关键词： 端面滚齿准双曲面齿轮   机床加工参数   几何形貌   啮合特性   实验验证  

摘要： 准双曲面齿轮采用小轮轴线偏置,具有重合度高、承载能力大、空间布置灵活等优点,在直升机主减速器、车辆驱动桥等空间传动领域具有不可替代性。端面滚齿准双曲面齿轮,采用高速干切技术(切削速度达220 m/min,一对齿轮耗时仅5min,切削效率约为湿切33 min的6倍),齿轮凹凸两侧齿面粗精切一次成形,相比传统“五刀法”,加工效率优势显著。相较传统平面刀盘,三面刀盘切削基准不再与刀具前刀面重合,刀盘旋转不再作为独立运动,与机床及毛坯运动相互耦合,切削刃空间位置与刀具前角、重磨角及内外刀条初始安装角等参数相互影响,导致三面刀盘端面滚齿准双曲面齿轮几何设计、机床加工参数及齿面建模计算更加复杂。基于空间三面刀盘加工的端面滚齿准双曲面齿轮齿面高阶性极强,其宏观几何参数、刀具参数、机床加工参数、热处理变形控制等因素对齿面精度影响机理极为复杂,且由于无法通过磨齿工艺进行齿面修正,其齿面精度、接触印痕与传动误差的控制极为困难,严重制约了该型传动的开发。论文针对上述难点,从端面滚齿准双曲面齿轮啮合机理出发,构建了基于空间节圆锥与完全共轭理论的端面滚齿准双曲面齿轮几何设计与机床加工参数计算方法;通过研究刀盘-机床-毛坯三者间的耦合作用机制,提出了采用三面刀盘的主、从动轮齿面建模方法;探究制造加工参数对齿轮副几何形貌与啮合性能的影响规律及考虑非确定因素下齿廓误差与齿距误差对齿轮副接触印痕及传动误差的变化规律,并通过实验进行了验证。研究成果对端面滚齿准双曲面齿轮齿面成形机理、齿面精度及啮合性能控制具有重要的意义,为指导该型齿轮传动设计提供理论支撑。论文主要内容如下:(1)基于准双曲面齿轮空间共轭条件,研究了端面滚齿准双曲面齿轮空间节圆锥空间位置关系,推导了考虑螺旋角、传动比及偏置距的齿轮副三大几何关系式,建立端面滚齿准双曲面齿轮副几何参数计算模型,确定主、从动齿轮副分锥面设计参数;通过考虑齿轮副几何参数与虚拟圆柱齿轮等效关联关系,构建端面滚齿准双曲面齿轮接触强度计算方法。采用非线性规划优化策略,选取优化变量,提出考虑齿轮接触强度的齿轮副设计参数的二次迭代优化方法;(2)研究了主、从动轮几何参数与刀盘及机床间的空间啮合关系,提出了主、从动轮完全共轭啮合的四个基本条件,建立了三面刀盘几何设计参数计算方法及考虑主从动轮几何参数、安装位置及齿高变位系数的机床加工参数关联关系模型,并采用齿面失配设计,提出基于完全共轭原理的端面滚齿准双曲面齿轮刀倾半展成法的机床加工参数计算及修正方法,通过与专业软件KIMOS对比,验证了结果的正确性;(3)基于端面滚齿准双曲面齿轮实际切削过程,研究了三面刀盘几何结构与切削基准及切削过程中刀盘-机床-毛坯的几何安装位置关系,阐明了刀盘、机床、毛坯三者间的运动耦合机制,建立端面滚齿准双曲面齿轮刀具切削轨迹方程;基于大轮成形法与小轮刀倾展成法的加工方法,提出考虑齿面离散点与齿坯投影点映射关系、刀盘-摇台-毛坯耦合作用机制及啮合方程的齿面全约束求解方法,该方法有效提高了齿面计算效率;(4)基于有限元法的轮齿加载接触分析(LTCA)方法,建立了齿轮副啮合模型。首次将刀具多项式截面引入端面滚齿准双曲面齿轮设计中,研究不同刀具截面及机床加工参数对齿面几何形貌及啮合性能的影响规律,揭示机床加工参数误差下齿轮副几何形貌及啮合性能的关联关系;基于离散齿面点和实测误差点之间的映射关系,提出了一种考虑中点齿距误差与齿廓误差的全齿面误差建模方法,探究了齿面误差及啮合相位对齿轮副啮合性能的影响规律,阐明了从动轮齿距误差是造成齿轮副传动误差大的主要因素;(5)基于端面滚齿准双曲面齿轮专业设计软件KIMOS及开展了实际齿轮副切齿加工、齿面误差测量及对滚实验,对基于空间节圆锥的准双曲面齿轮主从动齿轮副分锥面设计参数与几何设计参数计算模型、基于齿面接触强度的齿面设计参数优化方法、基于完全共轭原理的端面滚齿准双曲面齿轮刀倾半展成法的机床加工参数计算及修正方法、齿面建模与啮合特性分析方法及实测齿面下齿轮副啮合分析等结果进行了对比验证。

关键词： 船用齿轮箱   抗冲击分析   频域分析   时域分析  

摘要： 水下爆炸冲击对船用设备有极大的破坏作用,齿轮箱是舰船上不可缺少的动力系统设备,研究船用齿轮箱的抗冲击性能有着很强的现实意义。因此本文针对船用齿轮箱抗冲击分析方法进行研究,主要的工作内容是:首先,针对船用齿轮箱抗冲击性能问题,采用了等效静力法、动态设计分析方法和时域分析法计算,获得了船用齿轮箱在横向、垂向和纵向的冲击响应结构特征。其次,针对冲击载荷传递特性问题,使用冲击试验机对齿轮箱模型开展了多工况冲击试验,获取了冲击载荷在不同结构形式中的传递特征响应。然后,针对时域分析法的准确性问题,采用时域仿真结果与试验数据对比的方法,分析了试验与仿真之间的偏差,验证了时域分析方法的准确性。另外,为了研究不同的时域载荷对船用齿轮箱的冲击影响,对冲击谱采用不同的方法转化为时域载荷,得到了不同载荷下的船用齿轮箱结构动态响应。最后,针对冲击载荷的峰值脉宽对船用齿轮箱的冲击影响问题,对船用齿轮箱的箱体进行了不同种载荷工况条件下的冲击计算,获取了不同加速度峰值与脉宽对箱体的冲击响应结果,并分析了其规律。通过采用不同分析方法对船用齿轮箱抗冲击性能进行分析,获取船用齿轮箱结构的响应特征,可为船用齿轮箱抗冲击的设计与改进提供一定的理论与数据支撑。

关键词： 磁性谐波齿轮   磁场调制   有限元分析   模糊PID控制  

摘要： 机械谐波齿轮传动是工业机器人最常用的传动方式,但在齿轮传动过程中柔轮会发生周期性变形,从而产生交变应力,这极易引起严重的材料疲劳损害。与之相比,磁性谐波齿轮是通过磁场之间的耦合作用来实现力矩的传递,其输入端与输出端之间是非接触性传递,避免了机械磨损,降低了设备的维护成本,且增强了设备的可靠性,能有效避免机械谐波齿轮的固有缺陷,未来极可能成为机器人精密减速机主要实现形式。因此本文针对磁性谐波齿轮的一些关键性能进行了如下研究:首先,对磁性谐波齿轮的运行原理进行阐述,结合磁性谐波齿轮的机械结构与磁路结构,介绍磁性谐波齿轮的磁场调制机制及运行原理,讨论了影响脉动转矩的关键因素。磁性谐波齿轮的转矩传递主要是通过磁场,因此对于磁性谐波齿轮的磁场分析是非常有必要的。针对磁性谐波齿轮的磁场分析,这里采用理论解析法。首先列出磁性谐波齿轮各区域的拉普拉斯方程和泊松方程,然后根据其边界条件求解矢量磁位,最终得到磁性谐波齿轮的数学模型,并通过与Ansys软件分析的结果进行对比,验证所得数学模型的可靠性。其次,针对磁性谐波齿轮的主要性能,文章利用有限元软件Ansys对磁性谐波齿轮的磁场分布状态进行分析,得到最佳设计参数。文章以国标规定的型14机械谐波齿轮性能为参考对象,运用相关电磁学理论,采用类比的方法,对与其同等空间大小的磁性谐波齿轮相关性能及其数值计算方法、稳定性以及伺服电机和磁性谐波齿轮的一体化集成技术进行了研究和对比,指出了扭转刚度不足是制约磁性谐波齿轮用于机器人的关键因素,明确了未来机器人磁性谐波齿轮伺服控制的研究重点。最后,为提高系统传动精度,建立磁齿轮复合电机数学模,然后通过MATLAB/Simulink仿真软件对磁齿轮进行位置控制仿真,分析磁性谐波齿轮在伺服系统中的动态性能。为获得更稳定的系统,文章对模糊PID控制原理进行了描述,将模糊控制算法叠加于磁齿轮复合电机双闭环调速系统。为了实现模糊控制,首先需要确定模糊变量以及隶属函数并且创建模糊规则,然后利用Simulink对磁性谐波齿轮复合电机调速系统进行仿真分析。结果表明:与传统PID控制相比,模糊PID控制下的磁性谐波齿轮复合电机有较好的动态性能。

关键词： 风电齿轮箱   状态监测   故障预警  

摘要： 针对现有风电齿轮箱状态监测与故障诊断产品的不足，提出并实现一种基于Python的低成本且具有良好生态，能够方便地集成最新监测与智能诊断方法的风电齿轮箱远程状态监测系统的设计方案。论述该系统的拓扑结构、现场节点设计及布置、组网方式、采样策略以及数据库设计，并对开发成功的系统进行试验验证。试验结果表明，系统能够可靠、稳定地运行，具有广泛的工程实用价值。

关键词： 风阻功率损失   高线速度齿轮   热网络法   数值分析   齿轮磨损量   齿轮寿命  

摘要： 齿轮传动是机械传动中最重要的动力传递形式。齿轮在进行动力传递的同时,会不可避免的产生齿面磨损,齿面磨损不仅会改变齿廓形状,还会影响齿轮的正常啮合,降低齿轮使用寿命。高线速度齿轮在进行动力传递时,由于功率损失会转化产生大量的热量,导致齿轮产生热变形,加速齿轮的磨损过程,导致齿轮发生失效。因此,分析高速齿轮传动系统在运转时的功率损失,获得热平衡时轮齿啮合面稳态温度,对于高线速度齿轮的磨损量分析以及相应的优化改进十分重要。本文采用数值仿真方法对高线速度齿轮功率损失、轮齿稳态温度场分布以及齿轮磨损量进行研究,主要研究内容和结论如下:(1)对齿轮箱热功率损失进行了理论分析,采用解析法计算高线速度齿轮的风阻功率损失,并对高线速度齿轮的整体热功率损失采用解析法进行计算。结果表明:在齿轮高速运转的状态下,会对轮齿附近空气流体产生强烈的搅动,风阻功率损失占总热功率损失比重,由5000rpm时的16.08%增加至30000rpm时的61.52%,说明了风阻功率损失在高速状态下的齿轮系统总热功率损失中占据了主导地位,不可忽视。同时为后续章节中的温度场分析奠定了基础。(2)基于传热学相关理论,采用热网络法推导轮齿啮合面稳态温度分布,分析了轮齿啮合面各部位热量传递形式,明确不同位置的热阻计算模型。将功率损失转化为热源,加载至不同位置的齿轮啮合面,划分相应节点并基于能量守恒定律建立热平衡方程。经过求解,得到了不同齿轮工况下各节点的温度值及分布规律。结果表明,随着齿轮转速的增加和环境温度的升高,齿轮本体的稳态温度随之增加。当齿轮转速为5000rpm时,各热节点的稳态温度稳定在40℃左右,而当齿轮转速升至30000rpm时,热节点稳态温度上升至约120℃。此外,轮齿表面温度随热源位置逐渐远离而呈递减趋势,在轮齿中间的靠近齿顶处达到最高值。整体温度分布呈现齿根与齿顶位置较高,而中间位置较低的趋势。(3)基于Archard公式和Hertz接触理论建立高线速度齿轮磨损量计算模型,采用数值仿真方法对不同啮合位置的接触压力、滑动系数、滑动距离等进行计算,对齿廓进行动态更新,确保齿轮在受热变形和磨损后齿廓的及时更新,最终获得了轮齿啮合面磨损分布情况。结果表明:轮齿啮合面磨损深度呈现不均匀分布特征,在齿根和齿顶位置磨损深度较大,而在节点位置附近磨损深度为0;主动轮由于半径小、转速快,相较从动轮在同等啮合循环次数下磨损深度更大;此外,齿轮转速、啮合循环次数、环境温度等不同工况也会对齿轮磨损深度产生显著影响。(4)采用磨损量阈值法对齿轮使用寿命进行预测,基于高线速度齿轮磨损量计算结果,对不同工况下的齿轮寿命进行了对比计算分析。结果表明:齿轮使用寿命在一定范围内会随着环境温度的升高和齿轮转速的增加而减小,在高速状态下可以通过降温来延长齿轮使用寿命。(5)进行高线速度齿轮磨损试验,借助高速齿轮试验台进行2000小时磨损试验,统计了齿轮箱正常工作情况下不同位置的温度分布,使用三坐标测量仪对磨损后的齿轮表面形貌进行了测量,获得了实际的磨损后齿轮磨损深度分布情况。试验证明了磨损计算模型的可靠性,在齿根和齿顶位置磨损严重,齿面磨损形式表现为疲劳磨损为主,多种磨损形式并存。图55幅,表15个,参考文献97篇

关键词： 面齿轮   蜗杆砂轮磨齿机   几何误差   关键误差溯源   误差补偿  

摘要： 面齿轮传动是一种采用圆柱齿轮与面齿轮相啮合,用于空间相交轴或交错轴间进行运动和动力传递的新型齿轮传动。面齿轮蜗杆砂轮磨齿机是完成面齿轮磨齿的关键设备,具有磨齿精度高、磨齿效率高、操作方便等优点。相比于传统制齿机床,面齿轮蜗杆砂轮磨齿机多轴联动关系更繁琐,误差来源更多,误差间的累积、传递及耦合关系更复杂。而目前面齿轮蜗杆砂轮磨齿机多源误差对面齿轮齿面误差的定量影响规律尚未探明,同时缺少对面齿轮齿面误差影响显著的误差元素进行溯源和补偿的有效手段。本文以面齿轮蜗杆砂轮磨齿机为研究对象,探索蜗杆砂轮修整与面齿轮磨齿的复杂成形机理,开展以几何误差为代表的多源误差与面齿轮齿面误差之间的映射规律研究,建立几何误差与面齿轮齿面误差之间的多阶段耦合定量映射模型,提出磨齿机床几何误差测量辨识、关键误差溯源分析和适用面齿轮磨齿的高效误差补偿方法,对提高面齿轮磨齿精度具有重要意义。本文的主要研究内容如下:(1)蜗杆砂轮修整系统几何误差-砂轮齿面误差建模。根据虚拟插齿刀与蜗杆砂轮的关系,基于啮合理论,分析了蜗杆砂轮的成形过程;根据机床相邻运动轴间的运动变换关系,基于齐次变换理论建立蜗杆砂轮修整系统的前向运动学模型,求解得到蜗杆砂轮修整过程的机床运动模型,并进行数控编程,实现蜗杆砂轮修整;考虑各运动轴的几何误差,根据修整过程修整轮与蜗杆砂轮的实际啮合关系,依次建立几何误差-刀具位姿误差模型和几何误差-砂轮齿面误差模型,揭示机床运动轴几何误差到蜗杆砂轮齿面误差之间的多阶段耦合映射规律,并得到包含修整系统几何误差的蜗杆砂轮模型,为后续建立修整-磨齿一体化几何误差到面齿轮齿面误差的定量映射模型奠定理论基础。(2)面齿轮蜗杆砂轮磨齿机修整-磨齿一体化几何误差-面齿轮齿面误差建模。根据虚拟插齿刀、蜗杆砂轮以及面齿轮之间的关系,基于齿轮啮合原理,分析面齿轮的产形过程;根据基于齐次变换理论得到面齿轮磨齿系统的前向运动学模型,并求解磨齿过程的机床运动模型,编制数控代码,实现面齿轮磨齿;考虑各运动轴几何误差的同时,将包含修整系统几何误差的蜗杆砂轮模型引入面齿轮磨齿过程,基于包络原理,根据磨齿过程中蜗杆砂轮与面齿轮的磨削接触特征,依次建立蜗杆砂轮-面齿轮位姿误差模型和几何误差-面齿轮齿面误差模型,揭示从蜗杆砂轮修整到面齿轮磨齿一体化过程中,几何误差与面齿轮齿面误差之间的定量映射规律,为后续关键几何误差溯源与补偿奠定理论基础。(3)面齿轮蜗杆砂轮磨齿机几何误差测量与关键误差溯源方法。提出一种采用球杆仪的磨齿机旋转轴几何误差单轴运动测量方法,设计刀具球有无偏心下的测量方案,合理设置球杆仪刀具球的偏心量与测量间隔,使旋转轴定位误差对球杆仪长度变化量有贡献的同时满足辨识矩阵的非奇异性要求,实现单轴运动测量模式下旋转轴6项位置相关几何误差的测量辨识。提出一种对显著影响面齿轮磨削精度的关键几何误差进行溯源的改进Sobol法,该方法采用低差异序列替代传统的伪蒙特卡洛序列,提高计算效率近2倍,并通过机床几何误差的实测值对采样序列进行修正,从而准确溯源得到关键误差和关键部件。最后通过数值仿真验证了溯源结果的准确性,为后续几何误差的精准补偿提供了理论基础。(4)面齿轮蜗杆砂轮磨齿机几何误差补偿方法。根据面齿轮磨削过程中的同步控制特点,提出一种几何误差分阶段补偿方法;基于齐次坐标变换的逆向运动学方法,建立针对蜗杆砂轮修整和面齿轮磨齿过程的实际逆向运动学模型,逆向解耦得到磨齿机旋转轴和直线轴的实际运动指令。根据关键误差溯源结果,蜗杆砂轮修整过程采用求得的实际运动指令实现关键几何误差的补偿;磨齿过程中,在对刀阶段采用实际运动指令直接驱动蜗杆砂轮和面齿轮,以修正蜗杆砂轮与面齿轮之间的相对位姿;磨齿阶段,结合电子齿轮箱的联动控制特征,解耦得到各运动轴的螺距补偿量,进而实现几何误差精准补偿,提高面齿轮磨齿精度。(5)实验验证。基于提出的几何误差辨识方法进行磨齿机几何误差测量;以面齿轮齿面法向误差为指标对关键误差进行溯源,基于建立的实际逆向运动学模型,得到面向齿面法向误差的补偿模型,并分析了关键误差对齿面法向误差的影响规律。最后,针对蜗杆砂轮修整和面齿轮磨齿过程,根据提出的分阶段补偿方法,基于面向齿面法向误差的补偿模型,进行了实际补偿加工实验。实验结果表明补偿前后面齿轮左、右齿面法向误差的最大值分别由22.5μm和28.6μm减小为12.7μm和11.3μm,面齿轮齿面精度由8级提高到6级,验证了本文所提出方法的有效性。为后续通过反调修正使面齿轮精度达到5级,实现面齿轮的工程应用打下了坚实的基础。

关键词： 行星传动   行星轮不平衡   振动特征   时域同步平均   参数辨识  

摘要： 行星传动因具有传动比大、结构紧凑、承载能力强、传动效率高等优点,被广泛应用在汽车、航空航天、船舶和风力发电等领域。由齿轮转子磨损、局部材料剥落等引起的渐发式不平衡故障诱使传动系统产生振动、噪声,严重制约了传动系统向精密化、大型化、高速化方向的发展。受行星轮组成的耦合并联支路影响,测试所得振动响应是多振源的耦合,使得传统方法无法获取行星轮时域振动信号,进而无法基于该时域信号辨识不平衡参数及动平衡。因此,研究行星轮不平衡影响下的齿轮箱动平衡方法对提高传动系统运行稳定性具有重要意义。针对行星轮不平衡故障振动特征和不平衡参数未知问题,开展行星轮不平衡故障特征和行星轮不平衡参数辨识及动平衡研究。研究内容如下: (1)研究现有齿轮箱建模方法及适用范围,确定啮合刚度等关键参数的计算方法和振动信号传递路径。在此基础上,采用集中质量建模方法,建立考虑行星轮不平衡质量与时变啮合刚度和太阳轮浮动多因素耦合的行星传动系统振动模型。 (2)基于振动模型,正向仿真分析同相位和顺序相位结构特点的齿轮箱在行星轮不平衡故障影响下的齿轮箱振动特征,通过与健康状态下传动系统振动特征对比,揭示行星轮不平衡故障引起的啮合边带调制机理。同时分析行星轮不平衡故障影响下不同工况对振动特征的影响,发现振动特征易受转速和负载影响。 (3)以行星轮不平衡故障振动特征为辨识依据,针对动平衡参数未知问题,提出一种基于实测振动信号反向辨识不平衡参数的方法。该方法以时域同步平均法重构行星轮整周期时域振动信号,结合最小二乘原理求解由不平衡分量引起的简谐信号幅值和相位;在此基础上采用单平面影响系数法求解配重,实现基于时域振动信号的行星轮系动平衡。以单级行星齿轮箱为例,在多工况下开展行星轮系不平衡参数辨识仿真试验,验证了辨识方法的有效性。 (4)设计并搭建行星齿轮箱故障试验平台,并基于该平台获取行星轮故障信号。利用获取的故障信号分析不平衡故障对振动特征的影响并求解不平衡参数。结果表明依据该信号分析得到的振动特征变化趋势与理论分析基本一致。同时依据该信号求解配重,添加配重后行星轮基频位置振动幅值降低77.5%,因此验证了辨识方法的有效性与可行性。另外改变辨识环境,验证了辨识方法的鲁棒性。

关键词： 图像增强   图像分割   深度学习   齿轮轴目标识别   装夹方向识别  

摘要： 在齿轮轴的生产制造过程中,磨削加工是一种后道精加工工序。正确地对齿轮轴进行磨削加工是保证整个生产制造顺利完成的最后一个环节。然而,随着多品种、小批量的混流生产方式的不断发展,传统通过工人判别众多零件的种类,进而检索调用相应的加工程序来实现零件磨削加工的方式,存在自动化程度低、识别准确率难以保证的问题。此外,若工人未按正确方式装夹齿轮轴,则会导致待磨削齿轮轴的加工报废,甚至机床设备的损坏。面对上述问题,基于视觉在线进行齿轮轴零件的目标识别与装夹方向识别,根据识别到的零件调用相应的加工程序,可以提高齿轮轴的磨削加工效率及正确率。因此,本文开展齿轮轴零件的视觉识别方法研究,主要研究内容如下:(1)搭建视觉识别与图像采集平台。根据实际的加工环境进行工业相机、镜头及光源的选型,搭建了视觉识别硬件平台。针对工业相机的色偏及畸变问题,采用动态阈值白平衡算法和相机标定进行校正。在视觉识别的硬件平台上搭建了图像采集软件平台,为本文的视觉识别研究提供图像采集工具。(2)研究齿轮轴图像增强算法。针对在加工环境下采集到的齿轮轴图像存在光照不均、模糊的问题,采用几种经典的图像增强算法进行测试与分析。基于经典算法的特点与处理效果上存在的不足,提出一种基于高斯金字塔多尺度光照分解的齿轮轴图像增强算法,为齿轮轴的目标识别提供图像预处理功能。通过图像质量的评价实验,验证了该算法在均匀图像亮度分布、改善图像清晰度和丰富图像特征上的有效性。(3)研究齿轮轴零件目标识别方法。针对齿轮轴形状相似、纹理特征单一以及背景复杂的问题,在YOLOv5算法模型中引入卷积注意力机制模块,设计了齿轮轴零件目标识别方法。利用采集到的图像数据集进行模型训练,实现了齿轮轴零件的目标识别。结合图像增强算法进行实验与分析,验证了本文研究的图像增强算法与目标识别方法在提高齿轮轴零件识别准确性上的有效性。(4)研究齿轮轴零件装夹方向的识别方法。针对背景区域与目标零件差异较小而导致分割精度低的问题,通过定位目标齿轮轴消除背景区域对图像分割精度的影响。搭建并训练Res-UNet模型,实现了齿轮轴图像的分割。通过提取齿轮轴的边缘轮廓,进而检测轮廓的重心及外接矩形的中心点坐标,实现了齿轮轴零件装夹方向的识别。通过实验验证了该方法在齿轮轴装夹方向识别上的准确性。(5)设计并测试了齿轮轴零件视觉识别软件系统。为完成齿轮轴零件视觉识别任务,在搭建的视觉识别硬件平台的基础上,集成本文研究的图像增强与视觉识别算法,设计并开发了齿轮轴零件视觉识别软件系统。通过对软件系统的功能测试和视觉识别算法的性能测试,验证了软件系统在功能和时间性能上的可行性。

关键词： 偏航齿轮箱   行星传动   齿轮修形   均载特性  

摘要： 随着“碳达峰”和“碳中和”的推进,风能也越来越受到大家的关注。偏航齿轮箱是风机偏航系统关键部件。当风向改变时,控制系统产生驱动信号使偏航驱动电机工作,经偏航齿轮箱传递动力带动机舱转动实现对风,以求捕获更多的风能,创造更大的经济效益,所以其性能直接影响到整个机组的发电效率与发电质量。在对风完成后,偏航系统还会提供锁紧力矩来保持系统定位,以保证发电机组安全运行。本文从齿轮参数优化、齿轮修形参数优化、有限元结构优化等方面对偏航齿轮箱进行了优化设计。 (1)本文以某5MW偏航齿轮箱为例,阐述了基于原始载荷的LDD载荷谱处理方法与当量载荷处理方法,用处理后的当量载荷进行分析与校核不仅能保证可靠性要求,还能够有效减少设计周期。以体积最小为目标函数,采用目标函数法对偏航齿轮箱传动系统的齿数比和齿轮各项主要参数进行了优化匹配。 (2)先确定输出轴圆锥滚子轴承游隙为-0.04mm,再基于LDD载荷谱中的齿轮最大接触损伤载荷工况,对输出齿轮副进行修形优化设计,通过修形敏感性分析,对比不同修形量对齿面最大接触应力和传递误差峰值的影响,综合考虑两者得到输出齿轮副最佳的修形参数。输出齿轮副修形后,改善了齿面载荷分布情况,齿面最大接触应力降幅35.0%,传递误差峰峰值降幅达26.3%,齿轮弯曲疲劳强度增幅43.5%,接触疲劳强度增幅26.3%,达到了提高齿轮承载能力的目的。 (3)利用有限元法,基于Abaqus软件对行星架进行强度分析,确定了行星架的结构为单臂整体式。为保证强度要求,对箱体进行强度分析以确定结构,对优化后的箱体结构进行模态分析得到了前20阶模态的变化趋势,以避免与齿轮啮合频率发生共振。 (4)综合考虑构件浮动误差与制造装配误差,分析了各类误差对NGW型行星轮系均载特性的影响,对轮系的均载特性进行了理论研究,建立了系统平衡方程对均载系数进行求解。 (5)最后搭建了齿轮传动试验台对本文设计的样机进行台架试验。立式试验台进行疲劳试验,试验后样机的噪声、振动、效率、温度温升均满足设计要求,证明样机运行平稳、安全可靠;卧式试验台进行静扭试验,试验后对样机进行了拆解,观察内部零件完好无异常,证明样机在极限载荷下也能安全运行。验证了本文设计的5MW偏航齿轮箱安全可靠。

关键词： 复式行星齿轮箱   啮合刚度   胶合故障   动力学模型   振动传递路径  

摘要： 复式行星齿轮传动系统在越来越多的机械装备中得到广泛应用,在车辆、航空等领域发挥着巨大作用,其性能好坏直接影响设备的健康寿命与运维成本。齿轮齿面在高负载工况下会演化出磨损、胶合等故障,而这些故障产生的振动激励又会通过各传递路径反作用于系统,加剧系统磨损速率,影响设备运行。因此对复式行星齿轮箱进行故障诊断与状态监测,对由内部激励造成的振动故障主要传递路径进行识别,提升齿轮箱的可靠性是非常必要的。本课题主要研究内容包含如下:(1)以复式行星齿轮箱为研究对象,建立健康齿轮副几何模型以及外行星轮齿面胶合模型,推导齿轮的啮合刚度计算公式,研究不同胶合故障程度对于啮合刚度的影响。在考虑时变啮合刚度、齿侧间隙和阻尼等因素的条件下,建立复式行星齿轮传动系统动力学模型,并分析不同程度齿轮胶合故障对系统振动响应的影响。(2)研究了经典振动传递路径分析方法、基于工况的振动传递路径分析方法以及基于功率流的振动传递路径分析方法,并对因复式行星齿轮箱的外行星轮胶合故障产生的所有振动传递路径的贡献量百分比进行理论计算。(3)在外行星轮上模拟加工胶合故障,设计正常以及不同程度胶合故障齿轮健康状态监测试验方案,完成试验并采集系统振动信号数据,分析不同程度故障对于系统振动响应的影响。(4)基于复式行星齿轮箱独特的结构,分析研究所有的振动传递路径,采用有限元法对因齿轮箱外行星轮胶合故障导致的系统振动传递路径功率流演化状态进行仿真,进而计算各路径的振动传递贡献量,最终确定故障振动信号的主要传递路径,本研究可进一步为振动主要传递路径上的部件优化提供理论依据。