结合多组数据模型计算并与前章仿真结果对比,结果表明基于XGBoost的成形磨削温度预测有较高的准确度。利用贝叶斯优化算法对共轭齿面成形磨削参数进行优化处理,建立以砂轮回转线速度、工件进给速度和磨削深度为变量的优化模型,获得在固定结构参数下双点接触内啮合曲线构型齿轮成形磨削的最优工况参数解。通过优化前后磨削温度对比,为实际加工工况的参数选择提供了理论基础。 (4)基于有限元分析开展双点接触内啮合曲线构型齿轮成形磨削过程残余应力分析,分别以凸齿轮与内齿轮为研究对象,基于瞬态传热模块,通过前处理、约束条件施加及外部载荷设置等,采用顺序耦合法对成形磨削残余应力进行模拟仿真,探究不同磨削参数对双点接触内啮合曲线构型齿轮副成形磨削齿面残余应力的影响。分析残余应力场的分布特征,并讨论砂轮转速、工件进给速度和磨削深度对残余应力场的影响。

关键词： 直齿圆柱齿轮   多重网格技术   齿面粗糙度   热弹流润滑   温升特性   时变啮合刚度   油膜刚度   动态传递误差   动态啮合力  

摘要： 随着机械工业的发展,重载齿轮在工业生产中的应用越来越广泛。齿轮在重载传动的过程中工作条件十分苛刻,通常会发生因润滑失效而引起的齿面点蚀、磨损、胶合等失效形式。研究齿轮传动的润滑特性对于提高齿轮传动的稳定性,防止齿面磨损和胶合,提高齿轮传动系统的寿命与传动效率具有重要意义。本文主要研究内容如下: (1)基于牛顿流体建立直齿轮线接触等温弹流润滑模型。应用多重网格技术求解出齿轮沿啮合线方向的油膜压力与油膜厚度,并分析了转速、载荷和润滑油的初始粘度对直齿轮线接触等温弹流润滑特性的影响。 (2)基于直齿轮线接触等温弹流润滑模型,计入温度对齿轮弹流润滑特性的影响,建立粘-温-压方程、密-温-压方程、流体运动方程、能量方程与界面温度方程。对比等温条件与热条件下的弹流润滑特性差异,进一步讨论了转速、载荷和润滑油的初始粘度对直齿轮线接触热弹流润滑特性与温升特性的影响。 (3)采用能量法建立渐开线直齿圆柱齿轮的时变啮合刚度模型。根据牛顿流体热弹流润滑理论,沿膜厚方向将粘弹性油膜等效为无质量弹簧,建立了法向油膜刚度模型,将时变啮合刚度与法向油膜刚度进行耦合得到法向综合刚度模型,研究了转速、载荷和润滑油的初始粘度对法向油膜刚度和法向综合刚度的影响。 (4)依据牛顿力学原理建立考虑齿面润滑效应的直齿圆柱齿轮的动力学方程,并使用Newmark-β法求解了齿轮传动系统的动态响应。对齿轮系统动力学与弹流润滑的耦合效应进行研究,比较了耦合弹流润滑与未耦合弹流润滑时的齿轮传动系统的动力学响应,分析了转速、载荷和润滑油的初始粘度对齿轮系统动力学特性的影响。

关键词： 面齿轮   章动   动力学   分汇流   均载  

摘要： 章动面齿轮传动系统是一种创新型齿轮分汇流传动系统,它以其紧凑的结构、出色的减速比以及强大的承载能力,在航空和航天等领域展现出巨大的应用潜力。在齿轮分汇流传动系统中,保证各支路的功率传递质量及载荷分配均等至关重要。本课题以章动面齿轮传动系统为研究对象,分别从静力学和动力学的角度,对该系统的均载特性及动态特性进行了深入研究。 研究章动面齿轮传动系统的静态均载问题。分析了章动面齿轮传动构型不同支路的功率流动,揭示了系统各支路载荷分配不均机理。基于变形协调的原理,探讨了齿轮传动的载荷分配机制。构建了章动面齿轮传动构型的均载计算模型,研究了系统关键参数对章动面齿轮传动构型均载的影响。 章动面齿轮传动系统动力学建模。分析了章动面齿轮传动系统存在的内部激励形式。综合考虑啮合刚度、支撑刚度、扭转刚度以及啮合误差等多个因素,采用集中参数法构建了章动面齿轮传动系统22自由度的弯-扭-轴耦合动力学模型,并进行无量纲化处理。计算了动力学模型中的等效集中质量、等效转动惯量以及啮合刚度等系统参数。设计试验方案验证模型的正确性。 分析章动面齿轮传动系统的固有特性和动态响应。分析了系统参数下章动面齿轮传动系统的模态和振型,研究了刚度参数对其固有频率的影响。计算了章动面齿轮传动系统的动态啮合力和动载系数,研究了输入轴扭转刚度对章动面齿轮传动系统动态响应的影响。 研究章动面齿轮传动系统的动态均载问题。定义了动态均载系数,研究了系统刚度参数对章动面齿轮传动系统动态均载特性的影响。通过分析系统参数对传动系统动态均载性能的影响规律,提出了章动面齿轮传动的均载方法。 图41幅;表8个;参62篇。

ISBN: (纸本)9787301357378

关键词： 齿轮   声发射   极点对称模态分解   支持向量机   故障诊断  

摘要： 齿轮作为旋转机械传动系统的核心部件,广泛应用于航空、工业、发电和冶金等领域,常因受到周期往复载荷而容易出现故障。未能及时发现齿轮故障可能导致机械设备效率降低,零部件的损坏,甚至破坏机械传动系统,引发严重事故。因此,加强对齿轮故障识别的研究,对于保证机械设备的稳定运行,维护人员生命与财产的安全至关重要。 声发射技术以其对齿轮故障的高灵敏性和高精度的数据采集能力,在齿轮故障诊断领域广受认可。本文以齿轮作为研究对象,运用声发射技术进行齿轮故障诊断。通过齿轮故障模拟实验平台,获取了正常齿轮、磨损齿轮和沟槽齿轮在不同转速下的声发射信号。 针对非平稳、非线性的声发射信号,本文提出了一种改进ESMD方法用于信号处理。通过对仿真信号经过ESMD算法和EMD算法分解得到的结果进行对比分析,验证了ESMD算法在分解效果和模态混叠抑制方面的优越性。在此基础上,针对ESMD算法优化过程中引入额外噪声误差的问题,提出了改进ESMD方法。接着,本文提取了改进ESMD方法分解齿轮故障声发射信号得到的IMF分量的相关系数、峭度值和能量熵,对比分析表明,这三个特征能有效区分齿轮的故障程度。最后,采用ESMD算法和改进ESMD方法对齿轮故障声发射信号进行分解,并提取上述三个特征组成特征向量,用于后续的故障识别。 针对齿轮故障的识别分类问题,本文提出了改进SSA-SVM的故障识别分类方法。为提高SVM的分类准确率,提出采用麻雀搜索算法对SVM中的惩罚因子和径向基核函数系数进行优化。针对麻雀搜索算法陷入局部最优的问题,本文进一步提出了针对SSA种群初始化和更新方式的优化策略,最终,采用ESMD-SSA-SVM、改进ESMD-SSA-SVM和改进ESMD-ISSA-SVM三种方法进行了故障识别分类。实验结果验证了ISSA算法在SVM参数优化方面的有效性。同时,与ESMD-SSA-SVM方法相比,改进ESMD-ISSA-SVM方法能够更准确识别出齿轮故障类型,证明了改进ESMD-ISSA-SVM方法在齿轮故障诊断方面的可行性。

关键词： 齿轮箱   时频域特征   剩余使用寿命预测   刚柔耦合模型   数字孪生  

摘要： 在智能制造的大环境下,齿轮箱作为工业传动系统的核心部件,其运行状态直接影响着整个生产线的稳定与效率。因此,准确预测齿轮箱的剩余使用寿命(Remaining Useful Life,RUL)成为了设备预防性维护的关键环节。通过对齿轮箱RUL的精准把握,合理安排设备的维护计划,避免非计划性停机带来的生产损失,同时降低维护成本,提高整体运营效益。现有齿轮箱剩余寿命预测方法中,实验数据为基础的方法占据着重要地位。此方法通过采集和分析齿轮箱在实验条件下的数据,获取各状态下齿轮箱的特征参数,从而为剩余寿命预测提供依据。 齿轮箱实际运行过程中,因工作环境复杂多变的客观因素影响,无法及时获取准确的大样本运行数据,导致对齿轮箱剩余使用寿命的预测分析存在较大的困难。因此,本研究基于数字孪生(Digital Twin,DT)技术,结合动力学仿真数据与实验数据,从微观角度出发,利用实验数据与仿真数据开展齿轮箱齿轮的剩余使用寿命预测研究。现将主要研究内容和创新性阐述如下: (1)针对小样本下齿轮箱剩余使用寿命预测难以有效准确预测以及预测结果精度低的问题,提出了一种小样本下基于长短期记忆-支持向量机组合模型(Long Short-Term menory-Support Vector Machine,LSTM-SVM)的齿轮箱剩余使用寿命预测算法。首先设计合理的齿轮箱加速寿命试验并采集齿根裂缝和缺齿故障下的振动信号数据。然后通过信号时频域分析和经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)方法结合皮尔逊积矩相关系数(Pearson Product-Moment Correlation Coefficient,PPMCC),构建包含时域特征和频域特征的信号特征集。根据LSTM和SVM模型的优缺点,采用最小二乘法优化两者构建了LSTM-SVM组合模型。相较于小样本下单一预测模型的RUL预测精度,组合模型准确率达95%以上,为齿轮箱RUL预测提供了新的解决方案。 (2)针对齿轮箱运行过程,根据多体动力学建模分析理论构建齿根裂缝和缺齿两种故障状态下的齿轮箱数字孪生模型。通过Solid Works构建齿根裂缝和缺齿两种故障下的齿轮箱三维模型,并利用ABAQUS对模型中箱体和故障齿轮部件进行柔性化处理,将所得柔性体和模型输入ADAMS中构建齿轮箱的刚柔耦合模型。在ADAMS所得模型中添加运动约束和仿真参数,建立动力学模型。结合实验条件开展动力学仿真,将动力学仿真结果与实验结果进行对比,验证齿轮箱数字孪生模型的动力学特性与实际运行的动力学特性相符。基于此,分别对比两种故障状态下实验与仿真信号特征频率参数,结果误差在3%以内,说明了数字孪生模型具有高可靠性和高保真性能,为后续的齿轮箱RUL预测做准备。 (3)提出了一种基于数字孪生的齿轮箱剩余使用寿命预测方法,为齿轮箱的维护与管理提供了新的思路。对比两种故障状态不同转速下模型仿真数据和实验数据的时域特征量,验证孪生体的仿真信号能否准确反映实验信号的仿真指标趋势变化是否与实验指标相符。在基本保持一致的基础上,选取合适的转速工况采集数字孪生模型的仿真数据,确定短时间内同一运行状态下的模型仿真数据和实验数据的时域特征变化趋势的是否具有一致性,从而进一步研究基于仿真数据和基于实验数据的RUL预测结果两者之间的差异。结果表明,基于仿真数据和基于实验数据的RUL预测之间准确率达90%以上,表明数字孪生模型在齿轮箱RUL预测应用中的可行性。

关键词： 18CrNiMo7-6齿轮钢   渗碳淬火   数值模拟   多目标优化   大型语言模型  

摘要： 在现代机械系统中,齿轮作为核心传动部件,其性能直接影响整体系统的效率和可靠性,渗碳淬火作为重载齿轮的关键热处理工艺,能显著提高齿轮的抗疲劳性能和使用寿命。随着现代工业对齿轮可靠性要求的不断提高,传统“试错法”已难以满足工业生产需要,且传统工艺优化方法依赖于有限的经验模型和实验数据,无法实现高效、精准的优化。数值模拟技术的出现为工艺优化提供了有效手段,它可以“可视化”显示温度场、组织场和应力/应变等参数的演变,极大提高了优化效率。本文利用专业的热处理有限元仿真软件COSMAP,建立18CrNiMo7-6齿轮钢基础样本集,开发齿轮钢渗碳淬火小样本多目标工艺优化系统,此外还探讨了基于大语言模型(Large Language Model,LLM)的齿轮钢热处理工艺设计辅助系统,可为用户提供钢材知识检索和工艺优化建议,简化热处理工艺设计过程的工作流程。本文的主要研究内容如下: (1)采用实验研究、模拟计算和理论分析相结合的手段,对18CrNiMo7-6齿轮钢渗碳淬火过程的组织性能演变机理进行研究。分别对圆棒试样和标准行星齿轮样件渗碳淬火过程进行数值模拟,与实验结果进行对比,验证COSMAP有限元软件数值模拟的有效性,并分析渗碳温度和时间等工艺参数对碳含量分布、硬度分布和显微组织分布的影响规律。 (2)利用COSMAP有限元仿真技术,计算18CrNiMo7-6齿轮钢渗碳淬火后的关键性能目标(表面碳浓度、表面硬度和渗层深度),并建立基础工艺样本集。利用机器学习算法扩充样本数量并建立基于神经网络的小样本多目标工艺预测系统,与COSMAP仿真结果进行对比评估。结果反映,神经网络模型表现出卓越的准确性和预测能力,并在保证一定精度的同时,节省了大量的计算时间。该模型通过大规模数据集的训练具有高度的泛化能力和预测精度,为热处理工艺的优化提供了可靠的支持。 (3)基于LLM与构建矢量知识库的方法,对齿轮钢热处理工艺设计辅助系统进行设计、实现与效果评测,为用户提供知识学习问答和工艺推荐功能。测试结果表明,该系统可以为与齿轮钢热处理工艺相关的查询提供准确、快速的答案,并且矢量化方法允许知识库的智能扩展,从知识问答到工艺推荐再到仿真的完整流程,大大简化了热处理从业者的工作流程,提高了研发效率。