关键词： 裂纹-点蚀耦合   人字齿轮   行星轮系   时变啮合刚度   振动特性   振动试验  

摘要： 人字齿轮行星轮系因其传动性能平稳、结构紧凑、承载能力强等优势,广泛应用于航空航天、舰船和工程机械等高速重载传动中。由于人字齿轮行星轮系结构复杂、工作环境恶劣等会导致裂纹和点蚀很可能同时发生并集中在同一齿上,从而影响到传动系统的平稳性。然而,目前关于含裂纹-点蚀耦合的人字齿轮行星轮系的研究机理仍然有限,这给研究人字齿轮行星轮系带来了更多的挑战。因此对含裂纹-点蚀耦合的人字齿轮行星轮系时变啮合刚度计算及振动特性研究具有重要的理论价值和工程价值。研究内容如下: (1)基于切片法原理和悬臂梁模型,得到人字齿轮单片齿轮模型。根据势能法分别推导了无裂纹-点蚀耦合和裂纹-点蚀耦合的人字齿轮行星轮系的轴向压缩刚度、弯曲刚度、剪切刚度、赫兹刚度和基体刚度,得到了无裂纹-点蚀耦合和裂纹-点蚀耦合的人字齿轮行星轮系的时变啮合刚度。采用有限元法计算了无裂纹-点蚀耦合和裂纹-点蚀耦合的时变啮合刚度。对比分析了势能法法和有限元法求解的时变啮合刚度,验证了建立的时变啮合刚度计算方法的正确性。最后分析了人字齿轮行星轮系各齿轮副对裂纹-点蚀耦合的敏感性。 (2)为深入探究裂纹-点蚀耦合对人字齿轮行星轮系振动特性的影响,基于集中质量参数法,建立了考虑时变啮合刚度、扭转刚度、啮合阻尼、齿侧间隙、综合啮合误差和退刀槽等多因素的人字齿轮行星轮系55自由度弯-扭-轴-摆耦合动力学模型。深入分析了系统构件的相对位移,推导了系统动力学方程以及综合啮合误差、啮合阻尼、齿侧间隙和系统各特征频率的计算公式。 (3)结合建立的系统动力学模型,引入了无裂纹-点蚀耦合和裂纹-点蚀耦合的时变啮合刚度作为激励参数,采用变步长四阶Runge-Kutta法求解了系统动力学微分方程,得到了人字齿轮行星轮系各情况下的振动响应信号。通过振动响应图分析了裂纹-点蚀耦合对系统的振动特性影响规律。此外,基于振动响应信号和频域响应信号分析了波峰因子、峰度和边频带指数三个信号指标对不同裂纹-点蚀耦合情况的敏感性。 (4)搭建了人字齿轮行星轮系振动试验平台,采用线切割和电火花技术加工了裂纹-点蚀耦合人字齿轮。开展了裂纹-点蚀耦合的人字齿轮行星轮系振动测试试验,得到了系统振动响应信号。对比分析了试验结果和理论结果,验证了建立的动力学模型的正确性。 通过以上研究,揭示了裂纹-点蚀耦合对人字齿轮行星轮系时变啮合刚度的影响规律,通过时域图、频域图、相图和庞加莱映射图揭示了系统随裂纹-点蚀耦合程度的不断增加的振动特性影响规律。此外,通过试验结果验证了理论分析结果。

关键词： 螺旋锥齿轮   传动系统   有限元   啮合错位   静态分析   动态分析  

摘要： 螺旋锥齿轮传动系统具有传动效率高、承载能力强和结构紧凑等特点,被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。在传递动力过程中,传动系统受载变形会导致齿轮副啮合状态产生偏移,从而影响齿轮副传动性能。通过构建螺旋锥齿轮传动系统模型求解系统变形,若利用梁单元建立分析模型,其计算速度快但计算结果不够准确;若构建包含齿轮接触的实体全有限元模型,其计算结果准确但计算速度慢。因此迫切需要一种能够同时包含准确和快速两方面的方法,对分析传动系统性能非常重要。 针对上述问题,本文采用有限元法研究螺旋锥齿轮传动系统性能,同时解决分析效率高和计算结果准确的问题。具体的研究工作如下: (1)为了构建螺旋锥齿轮传动系统分析模型,研究传动系统各组成部分的力学模型等效方法。将传动轴分别等效为实体有限元模型和梁单元模型,将齿轮副啮合接触作用等效为啮合力和包含啮合刚度的刚性圆盘,将轴承支撑作用等效为刚度矩阵。 (2)基于实体有限元的传动轴耦合分析模型,研究传动系统的啮合错位量。利用齿面方程构建多齿啮合分析模型,基于啮合错位调整该模型姿态,研究其加载接触分析特性。同时建立基于梁单元的螺旋锥齿轮传动系统模型和包含齿面接触的螺旋锥齿轮传动系统全有限元模型与本文方法的理论结果对比分析。采用本文提出的实体有限元的分步螺旋锥齿轮传动系统性能分析方法,能够提高系统的计算精度和计算效率。 (3)基于多齿啮合模型求解多齿啮合刚度,构建包含啮合刚度的螺旋锥齿轮传动系统动力学模型。通过模态分析获得传动系统固有特性,在此基础上,采用傅里叶变换将多齿啮合力变为简谐载荷,通过模态叠加法求解在该激励下传动系统的动态响应。 (4)通过某数控滚动检查机完成螺旋锥齿轮副的测试实验,获得系统的加载印痕与传动误差。同时采用了加速度传感器提取啮合过程中的振动信号,利用某软件完成信号处理获得系统频率特性曲线。与理论的静态和动态特性分析结果作对比。针对实验结果,研究如何优化螺旋锥齿轮传动系统的振动噪声。 通过本文研究,解决了螺旋锥齿轮传动系统快速且准确的性能分析问题,并利用某数控滚动检查机完成测试实验,验证了螺旋锥齿轮传动系统模型的静态和动态特性分析方法的可行性和准确性。对螺旋锥齿轮传动系统的调整设计与理论分析提供一定指导。

关键词： 模糊理论   铜矿颚式破碎机齿轮   寿命预测   区间估计   不确定性   隶属度函数  

摘要： 齿轮寿命受诸多因素影响，导致对其的预测准确性难以得到保障。为此，本文提出基于模糊理论的铜矿颚式破碎机齿轮寿命预测方法。考虑材料、精度、负载、工作环境等多个因素，构建了铜矿颚式破碎机齿轮寿命预测模型，并引入了区间估计方法，通过确定寿命模型变量的取值范围，量化其不确定性。在预测阶段确定了各模糊变量的隶属度函数，并结合模糊规则库推理预测齿轮寿命。在测试结果中，对于不同运行状态下铜矿颚式破碎机齿轮寿命预测结果的误差均在10.0h以内。

关键词： 盾构机   三级行星减速器   点蚀   级间耦合   动态特性  

摘要： 盾构机主减速器作为主驱动系统的关键部件,其可靠性直接影响着盾构机的安全与施工效率。由于行星齿轮减速器的动力传递路径复杂,同时受到不断变动的内外部载荷等因素的影响,盾构机主减速器的轮齿易发生点蚀故障,若不能及时发现并更换点蚀故障齿轮,最终可能导致齿面剥落、断齿等严重失效,致使传动系统失效。为此,本文针对盾构机主减速器轮齿易发生点蚀故障,且盾构机主减速器含轮齿点蚀故障的动态特性不清晰、故障检测困难问题,分别从轮齿点蚀坑的形成,点蚀故障下齿轮啮合刚度的求解,轮齿点蚀故障对盾构机主减速器动态特性的影响三个方面进行了研究。本文主要研究内容如下: 首先,分析了轮齿点蚀坑的形态特征。根据盾构机主减速器运行工况计算了单个齿轮啮合周期中齿轮啮合参数,采用最大应力集中法获得了轮齿最早发生点蚀的部位,利用牛顿迭代法计算了弹流润滑下齿轮接触压力,基于扩展有限元法对轮齿点蚀的形成进行了数值模拟,获得了准确的轮齿点蚀坑样貌,通过控制变量法分析了不同载荷下轮齿点蚀坑的形态特征。 然后,计算了不同点蚀程度下齿轮啮合刚度。根据获得的轮齿点蚀坑样貌,采用部分球状体模型表示轮齿点蚀坑,以正态分布的形式来模拟轮齿点蚀坑的分布,建立了不同点蚀程度下的齿轮啮合刚度计算模型,基于能量法求解了不同点蚀程度下齿轮啮合刚度,并与有限元法的计算结果进行了对比,验证了能量法求解不同点蚀程度下齿轮啮合刚度的有效性。 最后,研究了轮齿点蚀故障对盾构机主减速器动态特性的影响规律。利用集中参数法建立了考虑齿轮时变啮合刚度、综合误差和阻尼的三级行星齿轮系统动力学模型,结合求得的不同点蚀程度下第一级外啮合齿轮啮合刚度,采用4～5阶变步长自适应龙格库塔法求解了含第一级太阳轮点蚀故障的三级行星齿轮系统动态响应,并分析了动态响应的频域特征与时域统计特征,采用时域统计指标分析了故障信号。研究结果可以为盾构机主减速器的故障诊断与检测提供理论依据,对于及时发现齿轮故障并实时追踪其发展情况,从而有效避免严重事故的发生,保证盾构机的安全高效施工具有重要意义。

关键词： 性能退化分析   性能退化预测   长短期记忆网络   全寿命周期运行信号   故障诊断  

摘要： 风电机组服役过程要经历不同的退化状态,而齿轮箱发生不同严重程度的故障损伤是导致机组性能退化和发生失效的主要原因。因此,齿轮箱性能退化状况将直接影响到风电工程的安全性和经济效益。如果能够对风电机组齿轮箱的性能退化状态进行分析与评估,通过预测性方式来判断机组运行退化状态的趋势和退化故障的发生,在提高风电机组安全性与经济性中具有重要意义。对此,本论文提出风电机组齿轮箱性能退化分析与预测方法,分别从性能退化分析与运行状态划分、性能退化趋势预测和运行退化故障预测三个方面进行研究。主要研究内容如下: (1)针对风电机组装配可靠性高,运行年限长,难以直接获取齿轮箱全寿命周期运行信号,以及无法直接监测出齿轮箱性能退化状况的问题,提出风电机组齿轮箱性能退化分析与运行状态评估方法。首先,分析齿轮箱的故障机理和振动故障特征,探寻不同严重程度故障对齿轮箱性能退化的影响;其次,以均值指标化解决采样信号的抗干扰问题,提出均值灰色关系指数的性能退化指标,并对全寿命周期运行过程进行性能退化处理,使运行过程以性能退化形式呈现;然后,对运行退化状态阶段进行重新划分,并定义了初退化运行状态阶段,实现对故障的精细化处理;最后,根据风电机组长期的监测信号,整合出齿轮箱全寿命周期运行测试信号,并通过均值灰色关系指数的性能退化测试,验证了整合风电机组齿轮箱全寿命周期运行信号的合理性,以及性能退化指标的适用性和准确性,为后续进行性能退化预测提供支持。 (2)针对风电机组运行信号具有较强的非线性特征,齿轮箱性能退化趋势难以预测,以及预测稳定性不足的问题,提出风电机组齿轮箱性能退化趋势预测方法。首先,依据循环神经网络非线性预测能力强的特点,建立长短期记忆网络预测模型,并介绍了网络的基本原理,缓解非线性特征信息难以预测的问题;其次,依据自检验方法稳定性强的特点,构建以检验阈值为核心的检验层,设计预测通过率的预测效果评价方式,提出自检验长短期记忆网络性能退化预测模型,弥补单一误差评价方式预测模型缺乏稳定性的问题;最后,通过试验台采样信号和风电机组齿轮箱采样信号的实验测试,测试出预测误差与机组运行时长之间的关系,再将性能退化指标的处理方式引入到自检验长短期记忆网络预测模型中,进行性能退化趋势预测,实验验证了所提模型能够有效实现对风电机组齿轮箱性能退化趋势的预测。 (3)针对风电机组运行状况复杂多变,难以直接判断出齿轮箱运行过程中退化故障发生阶段的问题,提出风电机组齿轮箱运行退化故障预测方法。首先,根据风电机组运行状态和故障发生之间的关系,将齿轮箱的运行故障归纳为运行突发故障、运行加剧退化故障和运行早期微弱退化故障;其次,根据预测输入与预测输出之间的回归预测关系,建立长短期记忆网络预测模型,并介绍了运行退化故障的预测原理;然后,根据分段预测的思想,建立叠加与递进的预测通道,设计通道间的选择与对比机制,提出叠加与递进长短期记忆网络故障预测模型,用于运行早期微弱退化故障预测;最后,通过试验台采样信号和风电机组齿轮箱采样信号的实验测试,根据不同运行阶段之间的预测误差变化关系,预测出运行退化故障的发生阶段,验证了所提模型能够实现对运行退化故障的预测。

关键词： POM聚合物齿轮   微点蚀   温度-模量效应   间断接触  

摘要： 本文研究了钢-聚甲醛(POM)齿轮的弹流润滑问题,主要研究内容包括以下四个方面:分析了钢-聚合物齿轮等温线接触弹流润滑性能;计入POM齿轮弹性模量随运行温度的变化,研究了钢-POM齿轮的热弹流润滑性能;考虑无侧隙啮合,研究了单、双对齿间断啮合时钢-POM齿轮的有限长线接触等温弹流润滑性能;分析了钢-POM齿轮齿轮间断接触的热弹流润滑性能。 首先,建立了钢-聚合物齿轮等温线接触弹流润滑模型,研究了不同的聚合物材料、压力角、转速、载荷和润滑油黏度对弹流润滑性能的影响,并通过膜厚比判断润滑状态,最小油膜安全系数判断是否发生点蚀失效。结果表明:在润滑条件下,钢-POM齿轮相对于钢-聚醚醚酮(PEEK)和钢-聚苯硫醚(PPS)齿轮润滑状态更稳定;压力角、载荷、转速和黏度会影响油膜厚度,改变齿轮轮齿间的润滑状态;对于钢-POM齿轮,在压力角过小、转速过低、载荷过大、润滑油黏度较小时,钢-POM齿轮易发生点蚀失效。 其次,建立钢-POM齿轮线接触热弹流润滑模型,分析了钢-POM齿轮的热弹流润滑性能;计入POM齿轮弹性模量随运行温度的变化,分析了不同运行温度、转速、载荷对弹流润滑性能的影响。结果表明:钢-POM齿轮在啮入点处的油膜温度最高,啮出点附近油膜温度最低。油膜最大温升较低且靠近POM聚合物齿轮。计入POM齿轮弹性模量随运行温度的变化,运行温度越高,油膜压力和膜厚减小,油膜最大温升随运行温度升高而降低;入口区黏度对油膜厚度影响较大,对油膜压力影响较小;弹性模量是引起油膜压力变化的主要因素;油膜温度受环境黏度影响较大,受弹性模量影响较小。 再次,建立了钢-POM齿轮有限长线接触等温弹流润滑模型,通过双对齿啮合时刚体位移相等得到两对轮齿分担的载荷,讨论了不同模数、传动比和主动轮齿数对弹流润滑性能的影响。结果表明:齿轮在双对齿啮合时,齿对1承受的载荷较小,齿对2承受的载荷较大,两个接触副的油膜压力和厚度取决于综合曲率半径、载荷、椭圆接触尺寸等多重因素;在单齿啮合区,椭圆接触面积是影响油膜压力的重要因素;在啮合过程中,接触副均处于混合润滑状态,在啮入点易发生微点蚀失效。增加齿轮模数和主动轮齿数,可以减小油膜压力,增加膜厚,改善齿轮润滑状态,降低啮入点微点蚀失效的风险,增大传动比,啮入点处最小油膜厚度减小,微点蚀失效风险增加。 最后,建立了钢-POM齿轮的有限长线接触热弹流润滑模型,分析了齿廓间断接触的热弹流润滑性能,比较了传动比、压力角和POM作为主动轮对油膜温度和热胶合的影响。结果表明:在双齿啮合的过程中,齿对1油膜温度减小,齿对2油膜温度增加,载荷、椭圆接触面积、齿面摩擦系数影响最大油膜温度。为了减小热胶合风险、提高钢-POM齿轮的润滑性能,应选择较小的传动比和较大的压力角。与POM作为主动轮相比比,POM用作从动轮时各啮合点的温度分布差别不大,啮入点处油膜厚度略小。因此,POM作为从动轮的热弹流润滑性能较好。