ISBN: (纸本)9787030746870

关键词： 风力发电机组   齿轮箱   模糊隶属度   互近邻   异常值检测  

摘要： 近年来,以风能为代表的新能源技术得到了快速的发展,但由于风机自身结构复杂以及运行环境严酷,导致风机容易发生故障,造成较大的经济损失甚至人员伤亡。齿轮箱是风机的重要组成,齿轮箱失效往往会造成更严重的损失。因此,研究风机齿轮箱故障诊断方法,对齿轮箱故障状态及时诊断,可以为机组的运行维护提供重要指示,从而保障风电机组安全、可靠的运行。考虑到风电机组在数据采集过程中容易受到外界干扰,使得数据中存在异常点,使得故障诊断算法的性能受到影响。为此,本文对齿轮箱常见故障以及振动信号的常见处理方式进行了介绍,并展开了以下研究: (1)提出了一种模糊互K近邻(Fuzzy Mutual K-Nearest Neighbor,FMKNN)分类器,将互K近邻方法进行模糊化扩展。该方法可以通过内生的互近邻概念实现离群点剔除,同时通过模糊隶属度函数的引入实现了样本类别的软划分,解决互K近邻算法的不足。将FMKNN算法应用于UCI的22个数据集,实验结果表明,该方法具有良好的泛化性能。 (2)提出了一种基于模糊互K近邻的齿轮箱故障诊断方法。利用旋转机械故障实验平台的平行轴齿轮箱振动数据和实际风电场收集的运行数据,对所提方法进行实验验证。针对数据中异常点对算法造成干扰的问题,利用一种两阶段的异常点剔除方法解决该问题,通过实验表明,所提方法在实验测试平台和实际风机齿轮箱故障诊断中都获得了较好的效果。

关键词： 塑料齿轮   数据驱动   寿命预测   软件开发  

摘要： 相比金属齿轮,塑料齿轮由于其质轻耐腐、减振降噪、自润滑、易于大规模生产等独特优势,为新一代航空、航天等高端装备齿轮传动高功率密度设计提供了新的选择方案。近年来,材料科学的进步和成型技术的提升,塑料齿轮承载能力和成型精度不断提升,已具备在动力传动领域大规模应用的潜力。然而,塑料齿轮材料种类众多,服役性能受温度、湿度、时间等因素影响,相关设计标准及基础数据缺失,致使高承载塑料齿轮的设计与应用面临严峻挑战。传统塑料齿轮强度计算基于经验公式或数值模型,存在设计粗放、计算代价大等问题,限制了其在航空发动机附件机匣、新能源汽车轮边减速器等高端装备设计中的应用推广。数据驱动技术的诞生,为解决塑料齿轮强度计算和疲劳寿命预测提供了全新思路,但受限于数据驱动模型对数据量存在一定需求,基础数据不足的问题成为限制数据驱动技术应用的关键瓶颈。对此,本文面向塑料齿轮传动轻量化设计需求,开展高承载塑料齿轮疲劳性能试验与数据驱动预测研究,主要研究内容如下:(1)开展了POM塑料齿轮接触疲劳试验。基于德国塑料齿轮强度设计手册VDI 2736制定了POM齿轮接触疲劳试验方案,采用多用途摩擦学试验机进行了不同载荷和温度条件下POM齿轮承载能力试验,获得不同载荷水平和运行温度下POM齿轮接触疲劳寿命等基础数据,为研究载荷水平、运行温度与POM塑料齿轮接触疲劳寿命的关联规律提供了数据支撑;(2)建立了POM齿轮接触疲劳寿命预测模型。结合数据增强算法WGAN和预测算法XGBoost,建立了一种基于WGAN-XGBoost模型的小样本POM齿轮接触疲劳寿命预测模型,研究了不同初始样本量下的POM齿轮接触疲劳寿命模型预测精度,拟合了考虑温度和载荷的POM齿轮接触疲劳寿命预测公式,验证了POM齿轮接触疲劳寿命计算误差均位于2倍误差带以内,误差较小,能够满足工程实际需求。(3)开发了塑料齿轮疲劳性能分析软件。基于VDI 2736塑料齿轮设计手册和积累的塑料齿轮小样本数据集,开发了塑料齿轮疲劳性能分析软件,包括设计计算、小样本寿命预测功能,设计计算模块的计算结果与VDI 2736中算例结果相比一致,验证了软件计算的准确性,并应用于航空发动机附件机匣领域,为高承载塑料齿轮应用提供了平台支撑。

关键词： 非正交面齿轮   非线性动力学   多尺度法   胞映射法   全局性态  

摘要： 非正交面齿轮相较于传统的齿轮传动系统具有独特的结构优势,如对轴向安装误差不敏感、重合度高、传动时小齿轮不受轴向力,可以在0°到180°范围内传输转矩,在航空、医疗设备、船舶等大负载和小模数传动领域发挥重要作用。因此,研究非正交面齿轮传动系统的动态性能和可靠性具有重要的工程意义。本文以非正交面齿轮-轴承系统为研究对象,研究了其非线性行为、主共振特性以及全局性态。论文的主要研究成果如下: (1)建立了非正交面齿轮-轴承系统的空间坐标系,在坐标系内建立了非正交面齿轮-轴承系统多自由度耦合振动数学模型,根据轴承和非正交面齿轮副的运动关系和空间位置分别求解了轴承的支撑力和非正交面齿轮副的啮合力,采用有限元方法求解了非正交面齿轮副的时变啮合刚度,模型中考虑了齿侧间隙、轴承游隙、传动误差等非线性因素。最后,对系统动力学模型进行无量纲处理。 (2)用四阶变步长Runge-Kutta求解非正交面齿轮-轴承系统多自由度耦合振动模型动态响应,讨论了激励频率、摩擦系数、轴承支撑刚度等系统参数对系统响应的影响,用时域图、频域图、相图、庞加莱截面和分岔图描述了系统由周期响应逐渐步入混沌响应的过程。 (3)采用多尺度法对系统的主共振特性进行分析,将系统的响应考虑为多个时间尺度的函数,对系统的非线性函数进行拟合,推导了系统幅频响应方程,判定了系统的主共振稳定性条件。并用数值方法分析了控制参数、啮合阻尼、时变啮合刚度波动幅值和载荷波动对系统幅频特性的影响。 (4)采用胞映射方法分析了非正交面齿轮-轴承系统的非线性全局性态演化过程,即系统长时间历程后的响应对系统初态的依赖性。用胞映射方法计算了Poincaré截面上500*500个胞迭代到10000步后的相轨迹,观察了系统初始状态在对系统动力学行为的影响。用全局分岔图、全局性态图、多初始值相图和庞加莱截面来说明非正交面齿轮-轴承系统的全局行为随激励频率、啮合阻尼和负载波动的演化过程。对演化过程中多个周期响应共存、周期响应与混沌响应共存等复杂现象做出解释。

关键词： 双圆弧椭圆齿轮   运动学特性   动态啮合特性   接触应力   疲劳寿命  

摘要： 随着工业发展,在石油、煤矿等行业需要重载、高速、大功率的传动需求,双圆弧齿轮传动具有承载能力强、抗弯强度大、使用寿命长等优点。同时在一些特定的场合下需要齿轮实现非线性的、变化着的主从动机构的传动关系,而椭圆齿轮机构紧凑,传动平稳,与此同时,它还可以传递动力和变传动比运动,在传动过程中更易实现传递运动的准确性和高速重载下的传动平稳性。本文将双圆弧齿形与椭圆齿轮结合,建立其三维模型并对其运动特性学分析,之后研究其接触应力并分析其疲劳寿命,设计双圆弧椭圆齿轮副,使之应用于重工业、石油工业、机械工程等行业。主要研究内容如下:1.基于双圆弧齿轮的啮合原理,从双圆弧齿轮的齿面共轭原理到双圆弧齿轮的齿面方程进行推导,再根据二阶椭圆齿轮主动轮与从动轮节曲线方程,确定本文所研究齿轮的形状以及确定了该双圆弧椭圆齿轮的基本参数,之后在三维建模软件里,对该齿轮的三维模型进行建模,为后续对齿轮运动学特性以及接触特性研究打下了基础。2.依据建立的双圆弧椭圆齿轮的三维模型,对双圆弧椭圆齿轮的运动学特性进行了分析,对螺旋角分别在6°、8°、10°、12°时双圆弧椭圆齿轮的啮合力以及对径向力、切向力以及轴向力的影响进行了探究,总结了螺旋角对双圆弧椭圆齿轮的影响规律,后续又探究了不同工况下双圆弧椭圆齿轮的动态啮合特性。3.在对双圆弧椭圆齿轮进行了运动学特性分析后,选取合适的螺旋角的齿轮对双圆弧椭圆齿轮进行了接触应力分析,对齿轮进行了有限元静力学接触分析与瞬态动力学接触分析,得出不同参数下双圆弧椭圆齿轮接触应力规律。4.基于双圆弧椭圆齿轮应力分析的基础上,对双圆弧椭圆齿轮进行了疲劳寿命分析。依据Ansys n Code Design Life疲劳分析软件结合双圆弧椭圆齿轮的接触应力分析结果,在疲劳分析软件中建立了两种载荷谱分别对双圆弧椭圆齿轮在静载状态和动载状态下的疲劳寿命规律进行了分析总结。通过对以上内容的研究,为双圆弧椭圆齿轮运动学特性的研究以及疲劳寿命能力的评估提供了理论依据,为后续轮齿的优化设计以及工业应用提供参考依据。

关键词： 船用高负荷齿轮   激光合金化   齿面改性   42CrMoA  

摘要： 船用高负荷齿轮作为船舶齿轮传动装置中的核心部件,其性能的好坏直接影响着传动系统的使用寿命和运行过程中的安全系数。随着大型船舶齿轮传动装置功率密度不断增大的发展趋势,对齿轮承载能力的要求也不断提高,齿面硬度要求高,硬化层厚度要求较深,并且硬化层厚度的控制精度要求也相应提高。传统的渗碳淬火强化工艺一方面难以满足如今的发展趋势,另一方面在生产过程中的种种缺陷致使加工困难且生产成本高,由此需要开展齿轮齿面改性技术研究。激光合金化技术是一种新型表面改性技术,该技术与传统工艺相比优点显著,是齿轮表面改性的一种新型选择。本论文主要研究将该技术应用于船用高负荷齿轮的齿面改性上,并结合试验验证该技术在船用高负荷齿轮齿面改性上的可行性。主要研究如下:(1)开展了表面强化层结构分析,合理设计合金化层与淬硬层的硬度和深度,增加了强化层整体深度并使之具备合适的硬度过度,以增加轮齿抗疲劳性能。结合船用高负荷齿轮的工作条件,对合金化层微观组织进行了设计,并对原位生成硬质陶瓷颗粒的大小、分布密度进行设计和对比优化试验,完成了激光强化层内的微观组织设计。(2)以激光器的输出功率、扫描速度、离焦量以及合金化预制粉层厚度、保护气氛为研究对象,采用单道扫描的方式进行了大量参数优化试验,并以优选出的工艺参数组合在42CrMoA齿轮钢平板试样上获得各项指标均满足技术要求的强化层。(3)采用激光单道扫描优选出的参数进行了不同搭接率的搭接扫描试验,分析了试验过程中连续扫描导致的热积累效应对强化层硬度的影响;并对搭接区的显微组织、硬度、层深以及表面成形等进行观察分析;最后结合齿面啮合区域受力分析情况,设计优选出了大面积强化时的激光扫描方式。(4)完成了齿轮试验件的设计、加工和强化处理,并对试验齿轮的齿面硬度、芯部硬度、有效硬化层深度和显微组织等进行检测,最后在齿轮疲劳试验机上进行了力学性能试验。试验结果表明,42CrMoA调质处理齿轮经激光合金化齿面改性处理后,齿轮的接触疲劳极限可达1786MPa,弯曲疲劳极限可达1010MPa。经激光合金化齿面改性后的42CrMoA齿轮在接触疲劳强度平均值和弯曲疲劳强度上分别比17Cr Ni Mo6渗碳淬火齿轮高16.5%和35.1%。通过对齿轮力学性能的对比试验,验证了激光合金化齿面改性技术在船用高负荷齿轮齿面改性上的可行性,具有一定的工程应用价值。

关键词： 齿轮箱   表面缺陷   立体匹配   去噪滤波   点云切片   区域提取  

摘要： 高速列车齿轮箱作为列车传动系统的核心部件,有传递动力驱使列车前进之作用。通过定期检测发现高速列车齿轮箱易发生表面缺陷,这将严重影响高速列车的行驶安全性。为适应高速铁路领域的蓬勃发展,保证高速列车行驶安全性,亟需智能高效的检测技术来替代以传统人工目视为主的检测方式。本文以带缺陷的高速列车齿轮箱为研究对象,围绕齿轮箱表面肋板局部缺损、表面裂纹与表面凹坑缺陷的检测识别与空间定位、三维信息的获取等问题,设计了一套基于双目立体视觉的高速列车齿轮箱表面缺陷检测系统,并且以缺陷空间坐标定位与缺陷三维信息获取为重点展开研究,具体研究工作内容如下:1.以定位高速列车齿轮箱箱体表面缺陷为目标,采取双目立体视觉技术对箱体进行三维成像并获取其点云数据,完成三维重建。研究了双目相机的三维成像原理;推导并分析了相机成像下平面坐标系与空间坐标系之间的转换关系。明确了获取缺陷空间坐标所需的相机内外参数及畸变参数,并利用二维棋盘格为标定板进行系统标定与图像立体校正,确保平面与空间维度上的良好映射以求解相关参数。基于半全局立体匹配技术(SGM)完成三维重建,获取缺陷的空间坐标,一次性地对箱体单面所有缺陷完成空间检测定位;实验证明,该方法在高速列车齿轮箱箱体表面肋板局部缺损与凹坑缺陷检测定位效果较好。2.为避免噪声点的影响及后期处理结果的准确性,需对检测系统所成像的高速列车齿轮箱点云做预处理,遂提出一种统计滤波与双边滤波结合的方法以去除冗余噪点。实验结果表明,该方法不仅精简了高速列车齿轮箱的点云数据,而且未大量丢失目标点云,达到了良好的点云去噪与平滑效果,亦为高速列车齿轮箱箱体表面缺陷点云的提取与分析奠定了基础。3.针对高速列车齿轮箱箱体表面缺陷具体的三维信息获取,采用点云切片法在箱体点云的深度方向进行等间距切割,通过切片间距与缺陷切面的形状变化获得箱体表面缺陷的深度值;依据点云在深度方向的RGB数据差异,通过实验有效观察到缺陷与非缺陷区域的差异,利用ROI目标缺陷区域提取处理搭配点云检测软件对缺陷二维平面上横纵方向的几何尺寸进行有效检测,实验结果验证,两种方法在获取箱体表面肋板缺陷与凹坑缺陷的三维数据信息及裂纹长度上效果良好,最小误差为1.21%。

关键词： 安全带卷收器   动力学   齿轮齿条   预紧式   结构设计  

摘要： 汽车安全带作为汽车被动安全系统中最为关键的一环,大大降低了乘员在交通事故中的死亡率,其中,具有预紧和限力功能的安全带可以进一步降低乘员在碰撞事故中受到的伤害,因此也更受青睐。然而我国相关行业起步较晚,缺乏相应的理论指导,因此本土企业的预紧限力式安全带产品较为落后,为此,本文对具有齿轮齿条式预紧机构的安全带进行了较为系统的研究,研究内容对进一步提高安全带开发效率、促进安全带发展具有重要意义。 根据齿轮齿条式预紧机构的工作特性将预紧过程分为消除松弛量阶段和施加预紧力阶段,通过拉格朗日力学方程建立了相应的动力学模型,使用MATLAB对动力学方程进行了求解,并通过ADAMS对理论模型进行了验证。对齿轮齿条式预紧机构的主要设计参数进行了灵敏度分析,并进一步分析了齿轮分度圆半径和齿条受压面积对预紧性能的影响,为后文预紧机构的设计奠定了基础。 在企业原复合敏感锁止式卷收器的基础上进行了新预紧限力式卷收器的设计,根据预紧性能要求及卷收器的整体尺寸对齿轮齿条的几何参数进行了设计。根据厚壁圆筒管壁单元的应力和变形情况,基于第三强度理论确定了气腔的壁厚。根据限力杆的工作原理,基于圆轴扭转理论对限力杆进行了设计。对齿轮罩壳、上盖板及卷簧板等关联结构进行了设计,建立了新预紧限力式卷收器的整体三维模型。 为了验证所设计预紧机构的强度,借助ABAQUS有限元仿真软件对气腔及相关固定件的强度进行了分析,根据应力结果优化了气腔的横截面形状,并对气腔拐角区域做了进一步的分析和优化。建立了齿轮齿条的有限元仿真模型,分析了危险时刻齿轮齿条单双齿啮合时轮齿的齿面接触应力和齿根弯曲应力,同时进一步验证了齿轮和卷筒连接部分的结构强度。 对新预紧限力式卷收器进行了样件试制,通过静态预紧试验和加速滑车试验验证了该卷收器的预紧限力性能和结构强度。为了进一步对比新卷收器与原卷收器的保护效果,基于LS-DYNA搭建了驾驶员侧的正面100%碰撞模型并进行了仿真实验,根据乘员伤害评价方法对假人各部位的伤害情况进行了对比和分析。

关键词： 直齿轮   整体式挤压油膜阻尼器   非线性动力学   寿命预测   振动和噪声控制  

摘要： 直齿圆柱齿轮传动系统在车辆、风力发电、舰船等机械设备中得到广泛应用。在工作过程中,该系统会受到内部和外部激励的双重作用,导致整个系统发生振动。齿轮啮合时产生的动态啮合力不仅会激励齿轮轮体,还会通过轴传递到轴承,然后传递到齿轮箱箱体以及周围结构,产生振动和声辐射。因此,如何有效降低或衰减齿轮副的辐射噪声、箱体辐射噪声和传导噪声,实现高稳定、长寿命、高性能齿轮传动轴系的设计成为了齿轮传动系统研究的关键点。本论文以降低直齿圆柱齿轮传动轴系振动和噪声为研究切入点,分析不同工况下齿轮副振动的原因,并针对性地提出减振和降噪方法。主要工作包括:(1)建立考虑时变齿侧间隙、时变摩擦系数以及误差激励的非线性直齿圆柱齿轮动力学模型,探究不同因素对直齿圆柱齿轮副振动特性的影响;(2)基于有限元法建立齿轮箱箱体的声-固耦合模型,并结合非线性圆柱齿轮动力学模型,评估增加支撑阻尼系数对齿轮箱箱体辐射和传导噪声的影响;(3)使用有限体积法计算评估新型整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)的刚度和阻尼系数,将计算结果代入建立的非线性直齿圆柱齿轮动力学模型中,验证整体式挤压油膜阻尼器的减振特性。同时,建立带有中心距误差的直齿圆柱齿轮轴系减振降噪试验台,验证整体式挤压油膜阻尼器的宽频带减振降噪特性。最后,使用有限元软件和寿命评估软件n Code对传统刚性支撑和ISFD支撑齿轮的寿命进行评估,探究ISFD对齿轮副寿命的影响。(4)搭建直齿圆柱齿轮轴系试验台,比较涂敷不同类型和不同厚度的粘弹性阻尼材料对齿轮轴系噪声的影响规律,验证粘弹性阻尼材料的降噪性能。(5)基于单输入多输出模态试验方法,进行齿轮箱箱体模态的锤击试验,并使用实验结果修正有限元模态分析结果。在验证有限元法计算模态结果精度有效保证后,将该方法用于齿轮箱减重降噪设计,探索轻量化设计技术。