关键词： 直齿轮传动   轮齿破损   非线性动力学   多状态啮合-碰撞   接触力  

摘要： 齿轮传动设计用于复杂环境及工况工作数十年,在其运行期间出现轮齿故障是不可避免的,轮齿破损或折断作为齿轮失效的主要形式之一,对传动系统的健康、稳定运行有重要影响。故障轮齿不仅影响齿轮副的啮合状态,而且易诱发齿背碰撞行为。本文考虑轮齿瞬时接触特征,建立齿轮副啮合-碰撞物理模型,讨论轮齿破损下齿轮系统运动状态与时变啮合因子变化规律;基于齿轮副接触状态和受力环境建立齿轮系统多状态啮合-碰撞动力学模型;分析轮齿破损下系统接触力演化规律及混沌、分岔特性,建立有限元模型,验证轮齿破损下系统承载能力变化规律。研究结果为齿轮系统参数设计和故障预测提供理论参考。主要内容如下: 基于齿轮啮合原理和连续碰撞接触力模型,考虑轮齿接触的瞬时性,建立齿轮副简化的啮合碰撞物理模型。讨论轮齿破损对齿轮副交替运动规律的影响,对轮齿破损下多状态啮合-碰撞行为进行分类,讨论轮齿破损对齿轮系统啮合刚度和载荷分配的影响特征。结果表明,轮齿破损影响局部啮合行为,减小局部刚度、降低承载能力,为轮齿破损下齿轮系统动力学建模与分析奠定基础。 基于多状态啮合-碰撞行为与时变啮合因子,考虑齿背接触的瞬时特性,根据齿轮啮合原理、牛顿第二定律、接触碰撞理论及齿轮副受力环境,建立齿轮副啮合-碰撞扭转振动方程,并对动力学方程进行无量纲处理,得到轮齿破损下渐开线直齿轮系统多状态啮合-碰撞离散动力学模型,为轮齿破损下齿轮系统啮合-碰撞特性分析提供动力学模型。 通过四阶变步长Runge-Kutta法求解动力学方程,定义不同的Poincaré映射截面,分析轮齿破损下接触力变化机理,研究随系统参数变化下破损齿轮系统啮合-碰撞及分岔特性,建立轮齿破损下齿轮系统有限元模型,对比分析等效应力分布情况。研究发现,轮齿破损影响接触力演化规律,降低齿轮局部承载能力;较小啮合频率诱发齿背碰撞行为;较小载荷诱发多吸引子共存现象,加剧系统运动的复杂性,较大载荷抑制齿背碰撞;较小误差系数抑制齿背碰撞行为,随着误差系数增大,系统逐渐出现脱啮、齿背碰撞等,系统复杂性逐渐增加;轮齿破损下齿轮系统等效应力增大,局部承载能力降低,齿根处应力集中。选择合理的参数范围能够一定程度避免系统发生齿背碰撞,降低轮齿破损对齿轮系统的影响。

关键词： 有限元仿真   弹性支撑   结构优化   疲劳寿命   传动系统  

摘要： 本文基于有限元仿真计算，对三点式支撑风力发电机传动系统的齿轮箱弹性支撑的两种结构进行对比，得出结论：适当地增加齿轮箱弹性支撑的预压缩量，可有效提高其疲劳寿命，并通过试验验证其疲劳寿命及稳定性。

关键词： 滚齿工艺参数   齿轮径向综合偏差   预测模型   机理模型   数据模型  

摘要： 齿轮是机械产品传递运动和动力的核心基础零件,其检测技术是密切联系齿轮设计、制造和应用的重要枢纽,也是指导加工工艺和预估使用性能的关键一环。双面啮合测量技术可以检测齿轮径向综合偏差,该偏差是齿轮传动精度评定的重要指标,能有效反映齿轮传动质量和使用性能。滚齿加工是常用的齿轮加工方法之一,当前研究大多限于工艺参数对加工质量的影响,鲜有开展工艺参数对径向综合偏差的影响研究。 本文以渐开线圆柱齿轮为研究对象,研究滚齿工艺参数对径向综合偏差的影响,结合双面啮合测量与非接触式测量技术,基于数字孪生思想,融合机理模型与数据模型,建立径向综合偏差预测模型。具体工作内容如下: (1)滚齿工艺参数对径向综合偏差的影响。对滚齿加工原理和精度影响因素进行分析;采用单因素法和正交法进行滚齿加工试验,获取试样径向综合偏差;通过单因素分析和极差分析探究工艺参数对径向综合偏差的影响,确定本试验条件下的最优参数组合。 (2)双面啮合测量机理模型建模。对径向综合偏差预测模型整体框架进行阐述;根据双面啮合测量原理,构建双面啮合测量机理模型,通过动力学仿真分析,验证机理模型求解方法的可行性;采用非接触式测量方法获取齿面点云数据,确定齿廓总偏差,基于逆向建模技术重构真实齿轮模型,通过仿真分析方法,求解机理模型。 (3)双面啮合测量数据模型建模。基于高斯过程回归(GPR)算法,对试验数据进行学习,构建双面啮合测量数据模型;通过对比不同核函数GPR模型与最小二乘支持向量机、BP神经网络模型的预测结果,得到预测效果最佳的核函数GPR模型。 (4)双面啮合测量孪生模型建模。采用并联型结构的混合建模方式,构建双面啮合测量孪生模型,预测径向综合偏差;将孪生模型预测结果与实测数据进行对比分析,得到径向综合总偏差预测准确度达87%以上,一齿径向综合偏差预测准确度达90%以上。

关键词： 磁齿轮   损耗   脉动热管   温度   散热  

摘要： 同轴式磁场调制型磁齿轮(磁齿轮)传动通过磁场之间的耦合传递运动与动力,具有转矩密度大、无接触式传动等优势。随永磁体材料性能逐渐提高,磁齿轮功率逐步增大,永磁体损耗增加,特殊同轴式多转子结构使其散热困难,阻碍着其进一步发展。本文针对磁齿轮较大的损耗温升,提出了基于脉动热管的散热系统,具体内容如下: 分析了磁齿轮工作原理和损耗来源,基于有限元仿真计算了磁齿轮的损耗与设计参数的变化关系。根据磁齿轮损耗分析了不同变化因素对其温升的影响。结果表明在没有外加散热措施的条件下,随着磁齿轮输入功率的提高,其各部件温度会迅速升高。 分析了脉动热管的原理和优缺点,对其传热性能进行系统阐述。建立了脉动热管的数理模型,基于有限元计算给出了其运行时管内工质变化过程以及各部分温度的变化曲线。分析了不同设计参数对其传热性能的影响,计算出了其正常运行时的等效热导系数。分析认为只有当热源功率、倾角、充液率等参数在合适的阈值内变化时,才能提高脉动热传效率,当上述参数超过该阈值时,会降低其传热效率。 建立了磁齿轮有限元模型,计算出了其运行时内部空气流速。设计不同散热模型,对磁齿轮进行有限元仿真计算,并对比风冷、水冷、脉动热管冷却等散热方式对其温升的影响。将不同散热方式结合在一起,对比其散热效果。结果表明将脉动热管放置于外磁环中并与强制风冷结合可以有效地降低磁齿轮运行时的温度。 基于原有样机,重新设计并加工了调磁环,完成了实验台架搭建。对磁齿轮试验样机的温升和不同散热条件下的温降进行了测试。将实验结果与有限元仿真结果进行了对比验证,验证了仿真结果的准确性。

关键词： 精密行星齿轮减速器   传动系统   数字孪生体   疲劳寿命预测  

摘要： 精密行星齿轮减速器具有承载能力强、效率高和造价低等特点,因此被广泛应用于各行业的机械设备中。然而,正如许多机械部件一样,精密行星齿轮减速器也会面临疲劳寿命的问题,其疲劳寿命在不同条件下存在着差异。为了有效地评估和预测精密行星齿轮减速器传动系统的疲劳寿命,本文以精密行星齿轮减速器为研究对象,结合数字孪生的特性,构建精密行星减速器传动系统的数字孪生体模型。随后,对其在不同条件下的多体动力学和疲劳寿命情况进行分析。最后,利用仿真数据和LSTM模型构建其疲劳寿命预测模型,实现对精密行星减速器传动系统的疲劳寿命预测,本文的主要研究内容如下: (1)精密行星齿轮减速器传动系统的数字孪生体模型构研究。根据精密行星齿轮减速器传动系统的组成及工作原理,确定精密行星齿轮减速器传动系统数字孪生体模型框架。该模型将通过几何模型、物理模型、规则模型和行为模型等关键模型来构建,并对其进行详细分析。此外,进行精密行星齿轮减速器传动系统关键零部件参数化与几何模型的软件开发,以实现对关键零部件的快速建模功能。 (2)精密行星齿轮减速器传动系统数字孪生体模型的多体动力学分析。为了深入了解精密行星齿轮减速器传动系统数字孪生体模型的运动行为和动力传递规律,基于多体动力学理论建立了精密行星减速器传动系统的动力学模型,并进行不同条件下的仿真分析。结果显示,仿真值与理论值整体吻合较好,其中转速、传动比误差不超过1%,验证动力学仿真模型构建的准确性,完成精密行星齿轮减速器传动系统数字孪生体行为模型的实现。 (3)精密行星齿轮减速器传动系统数字孪生体模型的疲劳寿命分析与实验研究。利用刚柔耦合模型动力学仿真分析结果,并结合疲劳寿命研究理论和构件材料的S-N曲线,在Durability模块中对精密行星齿轮减速器传动系统的疲劳寿命进行分析,获得该系统关键零部件在不同条件下的疲劳寿命。此外,与疲劳寿命台架实验的结果进行对比,结果表明,仿真值与实验值的误差在10%以内,验证了疲劳寿命仿真结果的有效性,为后续构建疲劳寿命预测模型(规则模型)奠定了基础。 (4)精密行星齿轮减速器齿轮传动系统的疲劳寿命预测模型研究。疲劳寿命预测模型是数字孪生体规则模型中的一种,利用仿真数据和LSTM构建精密行星齿轮减速器齿轮传动系统的疲劳寿命预测模型,结果表明,该模型疲劳寿命预测值与仿真值误差在5%以内,验证该预测模型的准确性;接着与常见预测模型(如BP、CNN、SVM和RNN等4种模型)进行对比,显示LSTM预测模型表现更优,能够更准确地预测精密行星齿轮减速器传动系统的疲劳寿命。

标准号: GB/T 37400.18-2023

摘要： 本文件规定了开式齿轮传动系统的型式分类、技术要求、试验方法、检验、标志、包装、运输和贮存。本文件适用于圆筒回转类设备（如球磨机、棒磨机、自磨机、半自磨机、回转窑、冷却机、干燥机及圆筒混合机等）上使用的低速重载渐开线开式齿轮传动系统。其他回转类开式齿轮传动系统参照执行。

关键词： 接触应力   轴柔性   接触有限元模型   齿轮腹板偏置设计  

摘要： 在载荷作用下，齿轮传动系统中支承轴的弯扭耦合变形会使齿轮副啮合齿面之间产生啮合错位，进而影响齿轮副沿齿宽方向的齿面接触应力分布。基于ANSYS有限元分析软件，建立了考虑轴柔性的二级齿轮传动系统的接触有限元模型，分别考察了实心式和腹板式轮体结构下各级齿轮副沿齿宽方向的齿面接触应力分布。结果表明：对于实心式和腹板式齿轮，各级齿轮副齿面接触应力均存在明显的偏载现象。而将腹板式齿轮的腹板进行偏置布置时，各级齿轮副沿齿宽方向的齿面接触应力分布均发生明显变化。通过对齿轮腹板进行合理的偏置设计，可以有效改善各级齿轮副齿面接触应力沿齿宽方向的偏载现象。

关键词： 高速试验台   增速齿轮箱   齿轮传动   失效相关   可靠性  

摘要： 高速试验台增速齿轮箱可靠性要求高，而过高的运转速度易引发多模式失效，为精确评估其可靠性，开展基于有限元分析、响应面法、蒙特卡洛方法与Copula函数方法的失效相关可靠性分析。首先，基于有限元分析考虑齿轮啮合位置变化对齿轮应力的影响，确定齿轮应力最大值；其次，采用中心复合设计(CCD)和拉丁超立方采样(LHS)，考虑齿轮材料及载荷参数的离散性，建立齿面接触疲劳、齿根弯曲疲劳和齿面胶合三种失效模式的可靠性参数模型；最后，紧密围绕失效相关问题，采用嵌套Copula函数进行高维建模，对某增速齿轮箱进行系统层面和零件层面的可靠性分析。结果表明：考虑失效相关性的可靠性分析更符合工程实际，有利于精密机械系统的高可靠性设计。