关键词： 风电机组齿轮箱   剩余寿命预测   退化模型   GRU  

摘要： 风电机组齿轮箱常常处在高速旋转和高负荷运作的恶劣工作环境下,导致其拥有较高的故障率。并且齿轮箱通常处在风电机组机舱内部,并且具有复杂的内部结构,导致其故障维护成本较高。为了降低维护成本、提高投资回报率,对其剩余使用寿命(Remain Useful Life,RUL)预测的准确性提出了较高要求。针对风电机组齿轮箱的实际运行情况,本文提出了基于CEEMDAN-GRU和融合退化模型的齿轮箱RUL预测方法,并使用实际SCADA数据进行验证,证明了该方法的可行性和准确性。本文的主要工作如下: (1)对风电机组的分类及构成进行了分析,着重介绍了双馈风机齿轮箱的组成和工作原理;通过实际齿轮箱的SCADA测点和运行情况,筛选可以反映齿轮箱寿命状态的运行数据,从而得到描述齿轮箱健康状态的特征量。 (2)提出了一种基于融合退化模型的风电机组齿轮箱RUL预测方法。风电机组内部各部件耦合度高,传动系统其他部件退化对齿轮箱RUL预测有不可避免的影响,常见的基于SCADA数据的齿轮箱RUL预测并没有考虑到这一点。针对此问题,本文提出了基于融合退化模型的RUL预测方法。首先使用核熵成分分析法(Kernel Entropy Component Analysis,KECA)对非线性较强的特征量进行特征提取,得到齿轮箱的健康状态指标。之后根据退化模型的离散形式建立基于粒子滤波(Particle Filter,PF)的融合退化模型;并且齿轮箱健康指标一直处于波动状态,呈现较为强烈的非线性特征,不宜直接使用退化模型进行预测。为此,本文提出了低限安全报警阈值和高限安全报警阈值的概念,当齿轮箱健康指标突破低限安全报警阈值后开始预测剩余寿命,提高了精准度的同时降低了算法的时间复杂度;与单一退化模型的齿轮箱RUL预测方法比较,该方法的剩余寿命预测精度更高,在劣化早期,融合退化模型比维纳模型精度提升了11.61%,在劣化后期的预测误差仅有0.02%。 (3)提出了一种基于自适应噪声完备集合经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN)-门控循环单元(Gated Recurrent Unit,GRU)和融合退化概率模型的齿轮箱RUL预测方法。维纳过程、伽马过程、逆高斯过程此类基于概率计算的退化模型只能得到剩余使用寿命的概率密度分布,而无法反映早期的齿轮箱健康状态,无法直观地了解到齿轮箱的运行情况。针对此问题,将融合退化模型和神经网络结合,对齿轮箱健康指标做出预测。首先,使用CEEMDAN-GRU预测齿轮箱健康状态得到未来齿轮箱的变化趋势,使用CEEMDAN对数据进行分解可以提高GRU的预测精度,避免了数据波动对预测结果的影响;然后将CEEMDAN-GRU与融合退化模型结合迭代预测,不仅避免了神经网络只学习前期健康数据而产生后期预测偏离的问题,也降低了算法对数据的依赖程度。采用实际风电机组SCADA数据进行仿真验证,结果表明,相比于融合退化模型RUL预测方法,该方法能够较为准确地对早期齿轮箱健康状态进行预测,而相比于基于神经网络的预测方法,该方法拥有更高的预测精度。

关键词： 川芎杀秧机   齿轮箱   发热   散热  

摘要： 川芎杀秧机样机加工工艺不完善,轴系间同轴度差,在高速杀秧作业条件下,齿轮箱承受高频交变外载荷作用,箱体温度过高,容易产生齿面胶合、点蚀失效等问题,降低齿轮箱使用寿命。为解决川芎杀秧机齿轮箱温度过高问题,本论文采用理论分析、有限元模拟与台架试验相融合的方法,研究转速、扭矩与外载荷对齿轮箱发热的影响,并设计散热器改善齿轮箱散热效果,降低齿轮箱温度。本文主要研究内容如下: (1)川芎杀秧机齿轮箱发热因素分析。通过齿轮箱发热试验和理论分析发现齿轮啮合发热是齿轮箱发热主要原因;通过力学分析得到齿轮箱输出轴受外载荷时齿轮受到的附加径向载荷,并结合Townsend发热模型,建立齿轮箱齿轮滑动、滚动摩擦发热功率数学模型,确定关键影响因素为扭矩、转速和径向载荷;通过齿轮箱输出轴-联轴器-杀秧轴单元受力分析,得到齿轮箱齿轮所受径向载荷,建立杀秧绳受力模型,获得齿轮箱工作扭矩范围,为后文的数值仿真提供理论基础。 (2)川芎杀秧机齿轮箱热特性数值模拟分析。通过传热机理分析,确定齿轮箱传热型式;将各因素代入齿轮箱齿轮滑动、滚动摩擦发热功率数学模型,结果作为数值模拟的载荷条件,计算齿轮箱发热的边界条件,通过数值模拟得到齿轮箱的温度场分布情况;最后进行单因素数值模拟试验,得到不同因素影响下齿轮箱温度变化规律。 (3)川芎杀秧机齿轮箱散热技术研究。通过分析散热技术方案,结合川芎杀秧机结构,确定采用矩形平板散热器方案;通过齿轮箱尺寸确定散热器底板长、宽,结合气象站监测的数据,运用公式法计算得到散热筋板间距;建立散热器的散热量与散热效率数学模型,确定筋板高度的取值范围,通过筋板厚度、筋板高度对散热效率与散热量的影响规律,确定筋板厚度、筋板高度和筋板数量;对安装散热器的齿轮箱发热进行数值仿真,结果表明装有散热器的川芎杀秧机齿轮箱温度下降10%。 (4)川芎杀秧机齿轮箱散热台架试验验证。通过热成像法进行不同因素影响下无散热器齿轮箱发热的析因试验,试验结果与数值模拟结果温度最大误差为4.1%,验证理论分析与数值模拟的正确性。进行不同因素影响下有散热器齿轮箱发热的析因试验,有散热器齿轮箱温度较无散热器齿轮箱温度平均低11.2%,验证散热器的散热效果。

关键词： 齿轮喷丸   喷丸强度   覆盖率   表面完整性  

摘要： 高表面完整性是控制齿轮使用年限的主要因素。因此，工作人员要积极应用喷丸强化技术，通过弹丸高速移动，持续冲击材料表面，让其材料表面产生塑性变形，细化表层材料组织，增强其表面耐磨性和抗腐蚀性能。基于此，基于喷丸加工技术，构建喷丸工艺参数预测仿真模型，明确喷丸对齿面表面完整性的影响，给喷丸优化工艺参数提供丰富的数据资源。

关键词： 立式铣齿机   运动控制   软件开发   螺旋锥齿轮的切齿和测量  

摘要： 全数控螺旋锥齿轮立式铣齿机的刀具主轴布置在竖直方向的立柱上,工件主轴垂直于水平面,它具有立式结构机床的高刚性,同时切屑流动性更好,是一种适应了螺旋锥齿轮加工高速、高精、干切要求的新型装备。目前国内部分厂家和科研人员已经尝试针对全数控立式锥齿轮铣齿机开展研究。针对其机床结构研究切齿加工和齿轮测量时的运动规律,提出与立式铣齿机配套的运动控制方法并开发控制软件是必要的。 本项研究针对不同切齿加工方法之间的差异,分析其刀具和工件齿轮的相对位置和相对运动关系,根据机械式铣齿机结构,建立了切齿加工时的基本机床模型,确定了机械式铣齿机中展成时刀具和齿轮的相对运动关系;对比分析全数控立式铣齿机和机械式铣齿机的结构差异,将基本机床模型进行转换,形成了立式铣齿机切齿时的机床运动模型,确定了立式铣齿机切齿时刀具和工件相对运动,求解了其切齿运动刀位点,转换为机床坐标;实现了立式铣齿机切齿运动控制。 根据测量机构在机床中的安装方式,分析了测量时测头和齿轮的位置和运动关系,建立了立式铣齿机测量运动控制模型,设计了测头标定方法。针对螺旋锥齿轮齿距误差和齿形误差的定义,设计了在立式铣齿机上进行测量时的方法,规划了测头的测量路径,并将测头位置转换为机床坐标,实现测量运动控制。对测量结果进行误差分析,得出被测齿轮的齿距误差和齿形误差。根据齿形误差建立误差曲面方程,将误差曲面方程分解为高阶几何特性参数的方程,以调整参数为优化变量,建立了逼近理论齿面的数学模型,采用最小二乘法求解,得出切齿反调参数。 分析840Dsl数控系统各组件之间通讯方式,参照帮助文档确定了针对全数控立式铣齿机数控系统二次开发方式。针对螺旋锥齿轮生产过程,设计了软件的功能和各功能之间的逻辑关系,完成软件界面的开发和软件框架的搭建;应用MFC库实现各功能的响应,应用BCGControl库对界面显示进行美化;根据研究的切齿和测量时机床运动规律,编写切齿和测量控制算法;并通过动态链接的方式实现软件和算法库的链接。 构建机床运动仿真平台及工装模型,调整参数和测量参数通过参数输入界面输入软件,得到NC程序。将NC程序导入仿真平台进行运动仿真。以测量NC代码对仿真加工后的齿轮模型进行测量,验证了加工测量算法的正确性;应用现有装备,设计误差反调实验,得出误差反调结果,通过对比反调前后测量的齿形偏差,以及实际接触区和理论接触区的差异,验证了算法的正确性。 经过本文的研究,推导了国产全数控立式铣齿机切齿和测量时的运动原理,实现了国产全数控立式铣齿机运动控制,完成了机床的配套软件的编写。对国产立式铣齿机的发展作出贡献。

关键词： 圆锥-圆柱齿轮传动   刮板输送机   静力学分析   模态分析   结构优化  

摘要： 齿轮传动系统作为整个刮板输送机设备中重要的传动部件,能够将驱动电机的转速降低到刮板链所需的转速,放大驱动电机的转矩至刮板链所需的转矩。为确保刮板输送机的齿轮传动系统能够在井下恶劣环境下可靠地运行,本文针对刮板输送机性能要求,进行了刮板输送机三级圆锥-圆柱齿轮传动的结构设计与优化。 针对刮板输送机性能要求,确定三级圆锥-圆柱齿轮传动为刮板输送机齿轮传动系统的传动方案并计算该齿轮传动系统的动力参数;进行齿轮传动系统各级传动齿轮设计与校核;计算出传动轴以及箱体等结构的相关参数,并对传动轴进行受力分析与强度校核。 通过对齿轮传动系统轮系、传动轴以及箱体进行静力学仿真分析,获得齿轮传动系统各齿轮、各传动轴以及箱体的应力云图,分析各部件最大应力情况,验证齿轮传动系统轮系、传动轴以及箱体部件的结构设计合理性。 对三级圆锥-圆柱齿轮传动系统的齿轮-轴系及箱体进行模态分析,得到齿轮-轴系前三十阶固有频率以及箱体的前十阶固有频率,将其与各级齿轮啮合频率进行对比,避免共振现象的发生。 基于对齿轮传动系统箱体的静力学仿真分析结果,对箱体结构进行拓扑优化,根据拓扑优化后的密度分布云图在原有箱体模型上进行优化改进,并再次进行静力学仿真分析以及模态分析,对比优化改进前后仿真结果。结果显示,优化改进后的箱体结构在强度略有加强的同时实现了轻量化。 图[40]表[17]参[80]

关键词： 非圆齿轮   数学模型   Ease-off修形   接触分析   加工仿真  

摘要： 非圆齿轮是圆齿轮的一种特殊形式,在现代机械装备中应用越来越多。随着工业领域对于传动系统性能要求的不断提高,齿轮齿面的几何接触特性对传动效率和运行稳定性具有重要影响。齿轮安装过程中会不可避免的出现安装误差,导致齿面产生边缘接触等现象,造成啮合冲击和加速齿面磨损,进而降低了齿轮传动性能和使用寿命,非圆齿轮传动同样存在这种问题。为了提高齿轮传动精度、稳定性和可靠性,需对齿面进行适当的修形,以减少由于安装误差导致的边缘接触等现象的产生。Ease-off修形作为一种常见的齿轮修形设计手段,通过在齿面上引入一定的偏差值,旨在优化齿轮的接触特性,提升传动效率与工作可靠性。 本文以直齿非圆齿轮为研究对象,通过理论分析与数值模拟相结合的方法,对非圆齿轮的齿面数学模型、Ease-off修形设计、修形非圆齿轮的几何接触特性和加工仿真展开研究。主要研究内容包括: (1)推导了非圆齿轮的齿面方程,验证了非圆齿轮三维模型的正确性。基于齿轮啮合原理建立了非圆齿轮的齿面数学模型。通过推导插齿刀的齿面方程,以及非圆齿轮在插齿加工模型中的坐标变换关系,结合非圆齿轮的啮合方程,得到了非圆齿轮的齿面方程。利用齿面点云数据,借助三维软件建立了非圆齿轮的三维模型,并通过滚检试验和运动仿真验证了模型的正确性。 (2)提出了基于Ease-off的非圆齿轮齿面修形设计方法,分析Ease-off差曲面方程中各阶系数的变化对齿面修形的影响。利用齿面旋转投影原理,对非圆齿轮齿面进行网格划分,通过三维齿面坐标与二维网格坐标之间的关系,求解出齿面网格离散点数据。应用Ease-off差曲面方程,构建出修形齿面与理论齿面之间的偏差值,完成对非圆齿轮齿面的修形计算,获得修形后的非圆齿轮齿面网格离散点数据。 (3)建立了考虑安装误差的修形非圆齿轮接触分析(TCA)数学模型,分析了不同安装误差和齿向修形系数对齿面接触特性的影响。运用双三次NURBS曲面拟合的方法得到了修形非圆齿轮的数字化齿面。建立含安装误差的修形非圆齿轮TCA数学模型,得到了不同安装误差和齿向修形系数对修形齿面接触特性的影响规律。通过有限元仿真分析了不同齿向修形系数对啮合过程中齿面接触压力和弹性变形的影响。 (4)搭建了四轴数控机床三维模型,在VERICUT中完成了加工仿真验证,利用加工中心完成了修形非圆齿轮的加工实验。运用可变轮廓铣、型腔铣和固定轮廓铣三种铣削方式完成修形非圆齿轮三维模型加工刀具轨迹的可视化,并输出NC程序。建立了四轴数控机床三维模型,在VERICUT软件中利用该虚拟机床完成加工仿真验证。选用INTEGREX i-300S五轴联动加工中心完成对修形非圆齿轮的加工实验,加工结果进一步验证了铣削方式的合理性、刀具轨迹和NC程序的正确性。 上述有关非圆齿轮齿面修形设计及其接触特性分析方法,为非圆齿轮的设计、精密加工和工程应用提供了一定的理论依据。

关键词： 重载齿轮钢   热加工   动态再结晶行为   数值模拟  

摘要： 20Cr2Ni4A钢作为一种优质的合金结构钢，具有高屈服强度和抗拉强度，以及良好的冲击韧性和淬透性，广泛用于制造齿轮等传动零件和涉及高载荷、高磨损环境的机械零件。20Cr2Ni4A钢在齿轮加工过程中的常用制备工艺包括热模锻等热加工工艺，但热加工成型工艺复杂，工件组织和晶粒度难以控制，不合理的生产工艺将使内部组织产生缺陷，导致齿轮使用寿命降低。而动态再结晶是热变形过程中一种重要的微观组织演化机制，可以细化晶粒组织，提高材料的强韧性。本文将热压缩实验与数值模拟相结合，并利用有限元模拟和元胞自动机研究了20Cr2Ni4A钢的热变形行为和动态再结晶规律。具体研究工作和结果如下：　　通过Gleeble3500对20Cr2Ni4A钢进行变形温度800~1050℃，应变速率0.01~5s-1的热模拟实验，分析了热变形参数对流变应力的影响规律。基于Arrhenius方程计算获得20Cr2Ni4A钢峰值应力和全应变本构模型，能够准确预测20Cr2Ni4A钢在高温变形时不同条件下的峰值应力和流变应力曲线。根据动态材料模型理论建立20Cr2Ni4A钢的热加工图，并结合微观组织得出最适宜热变形工艺参数为：875~925℃，应变速率0.01~0.02s-1区域;925~1050℃，应变速率0.01~1s-1区域。　　基于20Cr2Ni4A钢不同变形条件下的流变应力曲线，利用加工硬化率构建了εc与εp的动态再结晶临界应变模型，应用Avrami方程建立动态再结晶体积分数模型，并通过金相统计再结晶晶粒尺寸建立动态再结晶晶粒尺寸模型。将模型导入Deform-3D软件对20Cr2Ni4A钢的热压缩过程进行有限元数值模拟，模拟结果与实验所得结果基本吻合，说明建立的模型可以准确描述20Cr2Ni4A钢的动态再结晶行为。根据EBSD对显微组织分析，20Cr2Ni4A钢的动态再结晶过程是非连续动态再结晶为主，连续动态再结晶辅助的形核机制，连续动态再结晶随着变形速率的增加作用减弱，随着变形温度的升高作用增强。　　根据晶粒长大热激活、曲率驱动和界面能量最小机制，构建描述20Cr2Ni4A钢晶粒正常长大的元胞自动机模型，建立了真实时间和模拟时间的对应关系并对模型进行试验验证，平均误差为4.94%，模拟结果符合晶粒正常长大的物理机制和相关理论。基于动态再结晶行为的理论模型与物理机制，构建20Cr2Ni4A钢动态再结晶元胞自动机模型，模拟的组织演化规律和实验得到变化规律基本一致，符合理论分析与热变形试验结果，可以为热加工工艺制定和材料力学性能调控提供理论依据。

关键词： 摆线齿轮泵   内外转子   粉末冶金工艺   误差分析   故障树分析  

摘要： 在运用粉末冶金技术对摆线齿轮泵转子组件进行生产加工时,会存在某些因素导致同轴度误差的产生,严重影响产品精度和生产效率。为此本文进行了针对转子组件同轴度误差消除的相关研究和分析,以期能提高转子的加工精度,促进摆线齿轮泵在技术和产业方面的发展。 首先,进行转子建模。本文通过将几何尺寸、参数方程和CAD、Solid Works建模软件结合,得到了内外转子的二维、三维模型,并通过模型对同轴度进行了初步分析,建立了同轴度与转子轮廓、参数等的关系,是后文进行转子加工、测量和误差分析的重要前提。 其次,基于建模数据进行转子加工和加工后测量。本文采用模压成型法进行转子组件的加工,其过程为:生产粉末——压制成型——烧结——机加工及后处理。在加工完成后,采用三坐标法对转子组件进行测量,结果为:内转子达标率71.7%,外转子达标率78.3%,达标率较低严重影响加工效率。 然后,基于测量结果进行转子误差分析。本文基于故障树分析法对加工中可能存在影响同轴度的因素进行分析,并结合文献资料及实际加工经验估算出各因素的分布参数,分析得到了各因素的发生概率,结论为:转子组件在粉末冶金加工工艺过程中产生同轴度误差的概率在12%～14%之间。 最后,基于误差分析结果提出工艺改进措施,进行实验和测量验证。本文通过热处理提高芯棒硬度,通过实验和有限元仿真确定了合理的烧结温度和带传动速度,通过整形消除其余因素对精度的影响,最终采用三坐标法测量改进后的转子,结果为:内外转子的达标率都在85%以上,改进后转子组件的整体达标率为88.3%,相较于改进前使达标率提高了16.6%,验证了本文所提出改进措施的合理性与可行性。