关键词： 风电机组齿轮箱   故障诊断   深度学习   动态结构   不确定性  

摘要： 随着我国风电行业的快速发展,对风电机组运行状态进行监测和故障诊断,可以有效降低故障停机造成的运维成本。齿轮箱作为风电机组重要组成部分,一旦发生故障就会带来严重的经济损失。风电机组齿轮箱振动信号存在有效特征稀疏问题,传统非概率化的诊断模型在监测海量数据时故障特征提取和识别能力差,且诊断过程高度确定。因此,本文以深度学习理论为基础,建立动态框架概率化的贝叶斯并行深度学习(Bayesian Parallel Deep Learning,Bayesian PDL)模型对风电机组齿轮箱进行故障诊断,实现网络结构与故障数据自适应匹配,提高故障特征识别能力。同时,网络超参数概率化使得输出的诊断结果具有高置信度。主要研究内容如下:(1)阐述风电机组齿轮箱故障诊断方法的研究背景和意义,总结当前国内外智能化故障诊断方法的研究现状;以风电机组行星齿轮箱为研究对象,对行星轮系中的轴承和齿轮的组成结构、故障信号发生机理进行分析;针对采集的信号具有高噪声低故障特征的特点,提出一种差分连续小波变换(Different Continuous Wavelet Transform,DCWT)故障信号预处理方法。利用差分变换减少信号不规律波动,通过连续小波变换提高时频特征的分辨率。经实验验证,所提方法使预处理后的信号具有更高的时间和频率分辨率。(2)针对传统智能化风电机组齿轮箱故障诊断模型网络结构固定而导致挖掘故障特征能力较差的问题,提出一种并行深度学习(Parallel Deep Learning,PDL)框架的故障诊断模型。所提模型网络框架可以根据输入数据特征的不同,动态地变换网络框架结构,实现数据特征与网络框架结构自适应匹配。在PDL故障诊断模型内部提出注意力特征融合机制,该机制使网络注意力集中于重复出现的故障特征,高注意力值的故障特征融合可有效提高PDL故障特征识别能力。通过实验,所提模型可更好地匹配数据并增强故障特征,其诊断准确率可达99.91%±0.0054,比传统智能诊断模型具有更强的特征识别能力和更高的诊断性能。(3)传统非概率化智能故障诊断模型的网络具有高度的确定性,导致输出风电机组齿轮箱故障诊断结果置信度低。在动态PDL框架基础上,提出概率化的Bayesian PDL故障诊断模型,将网络超参数由传统的点估计转换成概率分布的表达形式,量化网络在故障诊断过程中的不确定性,解决网络模型超参数高度确定而导致结果低置信度输出的问题。实验表明,对风电机组齿轮箱轴承和齿轮的故障诊断准确率分别为99.44%±0.0101和99.10%±0.0034,同时诊断结果的不确定性分布最高。Bayesian PDL故障诊断模型比传统非概率化模型具有更好的数据拟合和特征识别能力,比概率化诊断模型具有更高的不确定性和鲁棒性。

关键词： 直齿圆柱齿轮   椭圆织构   织构特征参数   动压润滑   摩擦性能  

摘要： 直齿圆柱齿轮是精密传动设备常用的基础件,其具有传动可靠、传动精度高和制造工艺简单等优点被广泛应用于航空航天、能源动力等领域,但在啮合传动过程中,齿轮表面因润滑不足,摩擦磨损性能较差,使齿面易发生胶合失效和疲劳破坏,严重影响了齿轮的寿命,降低了传动系统的效率。表面织构技术能够改善齿轮表面的润滑性能,具有降低界面摩擦和磨损的功能,提高了试件的散热性能,表面织构齿轮的研究为齿轮提高寿命提供了重要的方法。本文提出了一种椭圆齿面织构,针对椭圆织构直齿圆柱齿轮的润滑和摩擦性能开展研究,通过构建椭圆织构线接触模型,进行润滑能力计算分析,开展椭圆织构圆柱滚子和椭圆织构齿轮的摩擦磨损试验和摩擦磨损试验,探究椭圆织构对齿轮润滑和摩擦性能的影响。 首先,开展椭圆织构线接触模型润滑性能计算。通过MATLAB PDE工具箱求解Reynolds方程,对比分析椭圆织构,凹坑织构,沟槽织构和无织构模型油膜压力分布和润滑性能,探究椭圆织构不同面积占有率,椭圆率,角度,卷吸速度,长轴半径与织构深度对模型润滑性能的影响规律。结果表明,椭圆率,卷吸速度和较小的角度对椭圆织构模型润滑性能影响较小;面积占有率和较大的角度对椭圆织构摩擦润滑性能影响较大;椭圆织构长轴半径较大且织构深度较浅时具有更好的润滑性能,椭圆织构能够有效提高模型表面的润滑性能,最佳润滑性能的椭圆织构参数为δ*=0.25～0.3,γ=0.7～0.9,θ=0°～45°,U*=3.455,Ra*=6～8,H*=1。 其次,开展椭圆微织构圆柱滚子摩擦磨损试验研究。采用激光加工技术进行椭圆织构圆柱滚子加工,并通过MMS-2A摩擦磨损试验机进行椭圆织构圆柱滚子摩擦磨损试验;通过四因素三水平正交试验分析滚子的磨损量,损伤形貌以及平均摩擦系数,探究椭圆织构深度,长轴半径,椭圆率以及角度对圆柱滚子摩擦磨损性能的影响规律。结果表明,椭圆织构长轴半径较大,织构深度较深以及角度较小时可以获得更优的摩擦磨损性能,最佳磨损性能椭圆织构参数为H=5μm,Ra=150μm,γ=0.7,θ=0°,最佳摩擦性能椭圆织构参数为H=20μm,Ra=80μm,γ=0.7,θ=45°。结合润滑计算与试验结果选择出最佳椭圆织构参数H=20μm,Ra=150μm,γ=0.7,θ=0°。 最后,开展椭圆织构齿轮摩擦磨损试验。采用激光加工技术在齿轮表面加工出最佳参数的椭圆织构,并进行椭圆织构齿轮摩擦磨损试验,采用胶合试验法和显微镜观测法,观测齿轮损伤形貌以及损伤面积率,分析椭圆织构对齿轮摩擦磨损性能的影响程度。结果表明,椭圆织构表面损伤呈现点状或较小带状,损伤区域较小,椭圆织构齿轮损伤面积率相较于无织构齿轮降低了76.97%～81.11%,椭圆织构齿轮比无织构齿轮具备更好的摩擦磨损性能。

关键词： LaF3纳米微粒   配伍规律   摩擦学性能   重负荷齿轮油   纳米复合剂  

摘要： 含极压抗磨剂的齿轮油虽然可以避免苛刻工况条件下齿轮的摩擦磨损,但是极压抗磨剂不仅对齿面金属具有腐蚀性,还会对人体健康和自然环境造成伤害。纳米微粒作为添加剂不仅可使润滑油的减摩、抗磨和承载性能得到大幅度提高,同时还在环境保护和人体健康等方面也具有十分突出的效果,为以上问题提供了一种新的解决思路。LaF纳米微粒作为一种常用的高温固体润滑剂,近似层状的结构,具有相对较低的硬度、较高的热稳定性和化学稳定性,在重负荷工业齿轮油中具有潜在的应用前景。然而,纳米LaF在基础油中的分散稳定性和感受性以及与齿轮油复合剂的相容性问题,使其难以投入到实际应用中。基于此,本论文合成了二(2-乙基己基)磷酸(D2EHPA)表面修饰的LaF纳米微粒,研究其在三种不同类型基础油中的摩擦学行为。探究LaF纳米微粒与齿轮油复合剂的核心添加剂之间的配伍规律,揭示其相互作用的机理,进一步将纳米LaF加入到市售全配方齿轮油中,考察其对市售成品齿轮油摩擦学性能的影响。最终为了实现纳米添加剂的商业化应用,基于以上试验结果,设计开发一款含有油溶性纳米LaF的重负荷工业齿轮油复合剂。主要研究内容及结论如下:(1)油溶性纳米LaF的制备及在不同基础油中的摩擦学行为以氟化钠(NaF)、七水氯化镧(LaCl·7HO)为反应原料,采用D2EHPA为表面修饰剂制备出油溶性的LaF纳米微粒,在矿物油(150N)、聚α-烯烃(PAO6)和癸二酸二异辛酯(DIOS)基础油中具有良好的分散稳定性。四球测试结果表明LaF纳米微粒对三种基础油的摩擦学性能具有显著的增强效果。当其添加浓度为0.2 wt%时油品性能最佳,此时基础油PAO6、150N和DIOS的摩擦系数分别降低了28%、33%和49%,而磨斑直径则减小了38%、53%和46%;并且在100 N到400 N的载荷区间,均具有一定的抗磨性能。结合磨损表面的分析结果发现,在摩擦过程中D2EHPA表面修饰的LaF纳米微粒在磨损表面形成了由磷酸盐、氧化铁、氟化镧和氧化镧等组成的复杂边界润滑膜,不仅使接触表面的磨损和摩擦系数得以显著的降低,还能对表面缺陷处进行填补修复。(2)油溶性纳米LaF与齿轮油典型添加剂的配伍性能及其应用研究探究了纳米LaF与齿轮油典型添加剂硫化烯烃(T321)、硫代磷酸复酯胺盐(T307)和丁基异辛基磷酸十二胺盐(T308B)之间的配伍规律,并结合添加剂的吸附行为与磨损表面的表征结果,分析纳米LaF与齿轮油典型添加剂的相互作用机理。最后更进一步探究了纳米LaF对市售成品齿轮油摩擦学性能的影响。试验结果表明,纳米LaF与齿轮油添加剂(T321和T307)复配后,不仅在改善基础油减摩抗磨性能方面上存在明显的协同效应,还能够提高基础油的最大无卡咬负荷(P)。通过对添加剂在金属表面的吸附行为和磨损表面的表征结果分析发现,复配后减摩抗磨性能和最大无卡咬负荷(P)的提升,正是由于LaF纳米微粒与齿轮油添加剂(T321和T307)在金属表面上相互促进吸附,在摩擦的初始阶段能够于摩擦副接触表面更快的吸附,并与纳米LaF共同形成更厚的摩擦膜。除此之外,试验发现油溶性纳米LaF与市售L-CKD 320重负荷工业齿轮油的复合剂显示出较高的相容性,能有效的改善市售重负荷工业齿轮油的润滑效果。(3)重负荷工业齿轮油纳米复合剂的配方设计与性能研究基于LaF纳米微粒在基础油中的摩擦学行为以及与齿轮油典型添加剂的配伍规律,并结合重负荷工业齿轮油的性能特点与应用条件,设计开发一款含有油溶性纳米LaF的重负荷工业齿轮油复合剂。选择烷基萘30(AN30)为基础油,使用四球摩擦试验机、高压差示扫描量热仪和铜片腐蚀测定器,就纳米复合剂与市售复合剂在基础油中的摩擦学性能、抗氧化性能和铜片腐蚀性能进行比较分析。通过对比发现,含纳米复合剂的基础油比市售复合剂具有更低的摩擦系数,更小的磨斑直径和更高的最大无卡咬负荷(P)、烧结负荷(P)和综合磨损值(ZMZ);除此之外,含纳米复合剂基础油的铜片腐蚀性和抗氧化性与市售复合剂基本相当。

关键词： 多级齿轮传动   摩擦热流量   齿廓修形   动力学特性   振动噪声  

摘要： 齿轮系统运行时不可避免出现轮齿啮合刚度变化、传递误差和啮合冲击,同时因受到温度、制造误差、安装误差等影响,齿轮啮合过程中载荷发生周期性变化,进而产生振动和噪声。修形作为优化齿轮振动噪声的重要手段,可以改善齿轮啮合过程中轮齿受力情况,减小振动及冲击,提高传动系统平稳性、承载能力和使用寿命。本文以航空多级齿轮传动系统为研究对象,开展圆柱齿轮副参数优化、热弹耦合仿真、齿廓修形设计以及系统动力学分析、振动噪声预估等方面的研究。主要工作如下:(1)基于混合弹流润滑方法计算齿轮副时变摩擦系数,建立齿轮副摩擦热流量计算模型,分析齿轮参数对摩擦热流量的影响规律。建立以低摩擦热流量为目标的多级圆柱齿轮系统参数优化模型,编写计算程序,优化齿轮系统参数,优化后齿轮系统摩擦热流量显著减小。(2)基于ANSYS软件,求解齿轮传动系统温度场,并进行热弹耦合分析,根据仿真所得啮入啮出位置干涉位移量计算修形参数;推导齿廓修形齿面方程,建立修形齿轮系统参数化有限元模型,并进行热弹耦合求解;对比修形前后齿轮系统各齿轮副接触应力,修形后各齿轮副应力皆有所减小。(3)借助Romax软件计算各轴承支承刚度,基于有限元法求解各齿轮副时变啮合刚度;建立齿轮传动系统动力学模型,采用龙格库塔法求解动力学方程,得到修形前后齿轮的振动响应以及各齿轮副的动态啮合力。对比修形前后齿轮振动响应可得,修形后各齿轮振动响应皆有所减小。(4)在ANSYS中建立齿轮箱有限元模型,采用Block Lanczos法求解箱体约束模态,对比齿轮箱固有频率和齿轮副激励频率,排除了齿轮箱共振的可能性;基于模态叠加法计算修形前后齿轮箱的振动响应,修形后振动响应大幅减小。在SYSNOISE中建立齿轮箱声学边界元模型,采用直接边界元法求解齿轮箱表面声压和场点辐射噪声,修形后齿轮箱噪声得到一定程度的减小。

关键词： 激光离散硬化   强韧性   软?硬相间   渐开线齿轮   滚动接触疲劳  

摘要： 目前,齿轮技术发展正面临着高承载能力、高服役寿命的双重考验。因此,齿轮的设计制造体系正从考虑齿廓几何的控形制造向着考虑齿面完整性的“控形控性”抗疲劳制造转变。其中,表层改性作为齿面完整性抗疲劳设计制造的核心和主导,却仍采用全区域的处理方式,难以兼顾强度和韧性,无法对齿面进行区域化的差异处理,容易造成所谓的“硬则易脆,软则易磨”现象,在耐磨性提高的同时也容易造成齿面点蚀、微点蚀,以及剥落等接触疲劳失效的问题。为此,本文受自然界某些生物特征启发,提出“软?硬相间”的结构表面,通过激光表面离散硬化的方式引入到齿面表层改性中,并围绕硬质单元体形态耦元对齿面接触疲劳行为产生的影响,开展系统的理论和试验研究。（1）激光动态多道次离散硬化对表面完整性影响。在相同的激光输入能量情况下,提出了一种动态多次短持续时间的激光辐照方式（模式为Ⅱ）,并与单次长持续时间的激光辐照模式（模式为Ⅰ）相对比,研究这两种激光照射模式之间的差异及对表面质量的影响。结果表明:通过减少持续时间,增加重复次数,有利于控制熔凝区的尺寸,因此,可通过改变激光照射方式来提高硬化表面质量;在激光辐照模式Ⅱ下,随着重复次数的增加,温度历程不会表现出明显的叠加热效应,但硬度会呈现累积效应,并能提高硬化层的均匀性。这可能与多次的快速再奥氏体化相关,前次生成的马氏体组织中含有大量晶格缺陷,将为后续再次奥氏体化提供形核位点,阻碍再奥氏体化过程中晶粒生长,导致奥氏体晶粒变小,形成更细小的马氏体晶粒。（2）离散硬质单元体诱导材料强韧化机制。利用单向拉伸试验,得到激光离散硬质单元体诱导材料力学性能参数产生的变化,进而计算材料静力韧度。同时,分析拉伸后的断口形貌,并结合离散硬质单元体的动态拉伸有限元模拟结果,探究硬质单元体诱导拉伸断裂行为变化,以及对材料强韧化作用机制。结果表明:不同激光辐照模式Ⅰ和模式Ⅱ得到的“大而疏”和“小而密”板状试样抗拉强度分别提高了9.54%和5.15%;离散的硬质单元体阵列,可以近似看着“应力节点”,对表面的应力分布进行规整。同时,硬质单元体能阻隔了材料的塑性流动,集聚了更高的应力,并将根据自身形态耦元,做出不同的响应,如沿着与拉伸方向垂直开裂,或者沿拉伸方向椭圆化,消耗内能,提高材料自身韧性。（3）离散硬质单元体滚动接触疲劳行为研究。通过搭建圆柱滚动接触疲劳试验机,开展滚动接触疲劳试验,分析滚动摩擦状态和损伤形貌演变;同时,建立离散硬质单元体的圆柱滚动接触动态仿真有限元模型,分析滚动接触过程中“硬质”单元体与“软体”基材产生的耦合效应,以及其所诱发表面接触应力场变化。结果表明:“软—硬相间”的表面结构,能够令滚动接触磨损过程中失重分别下降41.9%,55.4%;随着循环次数的增加,硬质单元体的损伤形式由微磨损（环形微凸体磨平）向接触疲劳损伤（硬化区域点蚀）转变。同时,离散分布的硬质单元体对应力场分布起到调控作用,在“硬质”单元体的等效应力要明显高于“软体”基材的等效应力,诱导原本接触区域均一的应力场分布产生周期性波动,呈现局部应力集中的分散特征。（4）硬质单元体对齿轮啮合接触行为调控机制。建立硬质单元体齿轮动态接触模型,按啮合接触状态,研究齿轮啮合接触过程中的应力-应变,接触压力,滑动距离,摩擦应力,以及赫兹接触刚度,分析“硬质”单元体与“软体”基材的耦合效应所诱发的齿面接触应力场变化。结果表明:接触区域的“硬质”单元体,可以改变接触压力原本阶梯增加的趋势,呈现中间高,较前一接触状态增加了接近3倍,两侧低,接触压力较相同位置未处理试样的接触压力下降了近2/3,有效地减弱齿面“软体”基材区域接触压力,促使整体接触压力状态呈现下降的趋势。因此,“硬质”单元体发挥支撑作用,缓解“软体”基材所承受的应力状态,还能发挥“集聚效应”,诱导“硬质”单元体周边形成高应力和高应变状态。（5）硬质单元体对齿轮弹流润滑特性的影响。以齿轮啮合简化模型和等温线接触弹流润滑模型为基础,结合齿轮多状态啮合过程中的时变参数,引入齿面离散硬质单元体与区域弹性模量的映射关系,建立考虑硬质单元体的齿轮弹流润滑模型,重点分析不同硬质单元体形态耦元对油膜厚度和承载能力的影响规律。结果表明:“硬质”单元体具备增加局部油膜厚度的作用,将诱导最小油膜曲线轮廓产生周期性局部凸起;同时,使得该区域的油膜压力变小,诱导最大油膜压力曲线轮廓出现周期性凹陷。因此,在低负载扭矩的工况下,将有利于齿面形成润滑条件;在高负载扭矩工况下,由于先于“软体”基材进入薄膜或者混合弹流润滑阶段,提前形成微凸体接触,保护“软体”基材。（6）激光偏置离散硬化处理齿面的应用研究。提出激光倾斜入射离散硬化工艺,设计自动获取齿廓均匀分布的硬化点坐标方法,来开发面向齿面处理的激光离散硬化控制策略及设备。设计并搭建功率开放式齿轮试验台,验证齿面离散硬化

关键词： 齿轮箱系统   振动特性   Markov模型   多场耦合   多失效模式相关性   可靠性  

摘要： 我国高速铁路运营里程稳居世界第一,全国高铁网已经覆盖94.7%以上的百万级人口的城市。中国铁路已经掌握了设计、制造满足各种运行环境的高速列车成套技术,具备自主创新能力,形成了自主的技术标准与设计方法。高速列车的行车过程中,各个系统的可靠性共同决定了高速列车整车的可靠性,对高速列车的行车安全及运力保障起到至关重要的作用。高速列车的齿轮箱系统是高速列车传动系的重要组成,是高速列车动力传递路线上的关键环节,其可靠性研究对于高速列车的安全性、可靠性和经济性有着重要的意义。本文以某型高速列车齿轮箱为研究对象,在分析齿轮箱内、外激励的基础上建立齿轮箱内部齿轮传动机构的弯-扭-轴-摆耦合动力学模型,分析了齿轮传动机构的振动特性,基于子结构导纳法建立齿轮箱各零件的导纳矩阵,结合齿轮传动机构的动力学分析结果及齿轮箱的导纳矩阵,从振动功率流角度分析了齿轮箱系统的振动传递特性、振动的主要传递路径,并分析了阻尼参数、刚度参数对齿轮箱系统振动功率的影响,为齿轮箱系统的振动控制研究、基于振动能量传递的振动机理分析提供参考。在齿轮箱的动态特性理论分析基础上,对高速列车齿轮箱的振动加速度进行实车采集,应用核密度估计理论对齿轮箱系统进行振动评价,并基于核密度估计结果确定振动响应阈值,为齿轮箱的振动监测及振动监控阈值优化提供参考。基于Markov模型,应用AK-MCS算法,结合Copula理论分别从系统运维、系统运行过程等角度对其进行了可靠性分析,为齿轮箱系统的运维决策优化、动态可靠性监测提供指导。主要研究内容如下:(1)高速列车齿轮箱系统的动力学建模首先,以高速列车齿轮箱内部的一级齿轮传动机构为研究对象,分析其时变啮合刚度、误差激励、啮合冲击激励以及外部激励。然后,基于力、振动位移分解法,建立综合考虑啮合冲击激励、误差激励、时变啮合刚度激励及外部激励的斜齿轮弯-扭-轴-摆耦合振动模型,得到齿轮传动机构的振动载荷列阵,分析齿轮传动机构的振动特性及振动激励。最后基于子结构导纳法建立关键部件的导纳矩阵,结合齿轮传动机构的动力学分析,基于功率流思想建立齿轮箱系统的耦合动力学模型。(2)高速列车齿轮箱系统振动传递特性分析及振动评价基于建立的高速列车齿轮箱系统振动功率流模型,对齿轮箱系统进行分层传递路径分析,通过分析结果辨识振动主要的传递路径,并分析阻尼参数、刚度参数对齿轮箱系统振动功率的影响。基于实车测试的齿轮箱振动响应数据并结合核密度估计理论,对齿轮箱系统进行振动评价。确定了各关键部件振动响应核密度估计的最优置信区间,计算了各关键部件振动响应的监控阈值。分析结果及研究方法为实车运行中齿轮箱关键位置的振动监测及振动监控阈值优化提供参考。(3)基于振动响应的高速列车齿轮箱可靠性分析基于Markov理论建立高速列车齿轮箱系统的Markov状态模型。依据齿轮箱振动加速度响应数据的分析,通过EEMD方法对信号进行降噪分解处理,确定各关键部件的响应协变量及本征维数,建立各关键零件的WPHM模型,通过极大似然估计方法估计模型参数,基于WPHM计算齿轮箱各主要零件的实时故障率,基于Markov状态转移模型评估齿轮箱系统及各关键零件的状态概率,分析其故障率及修复率对齿轮箱系统可靠性的影响,为齿轮箱系统的维修决策优化提供参考。(4)基于流-固-热耦合的高速列车齿轮箱热可靠性研究对高速列车齿轮箱系统进行传热及温升分布分析,基于有限元分析软件对齿轮箱的流-固-热耦合状态进行分析,确定稳态温度场分布情况。基于分析结果设计温升试验,在验证前文的温度场分析的同时,确定了温度场的概率分布情况,为齿轮箱关键发热部件的热可靠性分析提供取样依据。基于AK-MCS算法对齿轮箱的热可靠性进行分析,得出温度对主动齿轮及主动齿轮轴轴承可靠性的影响,对高速列车齿轮箱在实车运行中的温度监测限值及齿轮箱可靠性的优化提供依据。(5)基于多失效模式相关性的高速列车齿轮箱可靠性研究基于经典应力-强度干涉理论,将随机载荷作用次数视为Poisson过程,通过Gamma过程描述零件的强度退化,由零件材料或零件的P-S-N曲线确定各零件的Gamma强度退化参数,综合考虑顺序统计量理论、时变载荷及强度退化过程建立齿轮箱各关键零件的应力-强度干涉模型,基于该模型分析各关键零件的动态可靠性。将高速列车齿轮箱视为串联系统,引入Gumbel Copula函数,考虑不同零件之间及同一零件不同失效模式之间的相关性,确定Gumbel Copula函数嵌套关系,基于核密度估计及极大似然估计法确定Gumbel Copula函数的参数值,从而建立高速列车齿轮箱系统的动态可靠度模型,实现高速列车齿轮箱动态可靠性的评估。

关键词： 螺旋伞齿轮   感应加热   感应器   磁热耦合   温度场  

摘要： 感应加热作为以电能为主要驱动能的加热方式,能够在短时间内实现对工件外表面的加热,为提高工件热处理效率,国内制造业逐步在齿轮表面强化中普及感应热处理工艺。感应热处理可以实现工件表面硬化的同时,确保工件内部仍具有足够韧性,但对于异形结构的螺旋伞齿轮而言,感应加热很难实现齿廓表面的均匀加热,从而使得齿轮表面金相组织分布不均,导致齿廓表面热处理后存在开裂、变形和较大的残余应力的缺陷。本文通过数值模拟来分析不同结构感应器和各工艺参数对螺旋伞齿轮感应加热过程的作用机制,为螺旋伞齿轮的进一步热处理提供技术参考。首先,基于感应加热基础理论制定螺旋伞齿轮感应加热的方案,利用ANSYS有限元软件编写APDL语言,建立静态感应加热的数值模拟宏程序。提取数值模拟结果,观察感应器产生的电、磁场分布,分析感应器的结构变化以及空间位置变化对齿廓温度场分布的影响规律。其次,开发基于ANSYS节点单元的步进移动耦合仿真法,以此研究感应器以不同移动速度和移动方向下进行加热时,齿廓电磁场和温度场演变规律。提出温度迁跃率的概念,以此量化分析不同感应器移动速度下螺旋伞齿轮端面的尖角效应表现程度。最后,搭建能够满足设计要求的实验台架,设计螺旋伞齿轮动态加热移动方案,利用实验室现有设备进行螺旋伞齿轮静态和动态感应加热实验,提取实验数据与数值模拟结果进行对比,从而验证所建立的数值模拟方案的准确性。

关键词： 谐波齿轮传动   轨迹映射   啮合原理   参数优化   三维齿廓  

摘要： 谐波齿轮传动是利用薄壁柔轮产生挠性变形衍生出来的一种少齿差传动形式,因其具有结构简单、减速比大、精度高、体积小、质量轻等优点,被广泛应用在机器人、航空航天、医疗器械、数控机床等高端领域。然而国产谐波减速器与国际水平存在较大的差距,且缺乏一套参数化、系列化的谐波齿轮传动正向齿廓设计方法。针对以上问题,本文结合齿轮齿条近似法和啮合原理,提出了轨迹映射驱动的谐波齿轮传动齿廓设计方法。(1)基于谐波齿轮传动基本假设,推导了柔轮的转角关系。以柔轮中性层曲线方程、齿数以及模数为输入,结合齿轮齿条近似法和啮合原理,提出了轨迹映射驱动的谐波齿轮传动齿廓设计方法。通过与双圆弧齿廓的对比研究,表明轨迹映射驱动的齿廓设计方法,无需额外输入齿廓参数就可以求出一对相互共轭的柔轮和刚轮齿廓,并且其共轭区间更大、啮合侧隙更小。可以实现谐波齿轮传动的系列化、参数化正向设计。(2)研究了轨迹映射参数对啮合特性以及齿廓位置的影响规律;分析了分度圆处齿廓参数对共轭区间的影响规律;提出了先优化分度圆处齿廓参数,再优化轨迹映射参数的参数优化方法。结果表明该方法可以高效地优化轨迹映射参数,并提高谐波齿轮传动的共轭特性。(3)考虑柔轮轴向变形,从不发生齿廓干涉出发,提出了轴向倾角三维齿廓、无干涉直齿齿廓设计方法,并对比分析了它们的啮合特性。结果表明两种三维齿廓在各个截面都不发生齿廓干涉;轴向倾角三维齿廓主要在中间截面实现啮合;直齿齿廓的啮合截面随波发生器转动逐渐从前端截面过渡到后端截面。(4)通过有限元分析表明结合柔轮有限元变形进行谐波齿轮传动齿廓设计能有效地减少柔轮最大齿面接触压强和应力,提高谐波减速器的承载能力;在负载较小时,轴向倾角三维齿廓的啮合性能优于直齿齿廓,在负载较大时,直齿齿廓的啮合性能优于轴向倾角三维齿廓;相比于传统的双圆弧齿廓,本文提出的轨迹映射驱动齿廓同时接触的轮齿更多、承载能力更大,证明了本文所提出的轨迹映射驱动的谐波齿轮传动齿廓设计方法的优越性与合理性。

关键词： 高速列车齿轮箱   齿轮传动系统   多轴随机振动谱   冲击振动载荷   疲劳损伤   抗冲击性能   孔洞缺陷  

摘要： 高速列车齿轮箱是列车传动系统的重要组成部分,负责电机和轮对之间扭矩传递,实现列车的牵引和制动。齿轮箱箱体由于复杂的结构特点和恶劣的服役环境,在服役期间曾多次出现疲劳破坏的现象,影响着列车的运行安全。由于列车齿轮箱与轮轴直接相连,属于典型的轴装设备,在运行过程中会承受复杂的内外激励载荷,包括电机扭矩载荷、齿轮啮合载荷和轮轨激励载荷。虽然可以采用台架试验或包含齿轮传动系统的整车动力学模型,获取内外激励载荷耦合作用下的齿轮箱动力学响应,但是由于轮轨激励载荷的频带宽、能量大,箱体产生了明显的弹性振动响应,而现有的方法无法真实反映齿轮箱的服役环境。另外为了减轻列车簧下部件质量,齿轮箱箱体为铸造铝合金结构,箱体内部存在孔洞缺陷,极易萌生疲劳裂纹,但是目前的箱体疲劳寿命评估方法还无法考虑孔洞缺陷的影响。本文针对高速列车齿轮箱服役环境下的抗冲击性能与疲劳寿命评估问题,开展了以下研究:(1)针对高速列车齿轮箱服役环境具有的两个重要特征,即非平稳非高斯特性和多轴相干性,提出了基于损伤等效的多轴随机振动谱合成方法。由损伤等效的功率谱密度和相干函数组成多轴随机振动谱,并基于功率谱矩阵的复相干约束原理对相干函数的幅值和相位进行优化,保证了多轴随机振动谱的物理可实现性。利用线路实测的轮对轴箱振动加速度数据,合成了列车轴装设备的单轴和多轴随机振动谱,并与IEC61373列车设备振动标准的功能测试和耐久性测试振动谱进行了对比分析,发现列车轴装设备的振动谱与设备的材料疲劳特性相关。本方法合成的多轴随机振动谱可以更真实地反映设备服役振动环境的损伤特征,为列车设备随机振动测试提供了一种新思路。(2)基于冲击响应谱模型,分析了列车轴装设备的冲击振动环境特征,并提出一种反映冲击振动环境方向特征的冲击响应谱时域波形合成方法。研究了半正弦、梯形、锯齿形等脉冲加速度的冲击时间、幅值和波形对冲击响应谱的影响特征。利用线路实测的轮对轴箱振动加速度数据,合成了列车轴装设备的冲击响应谱,并与IEC61373列车设备振动标准的半正弦冲击测试进行对比分析,发现脉冲加速度存在低频过载和高频欠载的问题,无法满足列车设备对冲击振动环境方向特征的要求。采用叠加波形代替单脉冲波形进行冲击响应谱时域波形合成,基于差分进化算法优化波形参数,得到了满足冲击响应谱精度要求的叠加冲击加速度。本方法合成的冲击振动载荷可以更真实地反映设备冲击振动环境的能量成分,为列车设备冲击振动测试提供了一种新思路。(3)建立了关键部件为柔性体,可体现齿轮和轴承间隙、时变刚度等非线性特征的某型高速列车齿轮传动系统台架仿真模型。采用线路实测的轮对多轴随机振动谱作为齿轮箱的服役振动环境,并提出一种基于谱修正的多轴随机振动环境再现方法,通过虚拟激振器施加轮对轴箱振动激励,模拟齿轮箱的服役振动环境。通过对比线路实测的轴箱和齿轮箱的加速度响应,验证了台架模型可以精确再现齿轮箱在线路中的多轴随机振动环境和振动状态。该模型可以获得电机时变输入扭矩和转速、齿轮和轴承时变刚度、轮轨振动激励等内外激励载荷耦合作用下的齿轮箱动力学响应,解决了传统列车动力学模型激励能量不足的问题,为列车齿轮传动系统的抗冲击与疲劳性能评估提供了研究基础。(4)基于模态叠加法,建立了考虑齿轮箱箱体动态特性的抗冲击性能与疲劳寿命评估方法。基于台架模型获取了齿轮箱箱体服役环境下的动应力响应,与线路实测的箱体动应力响应进行了对比分析,验证了台架模型求解箱体动应力响应的可行性,在此基础上对箱体进行了抗冲击性能与疲劳寿命评估。对比分析了准静态叠加法和模态叠加法求解箱体疲劳寿命的差异,分析了箱体单阶模态对抗冲击与疲劳性能的影响,发现了显著影响箱体薄弱部位抗冲击与疲劳性能的关键模态。本方法可以获取箱体单阶模态对抗冲击性能与疲劳寿命的贡献值,为通过动态设计方法提高箱体抗冲击与疲劳性能提供了一种方法。(5)基于孔洞缺陷对铸铝结构疲劳寿命的影响特点,提出一种适用于含孔洞缺陷大型结构的疲劳寿命与临界缺陷尺寸评估方法。通过结构表面微元体和孔洞缺陷表面之间的应力集中系数代替有限元模型求解缺陷表面的应力响应,然后基于缺陷应力梯度准则对结构进行疲劳寿命与临界缺陷尺寸评估。分别通过有限元模型和应力集中系数求解表面和内部孔洞缺陷的应力响应,并与文献中含孔洞缺陷试样的疲劳极限进行对比,验证了方法的可行性。对齿轮箱箱体薄弱部位进行了疲劳寿命与临界缺陷尺寸评估,分析了孔洞缺陷对箱体服役性能的影响。本方法不需要有限元模型直接描述孔洞缺陷,可以对含孔洞缺陷大型结构的疲劳寿命和临界缺陷尺寸进行量化评估。

关键词： 椭圆齿轮   参数设计   固有特性   啮合特性   疲劳寿命  

摘要： 齿轮广泛运用在机械装备中,具有稳定、精确等传动特性,是目前最重要的零部件之一。但传统的齿轮只能传递等速比运动,为满足新型、复杂的特定传动函数要求,椭圆齿轮应运而生。和传统齿轮相比,其不仅将角速度恒定的运动传递为具有一定规律的变速运动,还具有传递运动稳定、紧密的构造、能满足特殊的传动函数等优势。伴随椭圆齿轮的应用愈加广泛及在传动中的独特性质,研究椭圆齿轮的设计参数对其传动特性的影响,及分析在承受载荷的情况下椭圆齿轮齿面啮合性质具有重要意义。本文采用1阶椭圆齿轮作为研究分析对象,通过理论和有限元仿真工具相互论证的分析方法,对于椭圆齿轮在实际工作中的独有传动特性、齿面啮合特性、齿轮的疲劳寿命等几个方面展开系统的研究,主要的研究内容包括:1.提出一种准确、高效的椭圆齿轮建模方法,通过仿真模拟滚齿刀在齿坯表面进行滚齿加工,来构建椭圆齿轮滚齿刀加工的数学模型。采用MATLAB与CAD相结合的方式提取椭圆齿轮的齿廓包络线。2.对椭圆齿轮的设计参数进行探讨,分析了设计参数对椭圆齿轮加工过程中出现齿根切除现象的影响。齿轮长半轴与滚齿刀齿形角越大,越不容易发生齿根切除现象;齿轮偏心率与滚齿刀安装位置越小,越不容易发生齿根切除现象。此外,椭圆齿轮的传动特性,例如齿轮系统的传动比、从动轮的转角变化速度、变化加速度、齿轮不同轮齿啮合过程中压力角和重合度会随偏心率的变大出现增加的趋势。并且齿轮不同轮齿的齿廓角不同,会随着齿轮排号顺序出现周期性的规律。以及随着齿轮的负载转矩加大,椭圆齿轮传动系统受到的扭矩波动也会变剧烈。3.利用Recur Dyn构建椭圆齿轮传动系统啮合接触的有限元仿真模型,分析了齿轮中端面是椭圆齿轮啮合过程中的重要区域。并划分轮齿编号及沿齿高方向的不同区域,分析出齿轮在啮合过程中等效应力最大的区域。4.通过疲劳分析,得出齿轮啮合过程中的疲劳危险点,论证了上文的理论。最后,分析出在不同承载和摩擦系数的条件下,椭圆齿轮的疲劳寿命的变化趋势。