关键词： 行星齿轮   减速机   运动学/动力学   有限元   疲劳寿命   加速寿命预测  

摘要： 多级行星齿轮减速机是混凝土运输搅拌车的重要组成设备之一,因运行工况复杂,载荷波动幅度大,易导致减速机异常损坏,为此,需要对减速机进行加载试验,检测其工作性能及可靠性指标。但减速机试验时间长,成本非常高昂。因此,本课题提出一种加速寿命预测试验方法,既能满足试验要求,又能加快试验进程,对缩短试验时间,降低试验成本,加快产品推向市场具有重要的意义。本文的主要内容如下:结合国内的制造水平和加工能力,简述了混凝土搅拌运输车的机械构成、工作情况和运行原理后,论证并选择了大速比行星齿轮减速机的总布置方案;之后,建立了大速比行星齿轮传动比匹配的优化模型,利用MATLAB完成了各级传动比的优化匹配;最后完成了减速机的3D实体建模和样机试制,为后续的动力学分析、数值模拟仿真和试验提供了理论模型和样机。在简要分析影响减速器性能的主要因素后,先建立了行星齿轮传动系统运动学/动力学方程,给出了相应的求解方法;之后利用第2章的3D数模在Adams中建立了运动学/动力学仿真模型;接着结合装车工况和《土方机械减速机试验方法》(JB/T 9721-2015)要求设计了定转速变转矩、定转矩变转速的分析方案,并完成了仿真分析,讨论了轮齿传递误差、时变啮合刚度、啮入啮出冲击、级间传递误差等因素对输出扭矩、部件载荷的影响,对为后续的静强度分析、加速寿命预测试验设计提供了基础数据和理论指导。结合台架试验要求,先建立了减速机加速寿命试验的数学模型,然后确定了加速寿命试验载荷谱的编制方法和加速寿命的试验方法;接着通过Ansys软件采用准静态分析方法分析了不同外载荷作用下太阳轮、行星轮、齿圈和行星轴等关键件的应力水平和应力分布状态,找出减速机中各关键部件的薄弱环节;最后根据薄弱环节制订了加速寿命试验的试验方案。试验结果表明,加速寿命预测方法是可行的,其与常规疲劳运转试验和超负荷运转试验是等效的,可极大地加快了试验进程,在有效减少试验费用的同时,加快了产品推向市场的速度,同时还为后续同类产品试验方案的设计提供了更多的选择。

关键词： 齿轮胶合失效   胶合承载能力   齿轮胶合试验   性能预测  

摘要： 齿轮热行为与胶合问题是齿轮行业永恒不变的研究主题之一,尤其是在高温高速工况下,齿轮胶合失效问题更为突出,破坏性也更为严重,是航空传动领域必须解决的重要科学问题和关键技术瓶颈。以高温高速为代表的极端服役工况下齿轮胶合试验方法、评价准则、承载能力等数据基本空白,影响齿轮抗胶合设计工作开展,严重制约了航空齿轮正向设计与重大航空装备研发。因此本文通过设计高速航空齿轮胶合承载能力试验方法,开展不同材料、齿形、工艺的航空齿轮胶合承载能力试验,通过开展相关性与贡献度分析筛选影响齿轮胶合性能的核心因素,形成齿轮胶合承载能力极限预测公式,为高速航空齿轮传动系统设计优化提供指导。本文面向航空高性能齿轮应用领域,以AISI 9310航空齿轮为研究对象,设计了高速航空齿轮胶合承载能力试验方法,开展不同齿形、工艺的航空齿轮胶合试验,研究不同齿形结构和不同表面强化工艺对齿轮胶合性能的影响变化规律。并提取齿轮胶合特征参数,通过相关性分析和贡献度分析研究不同参数对齿轮胶合承载能力的影响程度,并提出了考虑胶合影响因素的齿轮胶合PV极限预测公式。论文主要研究内容如下:(1)基于国标闪温法对试验齿轮进行优化设计,通过精细划分试验载荷级捕捉齿轮胶合渐进损伤特征,设置高转速下喷油润滑工况以模拟航空齿轮服役环境,可以准确测试不同齿轮钢-航空滑油组成摩擦学系统的胶合性能。(2)系统地开展了不同齿形、工艺航空齿轮胶合承载能力试验,通过识别航空齿轮在高速运转过程中胶合损伤面积渐进扩展和突变激增的特征,确定齿面平均胶合损伤面积超过30%为齿轮的失效判据,并详细分析了齿形和工艺对齿轮抗胶合性能的影响。(3)表征了包含齿面形貌、残余应力、显微硬度在内的齿轮表面完整性参数,计算了不同齿轮胶合影响因素。经过对比分析提出了PV极限应用于高速航空齿轮抗胶合性能评估。通过Pearson相关系数计算方法研究不同影响因素之间以及不同因素与PV极限之间相关性,基于随机森林算法讨论几何、工艺所引入参数对PV极限值影响大小,进一步基于多元线性回归拟合了高速航空齿轮胶合承载能力PV极限预测公式。

关键词： 齿轮箱   多尺度调制数学模型   变尺度模态滤波   变转速   故障诊断  

摘要： 齿轮箱是机械传动系统设备中的重要部件,广泛运用于航空航天、轨道交通、汽车工业、船舶、风力发电以及高精机械等重要领域。随着工业现代化的不断推进,机械设备也向着大型化和高功率化的方向发展,齿轮箱的服役环境变得复杂恶劣,故障发生的概率也随之增加,对机械设备的可靠运行和安全性带来了巨大的影响。因此如果可以在齿轮箱早期故障阶段及时发现其变化,并采取相应的手段,就可以有效避免严重事故的发生、减少经济损失。振动作为监测的一种重要手段,广泛应用于齿轮早期微弱故障的辨识。然而由于实际运行过程中强背景噪声干扰、多部件的振源耦合以及复杂的传递路径等因素的综合影响,致使齿轮箱故障特征微弱、信噪比低、不利于识别诊断。进一步由于转速、负载等工况的影响,故障信息调制分布模糊,容易导致故障特征识别错误,增加了齿轮箱故障诊断的难度。因此,究明齿轮振动信号在强噪声和变工况影响下的调制机理及特征影响规律,开展强噪声下微弱齿轮箱故障特征提取及变转速工况影响下特征增强方法的研究,搭建一套齿轮箱在线状态监测与故障诊断系统,对于保证机械设备安全可靠的运行具有重要的理论意义和工程价值。 本文针对强噪声、变工况影响下的齿轮箱微弱故障特征提取问题,围绕齿轮故障振动信号调幅调频机理、微弱故障特征提取、时变故障特征增强及诊断等方面展开研究,并基于研究成果搭建了一套齿轮箱在线状态监测与故障诊断系统。论文主要研究工作包括: (1)针对变转速工况下齿轮故障振动信号调幅调频规律不明的问题,考虑转速变化对齿轮早期故障振动特征调幅调频的影响,建立了齿轮均布故障和局部故障引起的振动信号多尺度变速调制数学物理模型,探明了在转速影响下调制频带的多尺度变化规律。 (2)针对强噪声干扰下齿轮箱微弱故障提取困难的问题,综合考虑齿轮故障振动信号多尺度耦合调制、故障特征易受到噪声干扰的特点,基于多尺度调制数学物理模型和变分模态分解理论,提出了变尺度模态滤波去噪方法,实现了故障调制特征辨识和噪声成分抑制,克服了传统滤波方法在滤波频带选取难与带内噪声去除效果不佳的问题,通过齿轮局部故障仿真与实验验证了方法的有效性和优越性。 (3)针对变转速下齿轮故障振动信号调制特征模糊的问题,考虑转速变化导致齿轮箱故障特征时变的特点,基于变速多尺度调制数学物理模型和变尺度模态滤波理论,提出了时变模态滤波方法,实现了变转速信号故障调制特征的增强,克服了转速变化及噪声对于故障特征信息识别不准的问题,通过变转速下齿轮仿真信号与实验信号验证了方法的有效性。 (4)基于变尺度模态滤波方法在强噪声、变转速影响下齿轮箱微弱故障特征提取方面的研究,综合齿轮箱运行状态信号采集、信号分析、状态监测及故障诊断等应用需求,研制并搭建了一套齿轮箱在线状态监测与故障诊断系统,完成了振动、温度等物理量的采集与存储、振动信号的时域、频域分析以及特征值的提取,实现了对齿轮箱运行状态的实时动态监测及诊断。

关键词： 薄腹板齿轮   真空渗碳   高压气淬   有效渗碳层   工艺优化  

摘要： 为了使航空发动机高速化、轻量化,齿轮零件经常设计为薄腹板结构,且需承受复杂的应力、应变和磨损。真空渗碳与高压气淬相结合的热处理方法可以提高齿轮的表面性能,但在热处理时对其形变以及表面渗层碳浓度合理分布的控制是一大技术难题。本文研究设计了组合夹具以控制薄腹板齿轮的热处理变形,并通过对渗碳层的碳浓度及微观组织分布的预测与实验研究,获得了提高近齿面碳浓度的工艺参数优化方案。主要研究工作及结论如下:(1)通过建立热-应力-应变多物理场有限元模型,对薄腹板齿轮热处理变形进行分析。基于变形分析结果,设计了薄腹板齿轮热处理组合夹具以控制其变形。通过不同材料对比及结构优化,形成了优化方案,将端面及齿顶变形量均控制在约0.05mm,满足了产品热处理精度需求。(2)通过对真空渗碳的碳传递反应机理与饱和式脉冲渗碳的工艺控制原理分析,在对乙炔气体的表面碳通量、碳扩散系数及奥氏体饱和碳浓度进行求解的基础上,利用有限差分法建立真空脉冲渗碳的碳扩散方程,计算形成需求有效渗碳层深度的工艺时间并形成解析模型。结合解析模型计算结果,利用有限元仿真模拟了齿轮表层的碳浓度分布。通过建立温度-相变-应力多场耦合有限元模型,实现对齿轮真空渗碳+高压气淬后的微观组织及残余应力分布的预测。(3)根据解析模型与有限元模型,分析了真空脉冲渗碳三个关键工艺参数(渗碳温度、强渗脉冲结束齿面碳浓度及强渗脉冲开始齿面碳浓度)对齿轮的有效渗碳层深度及近齿面碳浓度的影响规律。以近齿面渗碳层的中心标准点的碳浓度提高为目标因素,设计正交试验,对工艺参数进行优化。结果表明,最优水平组合为960℃渗碳温度+1.80%强渗脉冲结束齿面碳浓度+0.84%强渗脉冲开始齿面碳浓度,此时近齿面标准点的碳浓度为0.6929%,相较于优化前提高了21.6%。(4)在优化后的工艺参数条件下,开展了5组薄腹板齿轮真空渗碳+高压气淬热处理试验。结果表明,经优化后,齿轮热处理变形量满足需求。节圆处有效渗碳层深度略小于理论计算数值,相对误差为8.33%,小于20%,有效硬化层的硬度值符合设计要求。齿轮表面与心部的微观组织分布与理论仿真相符。图58幅,表30个,参考文献69篇

关键词： 端面铣削   弧齿锥齿轮   硬质合金刀具   刀具切削性能   参数优化  

摘要： 随着航空航天、船舶及汽车等制造业的发展,弧齿锥齿轮的研究和应用也逐渐受到广泛关注。弧齿锥齿轮具有结构紧凑、承载能力强以及重合度高等特点,被广泛应用于机械传动装置。目前弧齿锥齿轮的常用材料为20Cr Mn Ti,其高硬度、化学反应性强和散热性差等特点使得端面铣削弧齿锥齿轮加工性较差,较大的切削力和较高的切削温度容易导致刀具磨损严重、工件加工质量差和加工效率低等问题,严重影响切削效率及刀具寿命。在弧齿锥齿轮加工过程中,合理的切削参数不仅能够提高刀具寿命、工件表面粗糙度还能提高加工效率。利用RBF神经网络-NSGA遗传算法对端铣弧齿锥齿轮切削参数进行优化,探索最小刀具磨损及最佳工件表面粗糙度的切削方案。首先,根据展成法加工弧齿锥齿轮的铣齿原理进行分析,确定切削位置关系;分析弧齿锥齿轮的结构,推导出切削凹、凸齿面方程,基于切削齿面模型获得刀具切削轨迹数学方程,对加工刀具的运动轨迹及磨损形式进行讨论,建立刀具磨损数学模型;利用Matlab软件对刀具磨损数学模型进行可视化处理,分析切削参数对刀具磨损的影响规律;探究已加工工件表面残余高度的形成机理,建立表面粗糙度数学模型,为后续弧齿锥齿轮表面粗糙度的研究提供理论依据。其次,在高速干切条件下对弧齿锥齿轮切削过程及加工刀具进行仿真分析。采用CATIA软件对弧齿锥齿轮、刀具进行三维模型的建立,通过DEFROM仿真软件对端铣弧齿锥齿轮进行仿真分析,探讨切削过程中切削力、切削温度的变化规律;探究切削过程中刀具的磨损形式、机理及已加工工件表面形变的变化规律,工件表面的形变变化可以反应实际已加工工件表面粗糙度,为高速干切条件下端铣弧齿锥齿轮实验研究提供技术支持。进而,采用端面铣削的方式进行弧齿锥齿轮切削加工实验。采用超景深显微镜、扫描电镜和能谱仪等对刀具磨损进行检测,分析在不同切削参数条件下刀具的磨损形式及磨损机理,探讨不同切削参数下刀具磨损的变化规律;利用P40滚检机对工件表面粗糙度进行检测,探究不同切削参数条件下弧齿锥齿轮已加工表面粗糙度的变化规律。最后,在实验的基础上,采用RBF神经网络近似模型的NSGA-II遗传算法对弧齿锥齿轮的切削参数进行优化。选用进给量和切削速度作为输入,刀具最小磨损量、最小表面粗糙度以及最大加工效率作为输出,获得多目标Pareto前沿图及不同目标之间相互影响关系,探讨并确定最优的切削参数。为高速干切条件下减小刀具磨损、工件表面质量及提高加工效率提供一定的技术参考。

关键词： 圆弧内齿轮   车齿加工   刀具设计   软件开发   仿真加工  

摘要： 谐波/RV(Rotate Vector)精密减速器传动装置因其传动比大、体积小、传动精度高等优点,广泛应用工业机器人、航空航天、机电传动等领域。然而,随着精密减速器领域的快速发展,传统的滚齿和插齿加工工艺已难以满足精密减速器上内齿轮的高效率、高精度加工要求。近年来,新兴的车齿技术凭借其高效率、高精度、绿色干切等显著优势,正逐渐成为加工精密减速器内齿轮的首选工艺。本文针对RV减速器上圆弧内齿轮的高效高精加工需求,提出了一种双自由度无理论误差的RV减速器圆弧内齿轮强力车齿刀具设计方法。主要内容如下:(1)建立了基于线面共轭理论的圆弧内齿轮车齿刀具数学模型。基于空间交错轴啮合原理,阐述了与车齿加工相关的空间坐标变换、相对运动速度、法向矢量和渐开螺旋面等理论,通过分析车齿刀具与工件的展成运动关系,推导了啮合方程式,求解得到内圆弧齿轮的共轭刀具曲面。(2)研究了RV减速器圆弧内齿轮车齿刀具设计与制造方法。参考插齿刀具设计方法,建立圆弧内齿轮强力车齿刀具几何模型,分别设计了车齿刀前角、后角、前刀面和后刀面;以RV减速器圆弧内齿轮加工为例,提出了无理论刃形误差的圆弧车齿刀具设计与刃磨方法,为圆弧车齿刀具制造奠定了基础。(3)开发了RV减速器圆弧内齿轮车齿刀具正向设计专用软件。软件以刀具与齿面的共轭啮合理论为基础,车齿刀具刃形设计精度更高,且具有齿轮参数输入、刀具参数输入、刀具刃形计算、包络精度分析、数据库管理等功能,通过少量的参数输入,能够快速实现刀具全齿形参数化设计,降低了设计人员工作量。最后,通过车齿仿真加工与刀具切削实验验证了本文提出的RV减速器圆弧内齿轮车齿刀具设计与制造方法的正确性。本文研究内容可为RV减速器上圆弧内齿轮的车齿加工提供理论基础,新型圆弧车齿刀具预期具有较好的工程应用前景。

关键词： 风力机   数字孪生   深度学习   状态监测   行星齿轮   故障诊断  

摘要： 风力机常常因为恶劣的工作环境而导致其齿轮箱中关键部件齿轮发生故障的形式,从而造成重大的经济损失。因此,实现风力机行星齿轮的实时监控和智能诊断对风力机安全稳定的运行有着重要意义。本文提出基于数字孪生的风力机行星齿轮故障诊断的新方案,针对数字孪生虚拟模型的构建、三维可视化状态监测、故障实时诊断、故障模型修正、深度学习模型重构等关键技术进行开发研究。主要研究内容和结论如下: (1)风力机行星齿轮数字孪生构建与映射模型研究。通过数字孪生技术,构建数字孪生动态虚拟模型,依据实时采集数据的分析,实现风力机传动系统的状态监测、智能诊断和故障维修等功能。以风力机传动系统物理实体为基础,针对实时数据的采集方式、虚拟模型的构建方法、孪生数据传输构建方法、各个功能模块的集成方式以及相互之间的数据连接传输存储等内容进行深入研究。 (2)数字孪生驱动行星齿轮的故障诊断研究。基于构建的数字孪生动态虚拟模型和状态监测功能模块,对数字孪生驱动的故障诊断技术进行开发研究。利用历史数据训练深度学习故障诊断模型,通过实时采集数据导入故障诊断模型的方式实现数字孪生实时故障诊断,并修正风力机传动系统故障模型,保证物理实体和虚拟模型的高度一致。 (3)风力机行星齿轮传动数字孪生系统开发。基于风力机传动系统状态监测、智能诊断、故障维修等服务的需求分析,根据风力机传动系统的特点,制定了基于数字孪生的风力机行星齿轮故障诊断系统的研究目标,并分析设计了基于数字孪生的风力机行星齿轮故障诊断系统架构、功能模块以及关键技术。 (4)基于数字孪生的风力机行星齿轮故障诊断系统的实现。通过系统各个服务功能模块的构建,以及对关键技术的研究复现,实现了基于数字孪生的风力机行星齿轮故障诊断系统的运行机制和人机交互界面,完成了系统的开发,并通过四种不同的工况验证了系统的可行性和普适性。

关键词： 齿轮箱   传声器阵列   特征提取   神经网络   故障诊断  

摘要： 齿轮箱是动力机械设备中重要的部件之一,广泛应用于船舶航海、航空航天、数控机床等诸多领域,准确的齿轮箱故障诊断技术是维持其在极端恶劣的服役环境中正常稳定运行的重要保障。目前齿轮箱的故障诊断中,难以准确诊断齿轮箱复合故障,因此急需发展更为先进的信号检测技术、更为全面的特征提取技术和更为准确的故障诊断技术。本文开展基于声阵列的齿轮箱特征提取与故障诊断方法研究。首先基于阵列信号原理设计了适用于本文研究的传声器阵列,搭建了齿轮箱故障诊断试验台架,采用传声器阵列采集齿轮箱各种状态下的声信号。其次结合阵列聚焦信号增强算法和小波阈值降噪算法,提升了齿轮箱阵列声信号的信噪比。然后采用时域、频域和小波域分析来提取特征。最后通过BP神经网络和卷积神经网络对提取的特征进行识别和分类,实现故障诊断。本文以齿轮典型故障和声信号机理分析为出发点,开展了一系列的研究,主要内容如下:(1)针对单个传声器采集声信号存在的局限性,基于传声器阵列设计理论,开展传声器阵列设计仿真,分别分析了不同传声器阵元数目、阵元间距、阵列面积对传统波束形成声源定位性能的影响,根据声源定位的结果来评估传声器阵列采集声信号的质量,综合考虑选取间距0.3m×0.3m的36通道矩形传声器阵列。针对采集的声信号信噪比低的问题,基于阵列聚焦信号增强算法和小波阈值降噪算法,将两者结合提出阵列聚焦小波降噪算法,相较于单独使用时域波束形成和小波降噪,能进一步提升声信号的信噪比。设计了阵列信号处理软件和多功能信号降噪软件,自适应选取最适合的加权函数和阈值函数,从而实现最佳的信号增强和降噪效果。(2)针对齿轮箱声信号特征提取的问题,根据齿轮箱声信号的时间波形提取出时域特征,基于傅里叶变换得到的信号频谱提取出频域特征,计算出不同小波基函数分解齿轮箱声信号后的能量和、相似系数、主成分分析贡献率等,综合判断小波基函数的适用性。设计了小波基函数分析软件,实现了自适应选取最优小波基函数开展小波分析提取时频域特征。(3)针对齿轮箱故障种类繁多的问题,搭建了齿轮箱故障诊断试验台架,对齿轮箱的多个齿轮,设计了不同程度断齿和磨损的36组模拟复合故障,分别在空载、半载、满载三种负载下开展齿轮箱故障诊断试验。针对齿轮箱复合故障诊断识别的问题,将提取的特征参数作为神经网络的输入,将36种复合故障状态作为神经网络的输出,分别在空载、半载和满载三种工况下,使用BP神经网络和卷积神经网络进行训练分析,实现了对36组复合故障在空载工况下准确率98.3%、半载和满载工况下准确率100%的故障诊断。

关键词： 齿条   齿廓偏差   螺旋线偏差   齿距偏差   软件开发  

摘要： 齿条作为一种特殊形式的齿轮应用于机械、石油、航空、国防等工业领域,其加工精度决定着机械设备的正常运行。随着制造业的发展,齿条的加工精度逐步提高,因此对齿条的测量精度及测量效率提出了更高也更加严格的要求。为了更加全面、准确地描述齿条的制造精度和使用性能,本文基于合作企业方提供的硬件平台,开发齿条测量软件。本文首先根据齿条设计图纸设计锥度芯轴,利用齿轮测量中心的上下顶尖对齿条进行装夹。在此基础上提出零点校正方案、两种齿条找正方案、轴向基准建立方案,以此建立正确的齿条工件坐标系。参考GB/Z 10096-2022《齿条精度》标准和GB/T 10095.1-2022《圆柱齿轮ISO齿面公差分级制第1部分:齿面偏差的定义和允许值》标准确定齿条的测量项目和误差项目,根据齿条的啮合原理计算了齿廓偏差的测量起点,规划了测头相对齿条的测量路径与数据采集方案。其次,根据齿条测量软件需求,设计了软件的主体框架,划分了软件的功能模块,提出软件总体结构设计方案。在Windows环境下,运用C++语言和模块化的编程思想,利用Microsoft Visual C++开发工具,基于GMC400齿轮测量中心分别对齿条测量软件的人机界面模块、测量运动控制与数据采集模块、误差处理计算模块、绘制误差曲线模块、误差结果评定模块进行开发,可实现齿条检测报告的打印输出。最后通过设计相关实验,对齿条测量软件的可行性、稳定性,误差处理算法的正确性及测量精度进行验证。除此之外,还对齿条的找正进行研究,理论分析了找正结果对测量结果的影响,并设计相关实验进行验证,还讨论了两点找正法和多点找正法各自的特点,分析了两种找正方法的测量不确定度。实验结果表明本文所开发的齿条测量软件可以准确测量和评定齿条的齿廓偏差、螺旋线偏差和齿距偏差,对研究分析高精度齿条的设计制造具有重要的指导意义,目前该测量软件已经商业化应用于工程。