关键词： 近净成形   滚轧成形   螺旋锥齿轮   局部加热   成形缺陷  

摘要： 螺旋锥齿轮作为机械传动的关键部件,主要用于相交轴传动或相错轴传动,是弧齿锥齿轮准双曲面齿轮的统称。目前螺旋锥齿轮的加工主要以铣削制齿为主,铣削制齿工艺不仅生产效率低、材料利用率低,还会切断螺旋锥齿轮内部连续的金属流线,导致其强度和使用寿命显著降低。采用精密锻造生产的螺旋锥齿轮从动轮与传统铣削加工相比服役寿命提高了近70%,但由于螺旋锥齿轮主动轮的精锻近净成形存在着出模困难、模具寿命低和齿高充填程度不理想等问题,因此可以考虑通过滚轧的方式将主动轮的轮齿滚挤出来。近净成形滚轧技术是一种新型的螺旋锥齿轮制造工艺,采用近净成形滚轧生产的螺旋锥齿轮主动轮,不仅能够降低制造成本,而且因其金属流线纤维沿齿廓分布更合理,使得轮齿弯曲强度得到显著提高。基于此,本文提出了基于局部感应加热的螺旋锥齿轮主动轮滚轧新工艺。(1)基于螺旋锥齿轮铣齿加工过程中刀具与工件间的位置运动关系,构建了螺旋锥齿轮齿面展成加工数学模型,在已知主动轮加工参数的条件下,通过局部综合理论对从动轮齿面方程进行了推导并生成了其三维实体模型。(2)通过热模拟实验对齿轮钢20Cr Mn Ti H高温变形流动行为进行了研究,运用DEFORM进行了基于局部感应加热的螺旋锥齿轮滚轧成形过程的数值模拟,通过数值模拟发现局部感应加热后轮坯外表面成形区域的温度达到1000℃时内孔的温度只有170℃,经局部感应加热后轮坯外柔内刚可以将花键轴的损坏量控制在10%以下。(3)针对滚轧成形轮的齿面折叠缺陷,提出了一种优化轮坯几何尺寸与工艺参数相结合的方案,通过理论分析和数值模拟发现滚轧成形轮的齿面折叠缺陷与轮坯的几何尺寸和工艺参数有关,当锥形轮坯大端的初始直径为61mm时成形轮的齿形填充饱满且齿面折叠较少。在此基础上,结合多目标响应面优化的试验方法,选取工具轮的进给速度、轮坯转速和摩擦系数三个工艺因素作为设计变量,以齿面折叠高度为目标函数,对工艺进行了优化,并搭建了滚轧成形实验平台对最佳工艺组合进行了验证。(4)针对在滚轧成形后期轮齿中部出现齿顶鼓形,而在大端和小端因端流导致齿形填充不满的现象,提出了轮齿成形的材料补偿系数k,并对轮坯进行了形状优化,仿真结果显示优化后螺旋锥齿轮大端和小端的有效高度上升了大约1mm。另外,通过在工具轮的齿根位置圆弧修形加深,使得滚轧成形轮的有效高度达到了理论高度,为机加工去除突耳提供了余量。

关键词： 制造资源计划   约束理论   准时生产   制造执行系统   生产计划与管理  

摘要： 以齿轮为代表的基础零部件是我国装备制造业的基础,近年来齿轮制造业取得了巨大的成绩,但高端产品占比较低,随着近年来国家对制造业面向高端制造方向转型发展的要求日益提高,在技术发展的同时,对生产制造及管理水平提出了更高的要求。然而齿轮制造企业的生产模式多属于离散制造,小批量多品种的特点造成订单难预测、产能难匹配、计划复杂多变,给生产管理带来极大的挑战。本文以典型离散制造模式下的Z公司齿轮中心为研究对象,试图通过深入的研究,探索出适合多品种小批量下的制造企业管理模式,以增强企业在当今个性化、准时化要求趋势下的核心竞争力。首先通过对Z公司生产现状进行归纳总结,剖析目前生产管理系统的缺陷,进而有针对性地对影响产品交付的几个方面深入分析,最终决定以生产计划与控制管理提升为主线,聚焦研究影响生产计划与控制的几个关键因素:组织方式、制造资源、标准化、计划编制与过程控制、生产信息化,并利用IE布局、制造资源计划(MRPII)、约束理论(TOC)、准时化(JIT)、制造执行系统(MES)等先进生产管理观念及方法制定出基于MRPⅡ与TOC结合的MES排产系统优化、JIT与TOC结合的过程控制改进等方案,搭建起生产组织专业化、工厂布局合理化、工艺工时标准化、生产计划科学化、过程控制有序化、生产系统信息化的现代化生产管理系统,使人力及制造资源得到有效配置、整体产出均衡、产品制造信息有效跟踪、生产计划与控制有法可依,解决了Z公司生产管理模式及流程不合理,信息不及时、不准确、不共享,控制不规范等问题,整体水平有效提升。同时配套建立了一系列的相关管理机制,提供了制度保障及组织保障,以确保生产管理管理体系优化能落到实处。论文最后进行了总结和展望,总结了Z公司生产管理改进方案的特点及预估效果,以及待改进之处,从而为将来的进一步研究提供方向。

关键词： 半直驱风电机组   混合式风电齿轮箱   行星齿轮   同轴磁齿轮   风速模型   遗传算法   动力学模型   动态响应分析  

摘要： 采用低增速比齿轮箱的半直驱型风电机组具有体积较小、效率高、运输安装成本低等优势,目前已成为第三大主流机型。传统的机械齿轮箱需要复杂的注油润滑冷却系统,故障率高,维护成本高。为此,本课题组提出了一种由机械行星齿轮与同轴磁齿轮组成的用于半直驱型风电的混合式两级增速风电齿轮箱。该混合式风电齿轮箱集机械行星齿轮传输扭矩大、传动刚度强与同轴磁齿轮无接触、低摩擦传动的优势于一体,可以降低齿轮箱注油润滑冷却系统的复杂度,同时为发电机提供自动过载保护,从而降低齿轮箱的能耗,减少运维成本,提高系统运行可靠性。本文主要工作是设计一种混合式两级增速风电齿轮箱并对其进行动力学分析研究,具体如下:第一,确定半直驱风电机组用混合式两级增速风电齿轮箱的设计要求和性能指标,根据行星齿轮的经验公式以及算例完成机械行星齿轮的选型设计。第二,采用集中参数法对所选型设计的行星齿轮进行动态响应分析。首先将行星齿轮各构件视作由集中的质量块与弹簧组成,而后利用牛顿第二定律和拉格朗日方程建立行星齿轮平移-扭转耦合动力学模型,最后通过双参数Weibull风速模型模拟自然界中的风速,采用四阶Runge-Kutta法求取时变风速下行星齿轮各构件动态响应的数值解以验证选型设计的可行性与合理性。第三,对同轴磁齿轮的工作原理进行推导和分析。首先对同轴磁齿轮内部划分场域,列写表征其电磁特性的麦克斯韦方程,通过将其转化为拉普拉斯方程与泊松方程并借助边界条件求得内、外气隙中径向与切向的磁密分布,进而运用麦克斯韦张量公式求得同轴磁齿轮的磁力转矩。第四,对风电齿轮箱中的高速级同轴磁齿轮进行优化设计。通过一维磁路模型计算同轴磁齿轮初步尺寸,为提高材料的利用效率,采用Halbach阵列充磁,比较三种同尺寸不同Halbach阵列充磁的同轴磁齿轮的转矩输出性能并选择最优的充磁方式,基于最优Halbach充磁方式,通过Ansys Maxwell对各尺寸进行参数化扫描试验,对同轴磁齿轮各结构参数进行灵敏度分析,确定优化变量,然后将BP神经网络与遗传算法相结合对优化变量进行优化计算,最终得到最佳性能的同轴磁齿轮各构件的尺寸。通过有限元计算对优化前后同轴磁齿轮的转矩输出性能进行对比以验证优化设计策略的有效性。最后,基于优化设计后的同轴磁齿轮各构件尺寸,采用集中参数法推导同轴磁齿轮的动力学模型,通过Ansys Maxwell分别求取同轴磁齿轮中内转子-调磁环子系统与外转子-调磁环子系统中的磁耦合刚度,采用Runge-Kutta法分别求解发电机稳态工况和三相短路运行工况下同轴磁齿轮各构件动态响应的数值解以验证传动方案的可行性与合理性。

关键词： 齿轮传动   复合材料   有限元分析   解析计算   啮合刚度   弹性圆环  

摘要： 齿轮作为航空飞机驱动系统的重要传动部件之一,由于其本身的结构与金属材料特性,齿轮本身重量偏重,影响飞机载重量与航程。本文基于齿轮轻量化目标设计了一种金属—复合材料混合齿轮(以下简称混合齿轮),这种齿轮结构由轻质的复合材料腹板、金属齿圈、金属轮毂三部分联接组成。为探究这种混合齿轮对传动性能的影响,指导混合齿轮设计优化,开展此方面的相关研究具有重要的意义。本文主要工作成果如下: (1)基于多尺度分析法,针对腹板所使用的二维三轴编织复合材料设计方案,推导了局部坐标系下细观尺度材料各部分的刚度矩阵以及坐标变换矩阵,通过按体积分数叠加的方式建立了材料的整体刚度矩阵,为编织复合材料的弹性性能计算奠定了理论基础。 (2)基于有限元方法分别建立了原金属齿轮、混合齿轮的有限元模型,分析了两种齿轮的模态特性、静态接触应力与形变、传递误差、啮合刚度。对比结果表明:二者承载能力相当,相对变动在1%以内;混合齿轮啮合刚度的前三阶啮频对应的幅值降低约70%,能够有效改善齿轮副的啮合性能,具有良好减振降噪的效果。齿轮的减重比可以达到46%左右,有效提升驱动系统的功率密度。 (3)基于弹性力学中弹性圆环混合边界问题的求解方法,提出了一种考虑轮体结构耦合的混合齿轮圆角基础刚度解析方法,进而建立了两种混合齿轮副时变啮合刚度全解析计算模型,并用有限元模型验证了混合齿轮副时变啮合刚度全解析计算模型的正确性,验证结果表明:解析法计算混合齿轮轮体柔度的误差在2%～11%之间,计算混合齿轮副时变啮合刚度的误差在4%以内,满足工程精度要求,所花费的时间相较于有限元法能减少90%以上,能够很大程度地提升计算效率。该解析计算模型对于混合齿轮相关的动力学、轮齿修形、齿轮故障诊断等方面的研究,都能够提供理论基础。 (4)进行了混合齿轮自由模态测试,试验结果表明:试验所得的混合齿轮自由模态与前述分析结果相近,从模态角度验证了试验结果、有限元分析结果、解析分析结果的一致性、准确性。 图58幅,表17个,参考文献86篇

关键词： FZG直齿轮   渗碳淬火   数值模拟   工艺优化   接触疲劳性能  

摘要： 齿轮是汽车、航空、机车等机械传动系统的关键零部件,常通过渗碳淬火处理使齿轮变得外硬内韧。随着机械工业的进步和发展,对齿轮的耐磨性和可靠性提出了更高的要求。对齿轮渗碳淬火工艺进行高效率优化,提升齿轮基础性能和抗疲劳能力成为当前的研究热点。传统优化方法通常依靠大量的试验和实践经验,但影响渗碳淬火过程的因素众多,试制成本高昂,试验效果不佳,实现对齿轮多性能综合优化是渗碳淬火工艺方案制定的技术难点之一。本文通过模拟与试验结合的方法,以20Mn Cr5钢制FZG(Forschungsstelle für Zahnr?der und Getriebesysteme)直齿轮为研究对象,研究两种20Mn Cr5钢制齿轮渗碳淬火过程中各场的演变规律和性能变化,分析工艺因素影响并确定工艺优化方案,最后开展齿轮疲劳性能评价,形成齿轮材料-热处理工艺-疲劳评价的全流程优化设计方法,具体研究工作如下: 首先,建立两种20Mn Cr5钢的材料热处理非线性参数数据库。基于温度-扩散-相变-应力-硬度耦合理论搭建渗碳淬火工艺多场耦合模型,分析不同20Mn Cr5钢制齿轮的温度场、碳浓度场、组织场、硬度场及变形量的分布规律,预测齿轮渗碳淬火动态变化过程。通过模拟值与试验值对比,证明模型的模拟准确性。基于齿面硬度、变形、渗碳层深度计算与实测结果,对钢种进行优选。开展优选钢制齿轮不同渗碳淬火工艺下的性能模拟计算,分析渗碳碳势、扩散碳势、渗碳工艺、扩散工艺对齿轮渗碳层深度、微观组织、齿面硬度和变形量的影响规律。 其次,结合渗碳淬火过程中各工艺因素对齿轮性能的影响程度,开展以渗碳温度、渗碳时间、扩散碳势和扩散温度为影响因素,以齿面硬度、渗碳层深度、齿面分度圆处变形量为目标的工艺优化设计,基于优化工艺齿轮性能的模拟值与试验值,验证寻优方法与优化工艺的准确性。结果表明,在优化工艺下,相对于原工艺齿轮性能的测量值,分度圆处齿面平均变形量和最大变形量分别减小6.5μm和2.2μm,齿面硬度提高10 HV,获得较好的优化效果,为实际生产提供优化方案。 最后,在齿轮摩擦磨损试验台上开展渗碳淬火工艺优化前后3种齿轮的接触疲劳试验。评价工艺优化前后齿轮的抗磨损性能和接触疲劳寿命。通过点蚀和磨损位置的宏观、微观形貌分析,揭示齿轮的疲劳点蚀机理与优化工艺对齿轮疲劳性能的强化机理。研究表明,在渗碳淬火优化工艺处理后,齿轮接触疲劳寿命提升35%以上。

关键词： 行星齿轮箱   均布式齿面磨损   动力学建模   故障特征提取   早期故障诊断   故障退化趋势预测  

摘要： 行星齿轮箱广泛应用于车辆、飞行器、风电机组等大型复杂机械设备的动力传递系统中。复杂的结构和低速重载的恶劣工作环境导致其故障率高且难以识别。均布式齿面磨损故障作为一种渐发性齿轮故障具有显著的潜在危害性。本文从动力学角度出发,围绕均布式齿面磨损故障对行星齿轮箱内部激励影响、故障动力学建模、早期故障诊断、故障退化趋势预测等方面进行深入研究。为行星齿轮箱故障动力学建模和相关故障诊断技术研究提供坚实的理论基础和有效的技术手段。本文的主要创新性研究工作内容如下: (1)基于Archard方程建立考虑行星轮数量对磨损影响的行星齿轮箱均布式齿面磨损厚度计算模型,研究均布式齿面磨损故障对行星齿轮箱内部激励的影响。从加工角度出发,利用圆弧和直线代替加工中形成的长幅外摆线和长幅内摆线,基于弦齿厚方程推导出用于齿廓描述的三段线齿廓方程,基于三段线齿廓方程建立行星齿轮箱齿面磨损时变啮合刚度计算模型;考虑磨损对齿侧间隙的影响,基于齿侧间隙函数计算磨损啮合相对位移;基于齿廓误差函数计算磨损啮合误差。最后通过实例计算证明了理论分析的正确性。 (2)基于集总参数法建立考虑磨损时变啮合刚度、磨损啮合相对位移和磨损啮合误差的行星齿轮箱均布式齿面磨损故障动力学模型。分析太阳轮、内齿圈、行星轮、行星架等系统关键构件的加速度、角速度、运动周期、构件间相对位移等运动学特性,建立运动微分方程;构造考虑信号传递衰减和行星轮通过效应的合成啮合振动信号模型。最后,以行星轮均布式齿面磨损故障为例,通过对比分析仿真信号和实验信号,验证故障动力学建模和合成啮合振动信号模型的准确性,为故障诊断和故障退化趋势预测奠定坚实的仿真数据基础。 (3)针对行星齿轮箱均布式齿面磨损故障特征微弱不易提取的问题,提出一种基于多通道优选最大相关峭度解卷积和故障特征能量比的早期故障诊断方法。首先,利用提出的多通道优选最大相关峭度解卷积算法进行故障特征提取;然后,对故障特征频率进行包络解调,并利用带通滤波技术自动截取频域信号;最后,通过计算信号的故障特征能量比实现早期故障诊断。本文以行星轮均布式齿面磨损故障为例,利用仿真信号验证故障特征提取算法的鲁棒性,同时通过实验验证所提早期故障诊断方法的有效性。 (4)针对实测数据不完备情况下行星齿轮箱均布式齿面磨损故障退化趋势难以预测的问题,提出一种基于仿真数据驱动和导数动态频率规整的行星齿轮箱均布式齿面磨损故障退化趋势预测方法。首先,基于前述的故障动力学模型、合成啮合振动信号模型和故障特征提取算法获取全寿命周期仿真振动信号;然后,利用提出的导数动态频率规整算法计算故障信号与健康信号之间的欧式距离,实现故障退化趋势预测;最后,以行星轮均布式齿面磨损故障为例,通过实验验证提出故障退化趋势预测方法的有效性。

关键词： 风电齿轮箱   三级斜齿轮   疲劳寿命   FMECA   极限载荷  

摘要： 在人类社会发展进程中，环境与污染问题已变得愈发严峻。在能源紧缺与环境压力不断攀升的当下，如何对能源进行高效开发、科学利用是迫在眉睫的一环。风能作为一种易于开发利用的清洁能源，越来越受到重视，国家能源部门于2022年4月20日就全国电力工业行业在第一季度所使用的装机容量数据进行了统计公开，即发电装机容量共计24.0亿千瓦，相较去年同期上涨7.8%。其中，风电装机容量约3.4亿千瓦，同比增长17.4%。然而，目前服役风电装备难以确保平稳运行，出现作业故障的频次依然较高。风电机组功能的发挥离不开齿轮箱的辅助支持，现有统计表明，在风机故障导致的停机时长中，仅因风电齿轮箱故障所造成的停机时长部分占比就高达19.4%，且齿轮故障占比一半以上。　　首先，阐述了论文的研究背景和意义，综述了风电齿轮箱、FMECA和齿轮疲劳寿命的研究现状，并介绍了主要研究内容。　　其次针对本文选用的在役2.5MW功率分流型风电机组中的齿轮箱，对其传动系统进行了综述性分析，并采用FMECA方法对齿轮箱的整体进行分析，将其分为两个步骤：故障模式分析（FMEA）和危害性（CA）分析，分析出2.5MW齿轮箱的各零部件的故障模式，选取较高的故障零部件进行了风险顺序数（RPN）值的计算，并结合现场实际分析找到本文的研究对象即三级斜齿轮。　　再次通过相关机型参数计算出风电齿轮箱轮毂中心的极限载荷数据，为有限元分析提供数据支持，以轮毂中心极限载荷数据中轴向（MX）即齿轮的转矩得出最大应力值和位置。先使用Solidworks对三级斜齿轮进行了建模，并考虑实际工程领域的分析情况，对三级斜齿轮进行了简化处理，分别取了三级大齿轮副和三级小齿轮副的8个齿进行了分析，并通过Hypermesh软件对其进行了网格加密处理，并用Ansysworkbench进行静力学分析。　　最后，根据风机的运行工况频率选出具有代表性的15个工况进行编谱处理，同时结合S-N曲线和Miner线性理论，在静力学分析基础之上，计算出风电齿轮箱三级斜齿轮的疲劳寿命。

关键词： 风电机组齿轮箱   故障预警   故障诊断   深度学习   多模态数据融合  

摘要： 数据驱动的风电机组齿轮箱智能预警与诊断技术是提高风电机组发电效率和降低运维成本的关键技术手段。但是,现有数据驱动的风电机组齿轮箱故障诊断方法大多基于单一数据模态,仅针对齿轮箱单一故障形式,故障诊断过程中没有充分考虑齿轮箱不同部件间的相关性,以及不同模态数据的互补关系,导致难以区分齿轮箱的具体故障形式,故障部件的预警定位模糊、归因困难。为了充分利用齿轮箱的多模态数据,提高预警与诊断实用性,按照“多模态数据-故障预警-故障定位-故障诊断-融合决策”的研究思路,开展了基于多模态数据融合的风电机组齿轮箱故障预警与诊断方法研究。主要研究内容如下:(1)风电机组齿轮箱故障形式分析首先,介绍了风电机组齿轮箱两种常见故障形式,分别为润滑冷却故障和轮齿损坏故障;然后,根据中国某风电场实际运维日志,分析了两种故障形式的相互影响关系;最后,提出了多模态数据融合的齿轮箱预警与诊断方法总体框架,主要包括风电机组齿轮箱多部件状态预警以及故障诊断两个子模块。总体框架可以为后续子模块的模型设置及方法研究提供基础。(2)基于自适应降噪的风电机组齿轮箱多部件预警和定位方法研究构建了基于自适应降噪的风电机组齿轮箱状态预警模型,该模型能同时监测齿轮箱内多个部件的运行状态,解决了逐部件建模方式重复度高、效率低下的问题,且能够实现齿轮箱润滑冷却故障的提前预警与定位。首先,通过自适应数据降噪方法剔除了 SCADA数据的不确定噪声;然后,利用降噪后数据建立了多序列输入-多序列输出的齿轮箱多部件正常行为模型;最后,结合序贯概率比检测算法和Wasserstein距离,分析正常行为模型的预测残差,预警并定位齿轮箱故障部件。算例结果表明:所提自适应数据降噪方法能够提升正常行为模型的预测精度,所提多部件预警模型实现了润滑冷却故障的提前预警与准确定位,相比其他单部件、多部件的状态预警模型精度更高。(3)基于多模态时频图融合的风电机组齿轮箱故障诊断方法研究针对变负载条件下,齿轮箱多模态融合故障诊断模型特征学习困难、计算成本高的问题,提出了一种基于图像融合的诊断方法,实现了齿轮箱轮齿损坏故障的诊断归因。该方法通过多模态数据融合技术提高故障诊断的准确率;利用时频图像将故障诊断问题转换为图像分类问题,减少模型输入数据量,降低计算成本。使用齿轮箱公开振动数据集验证该诊断方法,算例结果表明:小波域和时频域两个模态的数据融合,实现了齿轮箱变负载条件下的互补故障特征提取,使所提模型的准确率优于其他单模态、多模态融合诊断模型;时频图像融合方法能够降低诊断模型的计算成本。