关键词： 附加颗粒阻尼   矿山机械   重型齿轮   减振方法  

摘要： 为降低矿山机械重型齿轮啮合时的冲击和振动，提高齿轮系统的稳定性与可靠性，本文开展了基于附加颗粒阻尼的矿山机械重型齿轮减振方法研究。首先，建立矿山机械重型齿轮动力学模型，得到齿轮系统的动态响应；其次，选择颗粒阻尼材料，确定其粒径分布与形状；在此基础上，将附加颗粒阻尼器安装在矿山机械重型齿轮传动系统振动源附近或振动传递路径上，最大程度地吸收和转化振动能量。试验结果表明，该方法应用后，在所有转速下均表现出明显的振动加速度降低效果，显示出良好的稳定性与适应性，且损耗因子较高，在能量耗散方面更为有效，可以更好地抑制齿轮传动系统的振动。

关键词： 风电机组   传感器   轴承   齿轮   故障诊断  

摘要： 风能已经成为可持续发展战略中最重要的清洁能源之一,风电机组的高效运维和故障诊断已成为当前电力系统面临的重要问题。轴承和齿轮作为关键部件为风电机组传动系统的健康运行提供结构支撑和动力传递。由于复杂因素及恶劣环境的影响,这些组件也是传动系统中的易损部分。一旦轴承或齿轮出现故障,很可能会对整个设备造成损坏,导致更严重的后果。而当风电机组传动系统的传感器出现故障或异常时,可能会导致传感器数据的不准确性,进而影响到系统的监测、诊断和控制过程。 本文以风电机组传动系统关键部件为研究对象,由于非线性系统难以建立数学模型,当传感器发生故障时,利用输入输出数据构建自适应控制策略,可以保证传感器发生故障时系统可靠运行;针对风机轴承复合故障特征难以提取的问题,提出了自适应参数的特征模态分解复合故障诊断方法,解决了复合故障相互耦合时难以提取的问题;针对风机齿轮多故障难以准确识别的问题,提出了将共振稀疏分解与特征模态分解相结合的方法进行故障的特征增强,进而可以有效识别不同故障类型。论文主要工作有: 针对难以建立精确数学模型的非线性系统发生传感器故障的问题,提出了一种基于偏格式动态线性化(PFDL)的无模型自适应控制方法。首先,利用输入输出(I/O)数据,通过引入伪梯度向量来构建等效的偏格式动态线性化数据模型。然后,为了根据因未知故障而损坏的传感器测量值来估计系统的实际输出,采用径向基函数网络(RBFNN)并对其进行训练,通过该网络可以间接地推导出故障信号的补偿。基于最优准则,提出一种自适应控制策略,保证了跟踪误差的收敛性和系统信号的有界性。通过数值仿真验证所提出的传感器故障优化策略的有效性。 针对风机轴承故障耦合时复合故障特征难以提取的问题,提出了一种基于自适应参数的特征模态分解复合故障诊断方法。首先建立了综合周期冲击指数(CCSI)作为故障诊断指标,来评估信号稀疏性和周期冲击性;其次以CCSI作为麻雀搜索算法(SSA)的适应度函数优化特征模态分解(FMD),自适应选择特征模态分解的最优参数并利用特征模态分解将振动信号分解为若干模态分量;然后利用峭度准则选取有效模态分量重构振动信号引入虚拟多通道;最后采用典型相关分析算法(CCA)将重构后信号分离出不同故障特征频率,从而识别故障类型。通过仿真信号和实际信号验证了该方法在滚动轴承复合故障诊断中的有效性。 针对风机齿轮故障诊断中采集到的振动信号包含复杂冗余成分和噪声干扰的问题,提出了基于共振稀疏特征分解和最小二乘支持向量机的齿轮故障诊断方法。首先,利用麻雀搜索算法,以CCSI与相关系数的融合指标为适应度函数来确定共振稀疏分解(RSSD)分解参数,得到最优低共振分量;然后,对低共振分量采用参数自适应的特征模态分解得到CCSI最小的模态分量作为重构信号,增强故障特征。利用结合多尺度样本熵(MSE)对降噪后的信号进行特征提取;最后,利用最小二乘支持向量机对所提取的特征进行识别。通过实验验证,该方法进行故障诊断的准确率可以达到97.33%,与RSSD-LSSVM、VMD-SVM方法对比,所提出的方法具有更高的诊断准确率,为齿轮的故障诊断提供了新的方法。

关键词： Q235-POM齿轮副   摩擦磨损   摩擦系数预测   稳态热  

摘要： 近些年来,金属齿轮与塑料齿轮配对啮合的方法在诸多场合得到了应用,这种配对方式不仅可以兼顾两者的优势,还能在一定程度上互补各自的不足。就目前而言,针对金属-塑料齿轮副啮合的研究尚不充分,一刚一柔两种齿轮之间的摩擦磨损情况还有待深入研究。并且由于塑料齿轮自身性能易受摩擦温升的影响,进行金属-塑料齿轮副啮合温度场的探讨和研究同样具有重要的学术价值和现实意义。本文以某品牌大型智能扫地机器人中的Q235-POM传动齿轮副为研究对象,Q235齿轮、POM齿轮分别作为主动轮和从动轮,对此进行摩擦磨损实验及稳态温度场有限元分析,研究内容对于企业应用此类齿轮副具有指导意义,并且对于相关齿轮副的设计同样具有参考意义。主要进行了以下工作: 1.使用POM和Q235分别加工成销-盘摩擦副的上、下试件,在万能摩擦磨损试验机上进行旋转摩擦磨损试验,通过改变摩擦副的法向载荷及转速进行了单变量实验,得到了对应工况下的摩擦系数变化曲线,分析了法向载荷和转速对摩擦系数的影响规律,并且从微观结构方面分析了载荷、转速对扫地机器人齿轮副材料摩擦学性能的影响。结果表明:摩擦系数随载荷、转速的增加呈现不同幅度的上升趋势;低速、低载下的磨损形式主要以磨粒磨损、擦伤为主,但随着载荷和转速的增大,摩擦副的磨损形式逐渐转变为以胶合、擦伤为主。 2.基于不同负载和转速下进行的25组正交摩擦磨损实验,以负载和转速为输入,以摩擦系数为输出,设置了相关的网络参数,确定了神经网络的结构,并结合实验得到的数据样本训练建立了针对摩擦系数的GA-BP神经网络预测模型。该预测模型的平均均方误差为0.0000197,平均拟合度为0.9931,对摩擦系数的平均预测误差为3.88%。 3.建立POM齿轮三维几何模型,并在Hyper Mesh中进行网格划分及材料属性的定义。根据稳态温度场分析的需求,计算出POM齿面的热边界条件,仿真得到不同转速、转矩下的POM齿轮本体稳态温度场及热变形分布情况,分析了转速、转矩对POM齿轮稳态温升和热变形的影响规律。结果表明:POM齿轮的主要温升发生在节线分别靠近齿顶及齿根的区域,温度场呈细长椭圆状分布;POM齿轮的稳态热变形主要发生齿顶部位,且整体热变形沿齿宽中截面对称,变形量由齿顶向齿底方向逐渐减小,最大变形量出现齿顶的两端。

关键词： 行星齿轮系统   数字孪生   模型构建   模型更新   虚实交互  

摘要： 行星齿轮系统被广泛应用在交通运输、风力发电和生产制造等工程领域内。作为传动系统中的关键环节,行星齿轮箱通常需要在高速重载的恶劣工况下长期工作,若不能及时而真实地监测其运行状态,就容易发生经济损失甚至人员伤亡事件。因此,研究基于数字孪生的行星齿轮系统状态监测技术具有重要的理论研究意义和重大的工程应用价值,而数字孪生模型作为数字孪生技术的核心,研究其构建与更新方法具有深远的意义。 结合集中参数法和有限元分析,基于现象学模型构建了行星齿轮系统刚柔耦合动力学模型。综合考虑了各齿轮部件的径向刚度、周向刚度和时变啮合刚度,根据达朗贝尔原理构建行星齿轮动力学微分方程;并对行星齿轮箱壳体进行有限元分析,获取时变柔性传递路径;将行星齿轮系统振动响应视为齿轮啮合力和内齿圈时变柔性传递路径的卷积,形成行星齿轮系统刚柔耦合动力学模型;通过优化微分方程建构过程和数值求解算法,实现动力学模型的高效求解,并探索了改进内嵌物理知识神经网络在多体动力学模型求解方面的运用。 引入数字孪生技术,提出一种粒子群优化算法和Kriging代理模型相结合的方法进行模型参数反演,得到高保真数字孪生模型。将数字孪生体更新视作最优化问题,基于优化拉丁超分布采样的样本点建立Kriging代理模型,通过粒子群算法快速寻优,将每轮迭代的最优样本点纳入样本集,以提高下一轮代理模型精度,从而不断修正模型参数,实现数字孪生模型更新,并通过行星齿轮系统数字孪生体更新试验离线验证所提模型更新方法的有效性。 提出行星齿轮系统数字孪生体虚实交互系统框架,通过虚实交互来实现行星齿轮系统数字孪生模型更新及部分常用功能。引入Lab VIEW作为虚实交互系统平台的主要载体,实现伺服电机、信号采集卡与MATLAB三者间的信息互通;设计系统登录、电机控制、状态监测和模型更新四大模块,并通过行星齿轮系统数字孪生体虚实交互试验在线验证所建虚实交互系统的有效性。

关键词： 微粒子喷丸   微观形貌   锥形微凸体   齿轮动力学   动态特性  

摘要： 作为高性能齿轮制造的关键技术之一,微粒子喷丸不但能获得高的表面残余压应力,而且不显著影响齿轮精度,并能降低表面粗糙度,赋予齿面独特的微观形貌特征。微粒子喷丸齿轮表面的微观形貌会影响齿轮法向接触刚度和法向接触阻尼,从而影响齿轮的动力学性能。本文研究微粒子喷丸齿轮的微观形貌特征,提取分形特征参数;建立考虑微观形貌的齿轮法向接触模型和时变啮合刚度模型,研究微粒子喷丸齿轮的动力学性能。 通过调控喷丸压强对齿轮表面进行强化处理,分析微粒子喷丸齿轮表面特性,并提取齿面轮廓高度数据,提出圆锥形微凸体假设,采用W-M分形函数对齿面整体轮廓形状进行模拟与表征。建立微凸体的接触载荷模型,推导微凸体的法向接触刚度和接触阻尼计算公式,构建微凸体的接触力学模型。考虑齿轮的特性参数,基于圆锥微凸体假设建立齿面法向接触刚度、接触阻尼模型,仿真分析分形维数、分形粗糙度、材料塑性指数对法向接触刚度和法向接触阻尼的影响规律,并实验验证接触刚度和接触阻尼模型。在此基础上,分析了不同微粒子喷丸压强下齿轮法向接触刚度及法向接触阻尼的变化趋势。研究结果表明,微粒子喷丸技术能够有效提升齿轮的法向接触刚度和法向接触阻尼,分形接触刚度提高了2×10～8Mpa,法向接触阻尼提高了100.8。随着分形维数增大、分形粗糙度降低,法向接触刚度增大;分形维数增大,法向接触阻尼增大,当分形维数较小时,法向接触阻尼随分形粗糙度增大而增大,当分形维数较大时,法向接触阻尼随分形粗糙度增大而减小。 建立考虑齿面微观形貌的时变啮合刚度模型和六自由度齿轮动力学模型,利用龙格-库塔算法对动力学模型进行数值求解,得到时间历程图、频谱图、庞加莱截面图、相图以及分岔图,比较分析考虑齿面微观形貌前后的系统动态特性;分析系统模型的分形维数、阻尼和啮合刚度幅值对动态特性的影响,揭示微粒子喷丸对系统动态特性的影响规律,结果表明,微粒子喷丸所影响的分形参数主要影响传动系统的稳定性、周期性,阻尼以及时变啮合刚度幅值主要影响传动系统运动的周期性和分岔特性。 最后利用齿轮系统振动实验测试平台分别进行转速500 rpm、1000 rpm和2000 rpm的振动加速度信号测试实验,比较分析考虑和不考虑齿面微观形貌的齿轮在不同转速下的位移-频谱图,并与实验结果对比。结果表明,考虑齿面微观形貌的模型仿真结果与实验结果更接近,误差均在10%以内,验证建立的考虑齿面微观形貌的动力学模型的准确性。

关键词： 圆柱齿轮   半解析方法   传动误差   弹性误差  

摘要： 齿轮传动系统因其高承载能力和精准的传动特性,被广泛应用于航天航空、舰船和工业机器人等要求重载和高精度的设备中,传动精度是评价系统的传动性能的重要指标。然而齿轮的制造误差、安装偏差以及弹性变形等因素,都可能对传动精度产生不利影响,导致系统出现噪声和振动,进而缩短齿轮的使用寿命。因此在弹性和误差作用下齿轮接触的高效精准建模是研究齿轮传动精度特性的重要基础。为高效精准地分析圆柱齿轮的误差和弹性对传动精度特性的影响,提出了弹性误差的齿轮副半解析接触模型,以斜齿轮为例进行算例分析,采用ANSYS和MATLAB软件仿真验证,研究齿轮的齿廓误差、轴线误差以及修形对传动精度的影响规律。 (1)基于齿轮的渐开线共轭原理,建立齿轮理想的几何模型,将渐开线圆柱齿轮的齿面方程与齿廓误差相结合,建立了误差齿面模型,得到误差齿面表达式。 (2)将解析法和有限元法相结合,建立了弹性和误差作用下齿轮副半解析接触模型。构建齿轮整体和局部的有限元模型,使用子结构法提取接触齿面的柔度系数矩阵,推导变形协调方程和力平衡方程,形成了斜齿轮的传动误差计算流程。 (3)应用所建立的齿轮副半解析接触模型进行传动精度分析。首先分析齿廓误差对传动精度的影响,接下来研究不同的齿廓误差精度等级、弹性作用及轴不平行误差对齿轮传动精度的影响规律。最后对齿轮进行齿廓修形降低齿轮的传动精度大小,进行齿向修形改善齿面载荷分布情况。 (4)齿轮副半解析接触模型及修形效果验证。通过建立齿轮有限元模型,将有限元的传动误差结果与半解析法的传动误差结果进行对比,验证了提出的半解析接触模型的高效性和精准性,求解效率提高了79.57倍。基于齿廓修形的最佳修形参数,采用动力学分析方法,对齿轮修形前后进行传动效果的验证,从而为齿轮副在工程中的应用提供了理论指导。

关键词： VH-CATT圆柱齿轮   真实齿面重构   几何接触特性   Ease-off   承载接触特性  

摘要： 变双曲圆弧齿线圆柱齿轮(VH-CATT圆柱齿轮)作为一种新型齿轮,具有对中性好、无轴向力、承载能力强和啮合性能好等优点,在传动领域中有着广阔的应用前景。由于制造误差和材料变形等因素的影响,加工后的真实齿面偏离理论齿面,为揭示该齿轮在实际工况下的啮合性能,需要对真实齿面进行重构;VH-CATT圆柱齿轮在啮出时存在齿顶边缘接触,而TCA方法在计算过程中未考虑此种情况,因此不能反映该齿轮完整啮合过程。针对上述问题,本文对加工后的真实齿面进行了重构,建立了TCA模型、基于ease-off的齿面接触分析模型和LTCA模型,分析了该齿轮的完整啮合过程,揭示了真实齿轮及理论齿轮啮合特性演变规律。主要研究内容如下: (1)齿面几何特性与齿面测量。基于微分几何理论,推导VH-CATT圆柱齿轮齿面主曲率、主方向和接触椭圆计算公式;通过齿轮测量中心对真实齿面进行测量,获得真实齿面离散点坐标。 (2)真实齿面重构与几何接触分析。计算理论齿面点与实际测量点间的偏差,拟合离散偏差点得到偏差曲面,将偏差曲面与理论齿面通过空间几何关系进行叠加,求解出真实齿面数学方程,计算真实齿面点与实际测量点间的偏差,验证真实齿面数学模型的精确性;利用TCA方法对比分析了真实齿面及理论齿面几何接触特性,为真实齿轮啮合过程的初步判断提供理论基础。 (3)基于ease-off的完整啮合过程分析。将安装误差引入到共轭啮合坐标系中,利用包络关系得到了与理论大齿轮完全共轭的小齿轮,计算理论小齿轮和共轭小齿轮在共轭接触线上的法向偏差,利用拉格朗日乘数法求解偏差值最小点,基于ease-off的几何含义求解VH-CATT圆柱齿轮的完整啮合过程,分析了不同安装误差对齿面接触特性的影响规律。 (4)真实齿面承载接触分析。基于TCA计算结果求解初始齿面间隙,结合有限元方法和混合插值方法计算了齿面离散接触点的柔度矩阵,基于齿面变形协调条件与力平衡条件建立并求解了LTCA模型,对比LTCA计算结果和有限元计算结果,验证了LTCA计算的正确性;对比了真实齿轮及理论齿轮承载啮合过程,分析了负载转矩对承载接触特性的影响规律,为真实齿轮承载啮合性能预测提供理论依据。