关键词： 机械教学   实验平台   减速器设计实验   齿轮传动  

摘要： 工业4.0时代的到来使我国经济飞速发展,同时在高等教育方面也为我国带来了新的机遇与挑战。为解决人才培养与国家产业对接不相符的问题,“新工科”建设势在必行。在新工科背景下,优化工科专业课程体系培养出高级专门人才成为高校发展的必然趋势。然而目前很多高校机械专业的课程设计教学中并未使用网络教学实验平台。 本研究以“新工科”发展建设和课程设计教学改革内容为基础,研究分析网络教学平台和齿轮传动数字化发展的现状,据此进行机械教学实验平台的创建,以及平台中减速器设计实验的研究和实现。 本研究对现有网络教学平台和齿轮传动数字化设计现状进行分析,阐述教学平台的特点,据此选择B/S架构为平台设计架构,选择Java Script语言作为前端页面开发语言,选择My SQL数据库进行数据的存储等服务,选择Java语言作为后端开发语言,同时分析了实验校核算法使用的MATLAB语言,之后分析五种开发技术基础的优缺点。结合减速器设计实验分析该机械教学实验平台的基本功能需求,之后分析平台的非功能设计需求,明确实验主要内容,据此进行机械教学实验平台登录模块、教师模块、学生实验模块和管理员模块四大模块的设计开发工作,阐述各个模块的功能需求,最后描述四大模块页面的实现结果。 本研究选择减速器设计实验进行基于机械教学实验平台的实验设计与开发,该平台实验的开发使得现有机械教学课程设计实验的授课方式有新的拓展,可以有效提升教师的教学质量,提高学生的学习效率。该机械教学实验平台还可用于其他课程的实验,解决现有课程设计授课手段较为单一的问题,为教师课程设计实验的授课过程提供新方法。

关键词： 齿轮试验台   数字孪生   数据采集   数据驱动   状态监测  

摘要： 齿轮作为机械传动最基本的零部件,其性能的测试尤为重要。齿轮试验台作为对齿轮性能测试的试验平台,试验台设备能否正常运转对齿轮性能测试有决定性影响。因此对试验台设备运行状况实时监控,保障试验的平稳运行势在必行。鉴于此,本文提出了一种基于数字孪生的齿轮试验台状态监测方法,通过建立齿轮试验台的数字孪生模型,借助数据驱动模型运动,实现对齿轮试验台设备运行状态的监测。为齿轮试验台故障诊断、设备监控提供了一种技术参考。 本文具体工作内容如下: 1.提出了基于数字孪生技术试验台状态监测整体框架,基于数字孪生的理论研究,设计了一种基于数据驱动模式齿轮试验台五维结构模型,对齿轮试验台状态监测整体方案进行了设计,详细阐述了整体架构实施的关键技术。 2.设计了齿轮试验台的理论模型。基于齿轮试验台运行原理对试验台进行了整体结构设计,完成了齿轮试验台核心部件齿轮箱、齿轮的参数设计,在此基础上,完成了齿轮箱静力学分析、模态分析,齿轮强度校核、振动特性分析、啮合模态分析,为齿轮试验台数字孪生模型的构建提供了理论基础。 3.构建了齿轮试验台的数字孪生模型。基于Solid Works软件完成了齿轮试验台几何模型的构建,利用3ds Max对几何模型进行了轻量化处理和渲染处理,在此基础上,借助于3ds Max、Unity3D,构建齿轮试验台数字孪生体模型,为数字孪生模型的数据驱动提供了基础。 4.完成了齿轮试验台数字孪生体模型的数据采集与驱动。构建了齿轮试验台信息模型、并基于VB编程实现了PLC数据采集与PC端通讯,通过编程实现了PC端数据库与Unity3D实现数据交互和对数字孪生模型数据驱动。 5.搭建了齿轮试验台,并完成了齿轮试验台状态监测实验验证。实现了数据的动态显示、可视化监控。并通过数字孪生模型的加载试验和振动信号的分析对比,验证了本文所提的基于数字孪生技术的齿轮试验台状态监测方法的正确性和可行性。

关键词： 非线性动力学   斜齿轮传动系统   动态特性   混沌控制  

摘要： 斜齿轮传动系统以其重合度大、承载力强、传动效率高、传动平稳等优点,被广泛应用于各种机械设备中。以动车组齿轮箱斜齿轮副为研究对象,建立考虑时变啮合刚度、齿侧间隙、综合传动误差和啮合阻尼的6自由度斜齿轮传动系统动力学模型。首先分析了齿侧间隙、时变啮合刚度、综合传递误差和负载对系统动力学特性的影响;其次分析比较了轻载高速、轻载低速、重载低速和重载高速等工况下齿侧间隙、时变啮合刚度和啮合阻尼对斜齿轮传动系统动力学特性的影响;对参数域平面中的动力学解域界结构进行了全局分析,确定了参数域中系统动态行为的分布;最后引入混沌控制法对斜齿轮传动系统的混沌振动进行有效的抑制。依据动车组齿轮箱斜齿轮副的基本参数,应用Solid Works软件完成斜齿轮传动系统的三维模型。通过分析齿轮啮合传动过程,建立考虑时变刚度、齿侧间隙、啮合阻尼、综合传动误差和负载的单级6自由度斜齿轮传动系统非线性动力学模型。根据牛顿第二定律,建立斜齿轮传动系统非线性动力学方程,采用变步长4-5阶龙格库塔法对系统动力学方程进行数值求解,获得斜齿轮传动系统的分叉图、系统相图、时间历程图、庞加莱映射图和李雅普诺夫指数图。分析系统在参数变化下的动力学响应,确定系统参数的稳定运行区间。在此基础上,分析比较了轻载高速、重载低速、轻载低速和重载高速等工况下,时变啮合刚度、齿侧间隙和啮合阻尼对系统的动力学特性的影响,确定系统参数齿侧间隙、时变啮合刚度和啮合阻尼在不同工况下的稳定运行区间,保证斜齿轮传动系统在不同工况下稳定运行。基于斜齿轮传动系统动力学模型,应用谐波平衡法建立同次谐波系数下的代数方程组,应用Broyden秩2拟牛顿法和伪弧长延续算法求解获得了齿侧间隙、时变啮合刚度、静态综合误差和负载与频率的双参平面内数值仿真系统多值解和齿面冲击特性解域界结构,探索系统幅值非线性跳跃、多值解和啮合冲击特性对动力参数的敏感性。分析了齿侧间隙、负载、时变啮合刚度和静态综合误差对系统非线性跳跃动态特性的影响,发现在轴频和啮频主共振区各参数均有不同程度的幅值跳跃和刚度软化特性。针对斜齿轮传动系统的混沌现象,采用线性和积分两个反馈控制法和外加恒定载荷的非反馈混沌控制法,引入混沌控制器到斜齿轮系统中。通过改变混沌控制器的参数,对齿轮系统进行混沌控制,验证了该混沌控制方法的可行性和有效性。

关键词： 风力发电机   接触应力   滚子修形   疲劳寿命   裂纹扩展  

摘要： “双碳”战略的实施促进了风力、太阳能等新能源产业的发展。风力发电机中的风机变速箱是核心零件，其承载和传递动力的重要部件——圆柱滚子轴承，具有承重能力强、负荷大、可承受强烈冲击的独特优点。以往研究表明，轴承的接触疲劳损伤是风机增速箱产生故障的主要原因。究其原因，其在运行过程中常常承受不稳定的、反复变化的载荷，并且在变化的载荷冲击作用下，损伤逐渐积累，并随着时间的推移，最终发生疲劳破坏;同时由于电网的冲击或齿轮啮合过程中产生的振动，以及风机在运行过程中紧急停车等产生的冲击,都会在瞬间产生反向轴承力，从而对轴承造成极大的破坏。80％轴承失效的主要形式是剥离失效，在轴承的检修期内均有发生，且未呈现出明显的规律。因此，进行轴承可靠性分析、疲劳寿命的计算及外滚道裂纹扩展寿命、扩展轨迹的研究，对风电机组的经济运行及提高电厂的效益具有重要的参考意义。　　综上所述，本论文围绕轴承开展了以下研究工作:　　（1）本文综合考虑了齿轮各支撑及啮合单元的力学特性，以2MW风力发电机齿轮箱为研究对象建立了行星轮系和斜齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型，以新疆达坂城Ⅰ区某风场的随机风况作为外部激励，求解输出轴圆柱滚子轴承动载荷。　　（2）分析外部风载荷对高速轴轴承动载荷的影响及频谱图，并对风电机组的启动、停机工况进行了仿真计算，结果可为轴承疲劳寿命及可靠性的计算做铺垫。结果表明:随着外部风载荷的逐渐增加，刚度激励对轴承动载荷的影响逐渐下降，反而外部风载荷激励逐渐增加，并最终与轴承动载荷响应趋势的表现一致;启动、刹车情况下，轮毂载荷与轴承动载荷均发生较大波动。　　（3）求解了NU332轴承的应力分布，对滚子进行修形，使其母线上的接触应力更加均匀，抑制了“边缘效应”，避免滚子过早出现疲劳、剥落，从而提高使用寿命。结果表明:全圆弧修形滚子应力集中在中间部位且应力分布不均匀;圆弧修形滚子集中在圆弧与直线连接处;对数修形滚子的接触应力沿母线分布更为均匀，结果最为理想。　　（4）采用雨流计数及Goodman平均应力修正处理接触应力，并结合miner线性和Manson-Halford非线性疲劳累积损伤理论分析了服役过程中NU332轴承（修形后）疲劳寿命和可靠度变化规律。结果表明:与miner线性损伤累计理论相比，Manson-Halford非线性损伤累计理论考虑了服役时的载荷加载顺序效应，能更好地描述轴承在服役期内各阶段的疲劳损伤情况。因此，风场运维人员可根据轴承在不同时期的可靠性及累计损伤曲线制定风机服役期内各阶段的维护策略。　　(5)运用断裂力学理论对圆柱滚子轴承外滚道次表面的裂纹扩展进行了分析，计算其裂纹扩展速率及扩展角得到了裂纹扩展轨迹，最后基于Paris公式预测了外滚道裂纹扩展寿命。结果表明:在疲劳裂纹扩展过程中，Ⅱ型和Ⅲ型裂纹对疲劳损伤起支配作用;次表面裂纹以较快的速度向轴承滚道表面方向扩展，并最终导致轴承滚道疲劳剥落。

关键词： 大直径   幅板设计   拓扑优化  

摘要： 大直径齿轮作为直升机减速器中的典型传动零件，大多应用在主减速器传动链共轴级齿轮中。大直径齿轮由于幅板较大，在使用过程中往往存在变形大、刚度不足的问题。提高齿轮强度和刚度的方法较多，更改材料和改变设计结构为最常用的方法。本文首先通过有限元软件，构建了大直径齿轮的模型；其次对该模型进行拓扑优化，得到了优化后的模型；最后根据齿轮的加工工艺性，对拓扑后的齿轮进行结构改进，得到最终的齿轮幅板结构。本文为主减速器大直径齿轮幅板设计提供一种正向设计思路和方法。

关键词： 非稳态激励   齿轮传动   集中质量模型   多目标优化   并车汇流  

摘要： 齿轮传动具有平稳性好、承载能力强等优点,在重型机械行业诸如航空、船舶、煤炭等产业中应用广泛。因大型舰船工作条件复杂,对齿轮传动系统要求较高,故其齿轮箱内常用并车汇流齿轮—离合器系统进行动力传输。近年来舰船反声纳探测性能随科技发展越来越被重视,受并车汇流齿轮—离合器系统复杂工况与多种激励源的影响,舰船机械噪声主要来源于并车汇流齿轮—离合器系统接排过程产生的振动,其产生的噪声相比海洋背景噪声特征明显,对船舶隐身性能造成严重影响,而当前研究齿轮系统动态特性时往往未考虑离合器接排冲击。因此,研究考虑离合器接排冲击、时变啮合刚度等非稳态激励对并车汇流齿轮—离合器系统的动态特性影响,对提高齿轮系统可靠性与优化齿轮箱性能具有重要理论意义与工程价值。本课题来源于国家自然科学基金项目,以船用齿轮箱内并车汇流齿轮—离合器系统为研究对象,开展非稳态激励下并车汇流齿轮—离合器系统动态特性研究,首先针对离合器接排冲击激励,建立离合器接排冲击模型并得出冲击规律;而后基于集中质量法建立含接排冲击的并车汇流齿轮—离合器系统动力学模型,研究系统动态特性;进而,建立含接排冲击、质量、传递误差、振动响应和系统噪声的并车汇流齿轮—离合器系统多目标优化模型,对系统开展多目标优化设计;最后,为方便工程应用,快速进行参数优化,开发并车汇流齿轮—离合器系统多目标优化设计软件。本文主要研究内容如下:(1)针对船用湿式离合器的接排过程,基于集中质量法建立离合器接排冲击模型并进行求解,得出了船用湿式离合器的轴向冲击规律,随后对船用湿式离合器接排冲击响应进行了特性分析,为后续并车汇流齿轮—离合器系统动态特性分析提供数据支撑;(2)综合考虑离合器接排冲击、时变啮合刚度、传递误差建立并车汇流齿轮-离合器传动系统动力学模型,求解系统动态响应分析离合器接排冲击对系统动态响应的影响规律,并探究不同工作条件对并车汇流齿轮—离合器系统动态响应的影响规律;(3)以齿轮系统质量、离合器接排冲击、系统振动响应与系统总噪声为优化目标函数,以并车汇流齿轮—离合器系统各参数为设计变量,在传动比、接触强度等约束条件下,建立并车汇流齿轮—离合器系统多目标优化模型,应用MATLAB工具箱内的GA函数,基于遗传算法实现并车汇流齿轮—离合器系统多目标优化;(4)为帮助设计人员快速、准确地进行系统优化,提高系统性能和效率。通过多目标优化设计方法,基于并车汇流齿轮-离合器多目标优化模型开发并车汇流齿轮—离合器系统多目标优化软件。

关键词： 采煤机摇臂   滚筒三向载荷   齿轮故障   故障啮合力特征  

摘要： 采煤机作为煤炭开采中不可或缺的主力大型机械设备,其安全运行和可靠性工作对于矿井的安全、高产、高效生产具有重要的保障作用。然而,由于采煤机长期受到恶劣作业环境和交变载荷的影响,易出现机械故障、电气故障和液压故障问题。特别是摇臂齿轮系统,其作为采煤机中最重要的动力传递部件,由于直接承载着截割滚筒所传递的复杂多变的非线性三向截割载荷,却也是采煤机中最易发生故障的部件之一。鉴于此,本文从采煤机滚筒截割煤岩的实际工况出发,在实施滚筒-煤岩耦合截割载荷分析、采煤机摇臂齿轮传动系统刚柔耦合动力学建模的基础上,合理构建齿面点蚀、齿根裂纹、断齿和磨损等典型故障的几何形态,开展在这些故障下的采煤机摇臂齿轮传动系统动力学特性研究。本文的主要研究内容如下:(1)对实际使用的某型采煤机滚筒进行了三维建模,并将其导入到ABAQUS中开展了采煤机滚筒在常见工况下截割煤岩过程的仿真分析,获得滚筒在截割煤岩过程中的截割载荷。(2)基于ADAMS通过定义部件之间的约束关系与接触关系,得到摇臂齿轮系统的刚体模型;在此基础上,考虑了轴承的柔性支撑及部分部件的柔性化处理,并完善了负栽边界,最终建立了摇臂齿轮系统的刚柔耦合模型;通过对摇臂齿轮系统中行星轮系的转速及啮合力分析,验证了模型的可靠性。(3)选取故障率较高的行星齿轮通过改变几何形态的方式注入故障,同时设定了四种故障类型。基于XFEM理论分析裂纹的扩展路径以此构建裂纹故障模型;采用裂纹起始点到齿顶方向延伸切割来构建断齿故障模型;采用点蚀概率分布模型,并考虑点蚀生长与传播,来构建点蚀故障模型;运用Archard黏着磨损计算模型,计算齿面磨损分布以此构建磨损故障模型。(4)在以上工作的基础上,开展行星齿轮内啮合力时频域分析。对比不同故障类型下的时频域波形,分析其故障波形特点。并对时频域啮合力进行统计,得到不同故障程度时的统计指标变化情况。本文研究结果表明:对于裂纹、断齿和点蚀等局部式故障,其在时域中通常表现为在每个行星齿轮相对转动周期内出现一次或两次明显的冲击。在频域方面则会出现以啮合频率及其倍频为中心、以相对转频为间隔的边频带。这些故障之间的区别在于他们的时域冲击波形各不相同,以及在频域中的相对转频成分的分布情况不同。而对于磨损这类分布式故障,其在时域中总体能量以及振动程度变化较大,在频域中则会增加啮合频率及其高次谐波分量的幅值,但不会产生边带。所有故障类型的时域统计指标中,有量纲指标里偏斜度与峭度比较敏感,无量纲里偏度因子与峭度因子比较敏感,并且在变载下仍然保持变化规律;在频域中,裂纹、断齿和点蚀等故障可采用边带主频幅值比来表征故障程度,磨损故障可通过齿轮啮合频率幅值的变化来表征故障程度。本文研究工作构建了从滚筒截割煤岩过程仿真→摇臂齿轮传动系统刚柔耦合动力学建模→齿轮故障模型建立→啮合力时频域分析的采煤机摇臂齿轮传动系统故障动力学分析的完整技术路径,为后续采煤机摇臂齿轮传动系统状态监测与故障诊断技术及系统开发奠定理论及技术基础。

关键词： 齿轮动力学   角度不对中   双端支撑调节   动态响应  

摘要： 齿轮传动具有结构紧凑、传动效率高、使用寿命长等优点,广泛应用于航空航天、船舶车辆、机械加工等行业。然而在精密传动、要求低振动低噪声等一些特殊领域,对齿轮传动精度提出了更高的要求。研究表明,齿轮系统误差对齿轮传动精度、振动噪声等具有重要影响。其中角度不对中是齿轮传动系统典型安装误差,其使得轮齿接触状态发生变化,引起齿轮系统的振动加剧,导致齿轮系统的稳定性和可靠性降低。因此,开展齿轮系统角度不对中误差激励动力学建模,揭示角度不对中误差影响下齿轮系统动态响应特征演变规律,提出有效的调节方法,对提升齿轮系统传动精度和稳定性具有重要的理论意义与工程价值。论文围绕角度不对中误差影响下齿轮动态特性变化及其调节方法,推导了考虑啮合相位差和摩擦激励的角度不对中误差综合啮合刚度计算方法,建立了角度不对中误差激励齿轮动力学模型,探讨了基于双端支撑调节的角度不对中误差抑制方法,搭建了基于双端支撑调节的角度不对中误差齿轮实验台,验证了动力学模型的正确性和双端支撑调节方法的有效性。论文主要研究内容包括:(1)针对角度不对中误差导致的轮齿接触状态变化机制不明问题,探究了含角度不对中的齿廓曲线及空间坐标转换方法,获得了角度不对中误差下齿对啮合接触点位置和渗透深度,采用齿轮“切片”法和变截面悬臂梁模型,建立了考虑啮合相位差和摩擦激励的角度不对中误差综合啮合刚度模型,阐明了不同程度角度不对中误差对综合啮合刚度及有效接触线长的影响规律。(2)针对角度不对中误差引起的载荷分布不均、啮合刚度变化等问题,探讨了双端支撑调节方法,建立了双偏心、单偏心两种调节模型,研究了两种调节方式下调节角度与不对中误差角度的映射关系,探明了不同调节方式综合啮合刚度及有效接触线长的变化规律,并设计了一套双端支撑调节机构。(3)针对角度不对中误差齿轮系统动态响应变化不明问题,建立了基于双端支撑调节的角度不对中误差齿轮动力学模型,分析了不同程度角度不对中误差对齿轮系统动态特性的影响规律,研究了双端支撑调节机制,获得了调节过程中齿轮系统动态响应演变规律。(4)搭建了基于双端支撑调节的角度不对中误差齿轮实验台,开展了正常与支撑调节不同角度不对中误差的振动测试实验,并将实验数据与仿真结果进行对比,验证了模型的正确性与调节方法的有效性。

关键词： 高速列车   齿轮传动系统   钢轨波磨   车轮多边形   刚柔耦合   振动特性  

摘要： 齿轮传动系统作为高速列车动力传输的重要组成部分,负责将牵引电机输出的动力传递至轮对,对于保障高速列车的运行具有重要作用。随着列车运行环境不断恶化,轮轨间的磨耗和接触疲劳现象越来越严重,造成车轮磨耗和轨道不平顺等问题,由于车轮非圆化和轨道不平顺等影响,使得车辆零部件振动加剧。因此本文考虑了列车运行环境下的轮轨激励,主要有钢轨波磨、车轮多边形和武广谱激励,分析其对高速列车齿轮传动系统振动特性的影响,主要研究内容如下:首先,基于多体系统动力学建立车辆-轨道刚柔耦合动力学模型,将钢轨和轮对考虑为柔性体,用谐波函数表示钢轨波磨和车轮多边形激励,考虑高速列车斜齿轮啮合特性,采用动力学软件中225号力元建立齿轮啮合模型,通过非线性临界速度验证和运行平稳性评定,并与已有车体振动加速度和频率等实验数据进行对比,验证了模型的正确性。其次,通过对轮轨激励研究现状分析,确定了激励参数研究范围,选取钢轨波磨波长100-150mm、波深0.01-0.05mm和车轮多边形阶数20-25阶、幅值0.01-0.05mm,同时分别设置车速为250、300、350km/h,对不同工况参数下车辆的振动进行动力学仿真分析,得到高速列车齿轮传动系统动态响应特性和车辆动力学指标,总结了影响车辆运行平稳性和安全性的工况参数。最后,从时域和频域上对比分析了柔性轮轨和刚性轮轨对齿轮振动特性影响,运用振动信号处理方法分析各工况参数对齿轮传动系统振动特性影响,探究不同工况参数对齿轮系统的振动影响规律,通过频域分析得到齿轮啮合过程中的频谱成分,分析了部分特定工况下齿轮系统异常振动的原因,总结出影响齿轮系统振动的主要工况参数,当考虑车速为300km/h时,在钢轨波磨波深为0.03mm、波长为140mm和波深为0.05mm、波长为120mm作用下齿轮系统振动加速度较大,当考虑车速为300km/h、车轮多边形阶数为20阶、幅值为0.03-0.05mm和车速为350km/h、阶数为21-22阶、幅值为0.01-0.03mm时,齿轮系统的振动响应较为剧烈,研究结果可为后期开展规划性钢轨打磨和车轮镟修提供依据。