关键词： 齿轮箱箱体   疲劳试验   有限元仿真   载荷时间历程曲线   疲劳寿命  

摘要： 随着我国高铁发展的日新月异,“中国速度”不断走向全世界,高速铁路的快速发展和运营速度的不断提高对于其列车性能要求越来越高。高速列车转向架中的齿轮箱作为能量转换与传递的核心单元,对高速列车的动力传输和安全运行具有十分重要的作用,因此开展高速列车齿轮箱箱体疲劳寿命研究具有重要的工程意义,论文研究内容如下:本文以高速列车CRH380A齿轮箱箱体为研究对象,以疲劳寿命分析为研究目的。首先截取了CRH380A箱体材料制成标准试样在实验室进行疲劳试验,利用高频疲劳试验机和测试软件结合得到该材料的不同应力级下的应力循环次数,依据数据结果运用最小二乘法拟合绘制S-N曲线,另外分析计算运用幂函数拟合绘制出了存活率P为50%、90%和99%的P-S-N曲线,根据升降法测定箱体材料的疲劳极限为110MPa。然后通过3D扫描技术联立Solid Works软件建立起齿轮箱箱体的三维数据模型,将三维数据模型导入有限元软件中进行超常载荷工况下的静强度分析,结果显示启动工况为最危险的工况,箱体最大应力值达到139.07MPa,小于箱体材料许用应力190MPa,认为箱体强度符合要求;另外针对可能存在的共振问题对齿轮箱体进行了约束模态分析,分析结果表明箱体前8阶模态频率范围处于628.52Hz至1166.6Hz之间,远小于在高速工况下列车平稳运行的箱体内部齿轮啮合频率2450Hz,得到箱体内部结构不会发生共振的结论。接着利用UM多体动力学软件建立起高速动力转向架系统模型和齿轮箱传动系统以及齿轮箱刚柔耦合模型。以高速列车平均运行速度300km/h为分析工况,在UM中考虑轮轨激励得到齿轮箱箱体在300km/h高速工况下所受的外激励载荷时间历程曲线,在ADAMS动力学仿真软件中考虑内外激励得到此高速工况下箱体所受的载荷时间历程曲线,将得到的S-N曲线和载荷时程数据联立ANSYS有限元仿真进行此高速工况下的瞬态分析,分析得到箱体的等效应力云图,结果表明此工况下箱体的疲劳薄弱点位于位于小齿轮箱与下箱体连接右下端,最大应力为21.23MPa。最后将有限元仿真结果映射到n Code疲劳寿命分析软件中进行齿轮箱箱体的疲劳寿命分析,通过采用不同存活率的P-S-N曲线,分别得到了箱体在P=50%、P=90%和P=99%的疲劳寿命云图,计算得到箱体危险部位处发生疲劳破坏所需最少循环次数为2.361×10～8;将危险部位的载荷应力谱进行雨流计数处理,并编制8级程序载荷谱,将该载荷谱运用Goodman公式修正并采用名义应力法和Miner法则理论计算箱体的疲劳寿命为2.137×10～8个循环,同有限元仿真结果做对比分析。

关键词： 共轴双旋翼   混合建模   动态响应   齿轮   敏感性  

摘要： 本文以共轴双旋翼传动系统新型构型为研究对象,开展了双转子-中介轴承系统动力学建模、动态响应分析以及响应影响因素研究,以及传动系统动力学混合建模、动态响应分析、响应影响因素分析以及系统敏感度性参数分析,基于软件MATLAB GUI工具,开发了该传动系统的设计分析软件。主要研究内容有: (1)考虑双转子不平衡量,建立双转子-中介轴承动力学模型,采用龙格库塔法求解了系统振动微分方程,获得系统动态响应,以及使双转子-中介轴承系统振动响应最小的中介轴承最佳位置,并研究了不平衡量、中介轴承支撑刚度以及双转子壁厚系数等对双转子-中介轴承系统响应的影响。 (2)基于节点有限元法,使用梁单元模拟形成轴单元、推导锥齿轮和三齿轮啮合关系形成啮合单元、通过弹簧和阻尼与轴段连接形成轴承单元,从而建立了共轴双旋翼传动系统动力学混合模型,并考虑了齿轮副间的时变啮合刚度,啮合阻尼、传递误差和齿轮轴支撑刚度的影响,并通过坐标系关系转化,得到传动系统混合动力学模型。 (3)基于傅里叶级数法求解传动系统整体矩阵,获得传动系统动态响应;通过改变系统参数,分析了啮合刚度、轴系轴长以及轴系壁厚系数等对传动系统动态响应的影响规律,开展了系统敏感性参数分析,获得了影响传动系统动态响应的敏感性参数。 (4)基于MATLAB GUI工具,开发了包括传动系统的位移响应计算、响应影响因素分析以及系统敏感性参数分析等模块的传动系统分析软件,以便于开展不同参数下传动系统的位移响应计算、响应影响因素分析以及系统敏感性参数分析。

关键词： 可靠性   Kriging模型   仿真分析   高低机末级齿轮   AK-MCS算法  

摘要： 高低机是驱动火炮起落部分的动力传动装置,在火炮发射的过程中起到调整射击角度的作用,因此对于火炮的瞄准过程而言,高低机的可靠性研究是很有必要的。高低机的末级齿轮因其结构和在火炮发射过程中作用的特殊性,本课题基于Kriging代理模型并结合运动学、动力学、有限元仿真法和数值仿真法等,对高低机末级齿轮进行可靠性相关研究。本课题研究的主要内容如下:(1)对基于Kriging和Monte Carlo的AK-MCS算法进行理论推导与程序编写,并通过两个算例,说明程序的收敛速度、稳定性和准确性均满足要求。(2)高低机末级齿轮在高低俯仰时,会产生接触应力与剪切应力,对高低机末级齿轮的应力强度可靠性有所影响,针对此工况,本课题采用有限元仿真得到俯仰过程中末级齿轮的接触应力与剪切应力,并对其进行应力强度校核;改变本工况中的参数获得初始样本,利用AK-MCS算法完成高低机末级齿轮俯仰时应力强度可靠性的分析。(3)弹丸发射时会产生一个动力偶矩,此时高低机末级齿轮处于自锁状态,在动力偶矩的存在下,对高低机末级齿轮做有限元仿真得到此状态下的接触应力,并对其进行接触强度校核;改变此工况的参数获得初始样本,利用AK-MCS算法对高低机末级齿轮在弹丸发射时的接触强度可靠性进行分析。(4)车载武器在移动瞄准时,高低机末级齿轮会产生耦合型振动,将耦合型振动模型编制MATLAB程序利用龙格库塔法进行数值求解,得到高低机末级齿轮在耦合型振动中的传递误差,并校对于临界传递误差;改变工况中的参数获得初始样本,利用AKMCS算法完成车载武器在移动瞄准时高低机末级齿轮的传递误差可靠性分析。

关键词： 齿轮箱   故障诊断   变分模态分解   卷积神经网络   门控循环单元   信息融合  

摘要： 齿轮箱是一种常见的用以传递动力的机械设备,已被广泛应用于农业生产、风力发电等领域,一旦齿轮箱出现故障,将直接影响到工业生产和日常生活,严重的甚至还会造成人身伤亡和经济损失。所以,对齿轮箱及其关键零部件开展故障诊断,及时发现和排除故障对于保证机械设备的健康运行和减少设备维护成本起着关键作用。本文以齿轮箱中的关键部件—齿轮作为研究对象,通过搭建齿轮箱故障实验平台,采集振动信号,利用机器学习和深度学习方法开展对齿轮箱故障的智能诊断研究。论文的主要内容包括以下几个方面:1.首先,对齿轮箱中常见的失效形式及其产生的原因进行简要分析,根据现有实验条件选择合适的实验器材搭建齿轮箱故障实验平台,设置齿轮故障形式,并开展实验,采集后续实验验证和分析所需的振动数据。2.针对齿轮箱振动信号非线性的特点以及存在冗余成分干扰的问题,提出一种自适应变分模态分解(AVMD)与精细复合多尺度散布熵(RCMDE)结合的特征提取方法。首先,利用AVMD分解对获取的振动信号进行去噪,针对VMD在分解时需要人为设置分解层数K的问题,提出一种综合评价指标用于分解层数K值的自适应选取,根据IMF能量熵和相关系数双阈值选取包含主要信息的分量进行重构,完成振动信号的去噪预处理;其次,利用RCMDE提取去噪信号的非线性特征,获得用以表征信号复杂性的多尺度特征;最后,通过由粒子群优化算法(PSO)自动获取核参数和惩罚系数的核极限学习机(KELM)完成对齿轮箱故障的智能诊断,通过实验分析证明了该方法的有效性。3.针对传统机器学习方法需要人为提取特征,且识别结果易受人为因素和专家经验影响的问题,在AVMD分解方法对振动信号去噪的基础上,提出一种AVMD与卷积神经网络(CNN)-门控循环单元(GRU)结合的方法,将去噪后的振动信号直接输入到CNN-GRU模型中,利用CNN挖掘振动信号的空间信息,并使用GRU进一步挖掘时序信息,获得能够表征振动信号空间和时间信息的时空特征,最后通过softmax层完成齿轮箱不同状态的有效识别,经实验验证,10次测试的平均准确率为98.08%,能够有效完成对齿轮箱不同故障形式的识别,并且识别结果较为稳定。4.针对单一传感器采集到的振动信号易受噪声干扰且无法有效表征齿轮箱的运行状态的问题,同时也为获得更加有效和稳定的齿轮箱故障诊断方法,在CNN-GRU模型的基础上,提出一种并行卷积神经网络(PCNN)-GRU融合多传感器信息的故障诊断模型,用于融合多传感器获取的振动信号,获得多传感器深度时空特征,并利用softmax层进行识别,完成齿轮箱“端”对“端”的智能诊断,结果表明,在无需去噪的前提下,10次测试的平均准确率为99.92%,且与其他方法进行对比,具有更高的识别准确率和稳定性,并且损失率更低。

关键词： 行星齿轮传动系统   虚拟样机技术   齿轮故障   接触力  

摘要： 行星齿轮传动系统广泛应用于汽车、航空航天、电力等领域,行星齿轮传动系统作为传动装置的核心部件,由于工作环境具有高负荷的特性,使得系统故障尤其是齿轮故障频发,本文以含故障的行星齿轮传动系统作为研究对象,探索、掌握行星齿轮系统在不同故障下时域、频域的动力学特性,一定程度上简化故障诊断的难度,具有重要的意义。论文的主要内容如下:本文基于Solidworks,建立了行星齿轮传动系统的虚拟样机模型,采用Adams对行星齿轮传动系统刚柔耦合模型进行动力学仿真,通过对比角速度理论值来验证模型的正确性。针对行星齿轮传动系统局部故障的问题,建立不同程度下的三种太阳轮故障(齿面点蚀、齿根裂纹、轮齿折断)与两种混合故障的刚柔耦合虚拟样机模型,使用接触力时域与频域图分析故障对系统动力学特性的影响。在提取的接触力时域图的基础上,对系统的均载特性进行了分析。在频域图的基础上,使用边频带与主频的幅值比进行计算与分析。研究结果表明:健康工况时呈周期性平稳变化的接触力时域图中出现了会因为故障程度加重而越来越高的接触力峰值;发生故障后,频域图中的变化主要体现在基频与二倍频附近,基频幅值的下降与二倍频的上升很明显,倍频附近会出现与故障频率相关的边频带。接触力时域信号无量纲指标中的峭度、峰值因子、脉冲因子、裕度因子可以作为检测、判断故障程度的参考。健康工况时行星齿轮系统拥有良好的均载性能,发生故障后系统的均载系数增大,且随着故障程度加重不断恶化。

关键词： 面齿轮   蜗杆砂轮磨削   分步敏感性分析   关键几何误差   等效补偿  

摘要： 面齿轮传动是一种新型齿轮传动,具有结构紧凑、对安装误差不敏感和扭矩分流等诸多优点,在直升机减速系统具有广阔的应用前景。目前,面齿轮正逐步替代锥齿轮成为新一代直升机主减速系统的核心零件。然而我国尚缺乏面齿轮高精度磨削制造装备,主要问题在于机床存在众多误差因素,难以保证自身加工精度。为此,本文针对YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机的加工精度进行研究,对该机床的关键几何误差进行识别,并提出通过补偿面齿轮磨削路径的对中误差和斜率误差从而实现等效补偿关键几何误差的方法。主要研究内容如下:(1)基于YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机的磨削原理建立了面齿轮蜗杆砂轮磨削齿面的数学模型。根据YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机的结构,分析了该磨齿机的磨削原理;基于演变法建立了面齿轮用蜗杆砂轮的齿面方程;建立了面齿轮蜗杆砂轮磨削加工坐标系,根据啮合原理推导了面齿轮蜗杆砂轮磨削啮合方程,并建立了面齿轮磨削齿面的工作齿面方程和过渡曲面方程。(2)研究了YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机关键几何误差的识别方法。分析了YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机的几何误差,建立了几何误差—刀具综合误差模型;基于YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机的磨削原理,建立了刀具综合误差—齿面误差模型;利用Improved Sobol敏感性分析方法对两个模型进行了敏感度系数计算,并通过分步敏感性分析识别了影响齿面误差的关键几何误差项。(3)研究了YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机关键几何误差的等效补偿方法。分别分析了面齿轮蜗杆砂轮磨削路径的对中误差和斜率误差的作用规律;研究了关键几何误差与对中误差、斜率误差的等效关系;提出了利用NSGA-II算法从实际加工齿面测量数据计算对中误差、斜率误差补偿值的方法。(4)基于YS7232A面齿轮蜗杆砂轮磨齿机进行了关键几何误差等效补偿实验,并在西门子840D sl数控系统下开发了面齿轮磨削功能人机交互界面。

关键词： 机车传动齿轮   轮轨激励   热-力耦合   温度场   应力场  

摘要： 机车传动齿轮是机车动力传输过程中的核心部件,其结构的可靠性将直接影响机车的运行安全。随着近年来铁路运输的速度与承载要求提高,长时间服役的机车齿轮将处于较高的工作环境中,过高的温度可能会带来齿面胶合等齿轮损伤。因此,探究机车齿轮温度场分布及大小情况及考虑不同工况下的热-力耦合特性对机车齿轮的可靠性评估及监测维护有重要工程意义。本文以某型电力机车传动齿轮为研究对象,利用多体动力学仿真软件建立机车整车模型并进行模型验证,导出由波幅为0.05mm、波长为150mm的钢轨波磨与车轮诱发的轮轨激励下机车传动齿轮振动位移图,并分析在不同速度下机车传动齿轮振动情况,研究发现,随着机车运行速度的增加,从动齿轮垂向位移激励振动频率与振动幅值加剧;结合机车传动齿轮的几何与物理参数,利用齿轮传热学、摩擦学等基本理论计算出机车传动齿轮的热流密度及不同区域的对流换热系数等边界条件,并探究在不同牵引电机转速及润滑油油温下,对机车传动齿轮的热流密度及不同区域的对流换热系数等边界条件的影响,分析发现,机车传动齿轮的热流密度随着机车运行速度的增加而增大,牵引电机转速及润滑油油温对齿轮不同区域的对流换热系数影响程度不同;利用ABAQUS有限元软件将齿轮边界条件加载在到机车传动齿轮模型上,得出在不同牵引电机转速及润滑油油温下对温度场、热变形的大小及分布情况影响,发现最高温度位于齿轮齿根处,呈细长椭圆状分布;最大变形量出现两端面与啮合面相交角处,变形量由齿顶向齿轮内壁面依次递减。采用结构场及热-力耦合场探究有、无考虑轮轨激励影响下,机车传动齿轮的温度场和应力场分布及疲劳寿命情况,其中热-力耦合场采用直接耦合法,使得温度与应力相互作用;结合疲劳损伤理论及应力分析结果,利用疲劳分析软件fe-safe对有无考虑温度影响下,对某一载荷谱服役时的寿命进行预测,研究发现,考虑温度效应影响后机车传动齿轮疲劳寿命明显降低。

关键词： 塑料齿轮   机器视觉   外观缺陷检测   深度学习   齿轮精度评价   亚像素   工艺溯源  

摘要： 在智能制造的趋势下,塑料齿轮行业也面临着向数字化、网络化和智能化转型的挑战。随着ERP、MES等生产管理系统在塑料齿轮产业中的应用普及,庞大的订单数据、生产计划和供应链数据均可上传至管理系统进行汇总,实现生产过程的自动化控制与跟踪。然而由于现有的齿轮量仪难以实现塑料齿轮在线全检,导致目前整个智能制造管理体系缺失了最重要、最基础的一环——即塑料齿轮质量检测数据的实时获取环节,工厂无法根据反馈的质量检测数据实时跟踪和调整生产工艺。塑料齿轮行业寻求可追溯的质量检测数据,亟需可应用于生产现场的塑料齿轮在线全检技术。塑料齿轮在线全检技术中塑料齿轮外观缺陷检测和塑料齿轮精度误差评价是质量检测中的两大关键,尽管近十年来齿轮视觉检测技术取得了一定的发展,但缺乏专用于小模数塑料齿轮、融合外观缺陷检测和精度误差评价的100%在线全检技术,难以与塑料齿轮产线紧密耦合。 本文通过理论创新和技术创新,开发了塑料齿轮综合外观缺陷智能检测方法,提升了复杂特征下的塑料齿轮综合缺陷检测准确率;提出了从图像中快速获取塑料齿轮整体误差的新方法,拓展了齿轮精度评价能力;建立了小模数塑料直齿轮免参数并行快速检测方法,解决了同一条塑料齿轮产线上的多种不同型号的小模数塑料齿轮并行在线检测难题;研制了面向智能制造的塑料齿轮在线检测系统,可以与产线紧密耦合实现100%在线全检,并已投入使用。 本文主要研究内容如下: 1)构建了塑料齿轮外观缺陷数据集,包含上端面(顶针面)、下端面(水口面)和侧面(齿面)的塑料齿轮全方位缺陷图像,共计有16个种类的外观缺陷;从外观缺陷检测两大任务(目标检测任务和实例分割任务)出发进行方法原理推导和实验验证;针对目标检测任务,建立了PGD-net(Plastic Gear Defect-net),在网络结构中设计了样本权重自适应优化方法——Focal-IOU Loss,缓解了塑料齿轮缺陷样本的长尾效应,平衡了样本分布,提高了困难类别缺陷的检测能力;开发了基于UNet++和特征融合的塑料齿轮复杂黑点缺陷分割方法,通过优化UNet++网络模型来预测黑点缺陷的区域,再结合多特征融合的置信度分析方法,采用区域生长法对预测出来的缺陷区域进行修正,改善缺陷分割结果。 2)提出了基于GTC-Facet(Gaussian Template Convolution-Facet)的塑料齿轮整体误差获取方法,提出通过GTC方法获取Hessian矩阵,从而运用矩阵运算快速获取Facet灰度分布模型,提高了齿轮亚像素边缘定位精度;提出迭代重加权最小二乘拟合齿轮中心点的方法,能够有效抑制边缘离群值对拟合中心定位精度的影响;结合齿轮整体误差理论,实现从齿轮图像中快速获取齿轮截面整体误差曲线(JZ曲线),获取的误差信息中既包含齿轮分析式测量结果,也包含齿轮功能式测量结果,拓展了齿轮精度评价能力。从JZ曲线中不仅可以分解出齿距偏差、齿廓偏差、齿厚偏差等单项误差信息,还能从JZ曲线的外包络线中获取切向综合偏差,从双向截面整体误差曲线(SJZ曲线)中解析出径向跳动;能够快速定位和定量分析齿面毛刺、齿轮偏心以及齿廓修形。 3)建立了小模数塑料直齿轮免参数并行快速检测方法,提出以多目标分割算法、GTC-Facet亚像素定位算法、圆与齿廓交点定位算法和轮廓分割算法为基础,通过交点法、正弦函数拟合法测量齿数,公式法、齿廓近似法测量压力角,进而测算出齿数、模数、压力角、齿顶圆直径、齿根圆直径、全齿高、齿宽、公法线变动量、变位系数和形位误差等关键参数;在检测前免输入任何参数,且无需装夹齿轮。 4)研制了面向智能制造的塑料齿轮质量在线检测系统——GOI(Gear Online Inspection)系统。已在某塑料齿轮产线得到实际应用,日检塑料齿轮超6万件;发明了侧方图像采集机构和清洗机构,可进行侧面、齿面上的缺陷图像自动采集以及玻璃转盘自动清洁;设计了控制系统和硬件电路,以PLC为核心,可以实现运动控制、自动定位、自动采图、自动检测、自动分选下料和异常报警;GOI系统的软件集成了塑料齿轮外观缺陷检测和精度误差评价两大关键质量检测技术,可与塑料齿轮产线紧密耦合实现100%在线全检;搭建了Bayesian网络和物联网云平台,与ERP、MES系统实现通讯互联,可根据云端存储的全周期的质量检测数据对塑料齿轮工艺进行溯源。

关键词： 17CrNiMo6齿轮钢   精密磨削   粗糙度   温度场仿真   残余应力  

摘要： 17CrNiMo6齿轮钢以其高强度和耐磨性的特点,广泛使用于变速箱齿轮等重载齿轮的生产与制造。磨齿加工作为齿轮加工的最后一道工序,然而磨削区域较高温度场非常容易引起磨削烧伤发生,使加工表面质量和疲劳寿命难以保证。以往多通过试验法研究磨削工艺参数对齿轮钢的表面质量的影响,但成本较高。鉴于此,本文采用磨削仿真技术开展17CrNiMo6齿轮钢磨削工艺参数与加工表面质量的关系研究,并加以试验验证。 首先,基于磨削加工的成形磨齿原理,分析了磨齿热量的产生与传递过程,阐述了四种热源模型的主要应用场合,推导了干磨和湿磨情况下的对流换热系数,对磨削区内的热量分配进行了理论分析,推导成形磨齿工艺参数与磨削区热量分配的理论计算公式。 其次,分析了成形法磨齿温度场的三类边界条件。运用有限元法,推导了齿面瞬态温度场与瞬态热应力场的有限元模型,用ANSYS APDL语言对成形磨削齿面进行了三维瞬态温度场有限元仿真,又利用ANSYS提供的间接法对齿面热应力进行了三维热-力耦合仿真。获得了干湿磨工况下的齿面温度场与热应力场分布状况,并阐明了两种热源模型对齿面温度的影响。通过改变磨齿工艺参数(砂轮线速度、砂轮进给速度、磨削深度)探究出齿面温度及热应力的变化规律。 最后,对17CrNiMo6齿轮钢开展了齿轮磨削试验,对磨削加工时的磨削温度,磨削加工后试样的表面粗糙度,显微硬度,显微组织,残余应力进行了测量,并与仿真结果进行了对比分析,间接对磨削温度场与热应力场仿真模型进行了验证。结果表明,本文建立的齿轮磨削加工温度场和热应力场仿真模型具有较高的准确度,对磨削表面质量研究具有一定指导意义。 通过本文的研究,得出了虑及热力耦合作用的齿轮精磨加工工艺参数对磨削加工表面质量,残余应力的影响规律,掌握了齿轮磨削烧伤的检测方法,对优化17CrNiMo6齿轮钢齿轮磨削工艺参数,减少磨削烧伤,具有较强的指导意义。本文的建模方法也可供相近领域的研究进行参考。