关键词： 系统柔性   三维接触   啮合错位   接触应力   啮合动载荷  

摘要： 齿轮传动系统具有功率传递效率高、结构紧凑和传动比准确等优良特性,被广泛应用于汽车、船舶和航空航天等领域的动力传动装置中。随着科学技术的进步,各行业对齿轮传动系统的服役性能提出了更高的要求,比如在航空、船舶领域,齿轮传动系统不仅要满足基本的强度要求,还要具备等强度轻型化等特征,因而齿轮传动系统的支承结构一般柔性较大,这将极大地影响齿轮的载荷分布和接触强度。另外,在实际工作中,由于受到内/外部激励的综合作用,齿轮传动系统的啮合齿面之间不可避免地产生振动位移,这不仅会严重影响机械设备的使用寿命和工作质量,甚至会诱发严重的安全事故。结合齿轮传动系统的结构特征和工况特点,本文建立了考虑系统柔性的齿面三维接触分析模型,研究了系统参数对齿面静态三维接触特性的影响规律;建立了考虑系统柔性的齿面三维接触-系统动力学耦合模型,研究了系统参数对齿面动态三维接触特性的影响规律。开展考虑系统柔性的齿轮-轴-轴承系统动态三维接触特性研究,对实时准确预测并调控齿轮传动系统的齿面实际三维接触状态和系统振动噪声水平具有重要的理论意义和工程应用价值。主要从以下几个方面展开研究:首先,以单级齿轮-轴-轴承系统为研究对象,基于齿轮轴向多点啮合的思想,建立了考虑系统柔性(齿轮柔性、轴段柔性和轴承柔性)的齿面静态三维接触分析模型及求解方法。采用有限元法将齿轮传动系统离散为轴段单元、齿轮啮合单元和轴承单元,并建立各单元的静力学模型。随后,根据各单元之间的连接关系组装得到系统的静力学模型。通过构造迭代格式求解得到考虑系统柔性的齿面静态三维接触性能参数。通过与三维接触有限元计算结果进行对比,验证了所建模型的有效性。其次,基于考虑系统柔性的齿面三维接触分析模型,研究了轴段结构、功率传递路径、轴承刚度和支承方式等系统参数对齿面接触应力、齿轮副啮合错位量等齿面静态三维接触性能参数的影响规律。然后,为了进一步探究考虑系统柔性的齿面瞬时三维接触特性和系统振动响应之间的耦合作用机理,将考虑系统柔性的齿面三维接触分析和系统动力学求解相耦合,建立了考虑系统柔性的齿面三维接触-系统动力学耦合模型。将Newmark数值积分法和齿面接触性能参数代理模型相耦合,构造了该模型的迭代求解算法。最后,基于考虑系统柔性的齿面三维接触-系统动力学耦合模型,研究了输入转速、输入扭矩、轴段结构、功率传递路径、轴承刚度和支承方式等系统参数对齿轮副动态啮合错位量、齿面动态接触应力、齿轮副动态传递误差和啮合动载荷等齿面动态三维接触性能参数的影响规律。

关键词： 碳纤维复合材料   混合齿轮副系统   非线性振动   动态子结构  

摘要： 为了解决传统金属齿轮副在高速重载等极端工况下产生的较大冲击振动问题,本文提出了基于碳纤维-环氧树脂基的复合材料齿轮腹板结构,制造了具有高阻尼特性的金属-复合材料混合齿轮,建立了考虑齿轮误差激励、时变啮合刚度、齿侧间隙、柔性支撑轴的金属-复合材料混合齿轮副系统动力学模型,对比分析了混合齿轮副系统的减振性能,最后分析了系统参数对混合齿轮副系统振动特性的影响。主要研究内容如下:1、基于动态子结构方法,在Ansys中建立金属-复合材料混合齿轮的子结构模型,从模态分析的角度验证了混合齿轮子结构模型的准确性。2、在Abaqus中对混合齿轮副进行啮合仿真分析,计算时变啮合刚度、静态传递误差等非线性时变参数。基于有限节点法,建立包含混合齿轮子结构单元、金属齿轮转子单元、铁摩辛柯梁单元、支承轴承单元以及啮合单元的混合齿轮副系统动力学模型。最后分析系统的固有特性与振型,考虑陀螺效应的影响,对系统进行临界转速计算与分析。3、对比混合齿轮副与金属齿轮副升降速过程中系统的非线性动力学行为以及各转速下系统动态传递误差(DTE),结果表明混合齿轮副系统更加地稳定,复合材料的高阻尼性能能够降低系统的主共振幅值,同时复合材料的各向异性会影响DTE以混合齿轮的转动周期为周期循环波动。4、以DTE为评判指标分析齿侧间隙、负载等非线性因素对混合齿轮副系统振动特性的影响,结果表明啮合间隙与负载主要在中速下对系统产生影响,啮合间隙越大,系统不稳定性程度增加,适当增大负载可以改善系统的稳定性,但负载过大会增大系统的主共振幅值。5、进行混合齿轮副系统的减振实验测试,在不同转速下测试出系统输出轴支承轴承处的水平振动加速度幅值,并将实验结果与仿真结果进行对比,验证了本文理论上的正确性。图77幅,表10个,参考文献67篇

关键词： 外啮合斜齿轮泵   螺旋角   齿宽   径向间隙  

摘要： 齿轮泵由于结构简单,效率高,价格低廉等优点,被大量应用于各种工程领域,是市面上最常见的液压泵。然而,齿轮泵因其自身结构的原因,存在着严重影响稳定运行的困油现象。斜齿轮泵作为齿轮泵中重要的一类,因为螺旋角的存在,在理论上可以通过改变螺旋角或齿宽来影响齿轮啮合时的重合度,从而消除困油现象。本文以外啮合斜齿轮泵为研究对象,基于Pumplinx软件对泵的内部流场进行仿真,探讨改变重合度是否能够完全消除困油现象并与传统的开设卸荷槽消除法展开对比。通过仿真研究螺旋角度数、齿宽及径向间隙等重要设计参数变化对斜齿轮泵性能的影响规律。为今后外啮合斜齿轮泵的优化设计提供一定的参考和依据。本文的主要研究内容如下:首先基于斜齿轮泵的工作原理,提出了改变螺旋角或齿宽来影响重合度消除困油现象的方法。对泵的瞬时流量特性进行理论分析,对比不同螺旋角和齿宽对斜齿轮泵流量特性的影响。其次,使用Pumplinx和Scorg相结合的方法对斜齿轮泵内部流场进行数值模拟,避免了编写复杂的UDF函数,减少了计算时的消耗。通过计算结果分析相关物理参数随时间的变化规律。接着,在齿轮参数不变的情况下,改变螺旋角和齿宽,通过仿真研究在未达到临界值前,不同螺旋角和齿宽下斜齿轮泵性能的变化规律。根据理论和仿真确定所采用斜齿轮泵螺旋角和齿宽的临界值。针对无卸荷槽、双卸荷槽、单卸荷槽、临界螺旋角、临界齿宽五种状态下泵的内部流场进行研究,对比不同消除困油法对斜齿轮泵性能的影响。结果表明,临界螺旋角时效果最佳。最后,建立了斜齿轮泵的径向间隙泄漏模型,以总功率损失最小为目标求解最佳径向间隙,研究螺旋角和齿宽对最佳径向间隙的影响。利用仿真研究不同径向间隙和偏心距时斜齿轮泵性能的变化规律。分析表明,偏心安装齿轮副能有效提高斜齿轮泵的性能。

关键词： GTF发动机   行星齿轮减速器   齿轮箱设计   动力学特性   试验研究  

摘要： 行星齿轮减速器作为GTF发动机的重要零部件之一,因其结构和工况的复杂性,一旦发生故障,将会带来严重的损失。近年来,随着国家对绿色可持续低碳发展的需求的增加,国内相关航空发动机研发单位加快了对商用GTF发动机技术的相关研究。在此背景下,本文对GTF发动机中的行星齿轮减速器开展缩小比例的设计,在符合设计要求的基础上,进行缩比试验件的相关试验研究,从而丰富国内关于GTF发动机齿轮箱故障模拟试验研究的数据库,对于提高我国GTF发动机的研究水平,具有重要的理论意义和工程价值。 本研究根据GTF发动机行星齿轮减速器缩比试验件-动力特性试验件齿轮箱的设计目标和设计要求,完成了GTF发动机行星齿轮减速箱的一些关键零部件的设计(齿轮系、轴承和膜盘联轴器),并对齿轮箱的装配工艺的可行性进行了相关分析,最后通过有限元分析对齿轮箱的轴系(风扇轴、法兰轴和转接轴)进行了静强度校核。 在完成整体结构设计的基础上,为避免齿轮箱在试验和工作工况下产生共振引起试验件的破坏,开展动力特性试验件齿轮箱的动力学建模分析与研究。首先建立了轴段单元、轴承单元、齿轮啮合单元的有限元动力学模型,并对齿轮箱的转子系统模态进行了整体分析。模态分析结果表明:9000rpm工作转速工况下,内齿圈、行星轮、太阳轮转频曲线与固有频率没有交点;齿轮箱在工作转速附近啮频曲线与前三十阶固有频率虽然存在交点,但无共振风险;同时在齿轮箱试验过程中应避免一些转速的出现。 完成工程设计和工程验证之后,开展动力特性试验件齿轮箱的磨合试验、扫频试验、加载试验和故障模拟试验。通过更换故障件,获取试验件在不同故障状态下的试验数据,丰富国内相关试验数据库,为GTF发动机齿轮传动系统的典型故障特征提取和诊断方法研究提供数据支撑。

关键词： 聚甲醛齿轮   表面织构   表面润滑   仿真分析  

摘要： 随着工业技术的快速进步,聚甲醛齿轮被广泛应用在精密仪器及微型传动等方面,随着应用环境越来越复杂化,在啮合传动时往往会由于表面摩擦和润滑等问题而引起失效。因此,提高聚甲醛齿轮齿面抗磨损能力是目前亟需解决的问题。为了使得聚甲醛齿轮表面拥有更好的润滑效果及抗磨减阻能力,需要在齿面进行优化设计。而齿面表面织构技术在提升磨损性能、促进润滑、提高承载能力等方面具有优势。本文以提高聚甲醛齿轮齿面润滑能力,对聚甲醛齿轮齿面进行激光加工。本文对影响激光加工效果的工艺参数进行了系统的测试,并对表面织构形状大小相关的工艺参数进行仿真分析。利用超景深显微镜和激光共聚焦扫描显微镜对处理后的聚甲醛材料进行显微组织的观测与分析,运用Recur Dyn软件进行仿真分析。探讨两种处理方式的机理,并给出了最佳工艺参数。本文的主要工作及成果如下:1.研究皮秒激光脉冲宽度、激光加工次数、激光脉冲频率和激光加工速度对聚甲醛材料表面处理深度和表面粗糙度的影响,通过试验确定皮秒激光烧蚀聚甲醛材料的最佳参数。2.研究发现,皮秒激光能够在聚甲醛材料表面烧蚀出明显的沟槽,意味着可以有效地对聚甲醛齿轮齿面进行织构化加工,并且根据不同的织构形状,确定了合适的激光工艺参数,既能提高处理效率,又能得到良好的织构化齿面。3.本文考虑到齿轮结构比较特殊,使用齿轮设计软件和Solidwoks建模,提出齿面应力大小的计算方法。考虑了成型工艺对3D打印成型齿轮加工难度的影响,运用Recur Dyn软件对织构化齿轮进行预仿真,确定织构参数。再对具有沟槽型、V型和圆型织构的齿轮分别进行仿真试验,得出最佳的织构形状。4.采用对比试验,对齿轮进行摩擦磨损试验。采用皮秒激光烧蚀的方式对聚甲醛齿轮齿面进行加工。观察具有表面织构的齿轮副在啮合前后齿面的表面形貌,并与无织构齿轮副啮合前后的表面形貌进行对照,从而得出织构化齿轮相比于未织构化齿轮的优势。

关键词： 风电齿轮箱   动力学分析   支撑刚度   均载特性   优化设计  

摘要： 海上风电机组齿轮箱运行在复杂的环境中易导致多级行星齿轮传动系统间的载荷分配不均匀,将会产生较大的振动和噪声,严重影响机组安全可靠运行。以9MW海上风电机组两级行星一级平行齿轮箱为研究对象,基于集中参数法建立了多体动力学模型,对能够提升系统均载性能的浮动齿轮支撑刚度进行分析和优化,揭示了齿轮磨损与均载特性的相互作用机理与规律。本研究成果是在国家重点研发计划课题大型海上风电机组“传动链关键部件优化设计和批量制造工艺及检测技术(编号:2018YFB1501304)”的资助下完成的。主要研究工作及成果如下:(1)建立了多级齿轮传动系统弯-扭-轴耦合的动力学微分方程并基于SIMPACK软件建立齿轮箱虚拟样机模型。从时域角度分析浮动中心轮的支撑刚度对行星轮系均载特性与振动特性的影响,从模态角度分析不同浮动模式对传动系统固有频率的影响。仿真结果表明:系统均载性能会随着支撑刚度的增加而下降;浮动齿轮主要影响系统高阶固有频率,齿轮共同浮动下的固有频率最小。(2)以风电机组两级行星一级平行齿轮箱为研究对象,建立以各浮动中心轮为自变量因素,以支撑刚度值1×109 N/m、2.5×109 N/m、4×109 N/m、5.5×109 N/m、7×109 N/m、8.5×109 N/m、1 ×1010 N/m 为离散水平的 49 组正交设计方案,对两级行星齿轮的浮动太阳轮与浮动内齿圈支撑刚度进行优选,采用极差分析法分析各浮动齿轮对传动轴振动的影响规律。仿真结果表明:高速轴振动主要受第二级太阳轮支撑刚度的影响;相较于仅考虑系统的均载性能,优化方案使齿轮箱整体振动指标降低8.9%。(3)以本模型第一级行星齿轮系统为研究对象,建立浮动太阳轮的局部齿面均匀磨损参数化模型,对不同磨损程度下的齿轮系统进行动力学分析。仿真结果表明:齿面均匀磨损会降低系统的均载性能,但浮动构件会缓解因磨损故障而带来的不均载的不利影响,提高系统均载性能。

关键词： 布局优化   系统布置设计法   遗传算法   Flexsim仿真  

摘要： 近年来,随着经济全球化的不断发展,如何在日益激烈的市场环境中取得竞争优势逐渐成为制造企业的工作重心。在这样的社会大背景下,越来越多的企业开始聚焦于“第三利润源”—物流成本,力求通过优化生产物流,以降低物流成本,进而提高企业的市场竞争优势。车间布局作为企业生产系统的重要组成部分,其优劣直接影响着车间的物流效率、设备利用率、生产均衡性以及安全性。 本文以V公司齿轮加工车间为研究对象,首先根据实地调研情况,利用F-D图对当前“机群式”布局中存在的物流路线过长、迂回交叉现象严重、个别区域设置不合理等问题进行了详细分析,明确了优化的重点。接下来引入成组原则对车间的作业单位进行重新划分,在此基础上,运用系统布置设计法综合分析物流和非物流关系,在位置相关图绘制阶段引入社会网络分析法避免了传统SLP方法在方案设计过程中的主观性影响,并根据位置相关图和各作业单位面积需求拟定初始优化方案。接下来,根据车间实际情况建立以物流搬运成本最小化和非物流关系最大化为双目标函数的数学模型,同时对传统遗传算法进行改进,在选择、交叉、变异操作之后引入进化逆转操作,提高了算法的局部寻优能力。利用Matlab对算法进行求解的过程中,将SLP方法得到的初始优化方案作为初始种群中的一个解,在该方案的基础上对布局进一步优化,得到了最终优化方案。最后,利用Flexsim仿真软件分别建立优化前后的车间布局模型,并进行模拟仿真,运行结束后,从设备利用率、搬运距离和输出量等多方面对仿真数据对比分析,进一步验证了优化方案的合理性和优越性。 研究结果表明,本文为V公司齿轮加工车间设计的布局优化方案将物流路线的交叉尽量集中在单元内部,减少了交叉、往返现象,并缩短了搬运距离。同时,通过对各作业单位位置的合理调整,在保证设备利用率的情况下降低了物流成本,并进一步提高了车间的产能。此外,本文引入成组原则、社会网络分析法等,对传统SLP方法进行改进;并引入进化逆转操作改善了遗传算法的局部寻优能力。这种将改进SLP方法、改进遗传算法和Flexsim仿真相结合的车间布局优化方法,可以为其他制造企业解决类似问题提供参考,具有一定的实用意义。

关键词： 螺旋锥齿轮   拓扑修形   轮齿接触分析   有限元仿真   动态性能  

摘要： 高减比准双曲面齿轮(HRH,High reduction hypoid gear)具有传动效率高、承载能力强、静音性好等优点,适用于精密、高速、重载传动系统,因其大小轮均采用硬齿面设计与制造工艺,故具有良好的精度保持性。近年来HRH齿轮减速器应用范围逐渐扩大,在机器人、机械舵机、机床分度等领域具有广阔的应用前景。因此,对HRH齿轮的动态啮合性能展开研究,对机电一体化传动装置的集成、轻量化,高功率密度传输具有重要意义。本文以常规螺旋锥齿轮加工方法为基础,提出了点接触HRH齿轮齿面设计方法,完成了齿轮的运动仿真及有限元分析与试验验证。本文的主要研究内容与结论如下: (1)研究了HRH齿轮点接触齿面的拓扑设计方法。基于准双曲面齿轮传动的啮合原理,建立了等高成形法制式HRH齿轮的几何模型;提出了大轮刀盘双向修形的方法,实现了HRH复杂空间齿面的点接触拓扑设计方法;构建了修形梯度曲面模型ease-off差齿面,通过解析ease-off曲面,得到了齿面接触性能参数:接触路径、差曲率、传动误差等;优化了小轮加工参数,改善了齿面接触性能。 (2)完成了HRH齿轮的啮合运动仿真。利用MATLAB软件编写了齿面的计算程序,将齿面数据点导入三维软件UG中,建立了精确的HRH齿轮三维几何模型;利用ADAMS软件,建立了HRH齿轮的运动模型,完成了齿轮的啮合运动仿真,获得了不同工况齿轮啮合振动加速度的幅频特性。 (3)进行了HRH齿轮的有限元承载接触仿真。建立了HRH齿轮的有限元力学分析模型,对其齿面啮合、承载接触等进行动态有限元仿真,研究了不同负载下的实际啮合齿数及啮合齿对的应力分布状况,完成了HRH齿轮接触应力、齿根弯曲应力的计算分析。 (4)完成了HRH齿轮的动态性能试验。以一对3:60的HRH齿轮为例,在几何设计、仿真与精密磨齿基础上,进行了齿轮的滚检试验,得到了齿面接触斑点;完成了HRH齿轮的动态性能试验及传动效率试验,得到了齿轮在不同工况下的振动加速度幅值及传动效率。 齿面接触斑点滚检与设计仿真效果具有较好的一致性,HRH齿轮幅频特性测试与计算仿真趋势一致。验证了所给出的HRH齿轮几何设计、加工方法和仿真计算流程的正确性。

关键词： 直齿轮   机器视觉   亚像素边缘   几何参数  

摘要： 齿轮是工业中应用最广泛的零部件,具有传动平稳、持久耐用的特点,其制造水平与精度对于机械产品的性能具有重大影响。现代工业对齿轮生产制造的精度提出了更高的要求,而改进齿轮测量技术,提高齿轮几何参数的测量精度对于提高齿轮生产制造水平极为重要。针对齿轮测量难度大,测量装置复杂,自动化程度较低的问题,本文以直齿圆柱齿轮为研究对象,对基于机器视觉的图像处理技术和齿轮几何参数测量评定方法展开了深入研究,实现了对直齿圆柱齿轮的非接触测量,本文的研究内容如下:首先,根据齿轮参数的测量流程,完成了由图像采集模块和软件模块组成的齿轮几何参数测量系统的总体设计。对系统硬件参数和需求进行分析,确定系统相机、镜头和光源等硬件的选型并选定光源的照明方式,实现系统的拍摄功能。以棋盘格标定板为对象进行相机标定,完成镜头的畸变矫正和像素当量标定。其次,通过研究不同光照强度下图像边缘的变化,提出了一种基于光照强度的齿轮边缘误差补偿算法。根据齿轮图像的详细特征,研究图像处理的关键算法,完成了齿轮图像的预处理。通过对传统边缘检测算法进行研究,对Zernike矩亚像素边缘检测算法进行改进,使用Canny算子完成边缘点的粗定位,再通过最大类间方差法自动选定最佳阈值,通过实验验证了本文亚像素检测算法的精度。最后,研究齿轮几何参数的测量方法,设计一套齿轮几何参数测量算法,并依据标定结果获取齿轮的实际参数。首先使用三点定圆法完成齿轮中心的精确定位。然后依据齿轮设计原理依次完成齿数、齿顶圆半径、齿根圆半径、齿轮模数、分度圆半径以及基圆半径等基本几何参数的测量。最终,以基本几何参数测量结果为基础完成对齿轮齿距偏差以及公法线长度变动的测量。通过将测量结果与直齿轮实际尺寸进行对比,分析齿轮检测系统的测量精度。检测系统对于齿轮齿顶圆直径、齿根圆直径的测量结果误差均低于0.03 mm,误差率在0.02%以内。齿距偏差和公法线长度变动的测量结果分别满足六级精度等级要求。各项偏差的最大值都在合理范围之内。证明了本文齿轮几何参数检测算法的合理性。

关键词： 螺旋锥齿轮   CNC齿轮测量机   遗传算法   模拟退火算法   ICP算法   Horn算法  

摘要： 螺旋锥齿轮具有传动平稳、传动效率高、承载能力强的优点,在机械传动领域中有着不可替代的作用。然而,螺旋锥齿轮齿面形状复杂,加工困难,其在运转过程中产生噪声的大小及运转平稳程度又严重影响着整个机器的性能参数,所以提高螺旋锥齿轮制造质量和检测精度极其重要,其中有效的检测数据是控制齿面加工质量的关键。CNC齿轮测量机作为目前主要的齿轮测量设备,可以实现螺旋锥齿轮高效、准确的测量。但测量机机械结构复杂、对测量环境敏感度高、测量过程中被测齿轮设计基准与测量基准不重合等因素的存在将导致测量误差的产生。所以本文对螺旋锥齿轮的坐标测量方法进行分析,在获得齿面测量数据的基础上,提出基于齿面配准技术的螺旋锥齿轮齿面测量误差的软件补偿方法。本文结合齿面测量点云特征,依次建立了基于改进Horn算法、point-to-point ICP算法和point-to-plane ICP算法的测量齿面配准模型,并分析各个模型存在的局限性。针对这些算法模型搜索路径单一的缺点,提出以遗传算法为主体,将进化算法与配准算法相结合,利用欧拉角与刚性变换矩阵的对应关系,将刚性变换运动参数转化为六维的遗传染色体。并针对遗传算法运行结果不稳定、对初始化种群要求高、易于陷入局部最优的缺陷,提出对其初始化方式和搜索过程进行改进。该改进过程中结合配准算法对种群生成空间进行限制,通过反向学习策略对遗传初始种群进行筛选,同时利用自适应策略、模拟退火算法对遗传搜索过程进行扰动,避免陷入局部最优。螺旋锥齿轮齿面测量误差的补偿实验证明:改进遗传算法误差补偿模型可将测量齿面与理论齿面对应点间的平均误差从9.45μm降低致2.36μm,误差补偿率可以达到74%左右。相较于Horn算法补偿模型具有较快的收敛速度和较好的误差补偿效果,相较于ICP算法补偿模型具有较强的搜索能力,该模型为接触式测量得到的有序点云的误差补偿提供有效手段。