关键词： 行星齿轮箱   故障诊断   生成对抗网络   卷积神经网络   迁移学习   样本不均衡  

摘要： 行星齿轮箱是旋转机械的关键部件之一,由于经常处于恶劣复杂工况下且长时间运转,导致零件易发生故障,影响设备的安全可靠性、运行效率和经济效益。开展行星齿轮箱故障诊断理论与方法的研究,对于保障设备安全稳定运行有着积极的意义。近年来,基于大数据的深度学习方法在故障诊断领域中取得了显著进展,为各类故障诊断提供了新的思路。但是,目前大部分的神经网络故障诊断算法都需要以充足的训练数据为前提,诊断结果容易受到样本数量的限制。在实际中,由于种种限制导致行星齿轮箱的故障信息难以收集,且为故障信息做标签所耗费的人力物力较大,造成故障信息不充分问题,即故障数据远少于正常数据,导致数据样本分布不均衡。本文以行星齿轮箱中的行星轮为研究对象,以提高不均衡样本情况下故障诊断的准确率和诊断结果的可靠性为目标,研究基于生成对抗网络和卷积神经网络的故障信号数据扩充技术和诊断方法。主要内容如下:(1)建立了基于格拉姆角场编码技术和深度卷积生成对抗网络(Deep Convolution Generative Adversarial Networks,DCGAN)的样本增广模型。利用生成对抗网络的样本生成特性,生成与原始故障样本具有相同数据分布的新样本,以此扩充数据,解决样本不均衡问题。利用振动传感器采集故障齿轮的连续周期性信号,利用小波阈值降噪法对信号进行降噪,再通过格拉姆角场编码技术,将一维振动信号转化为二维格拉姆角场编码图,将图像输入到DCGAN网络中进行训练,每次训练结束后调整网络参数,训练完毕后利用DCGAN生成与原始数据分布相同的新样本。(2)提出了基于Alex Net网络的行星齿轮箱智能故障诊断模型。将扩充后的样本集输入到Alex Net网络中进行训练,每次训练结束后调整网络参数,获得最优的Alex Net故障诊断模型。故障分类的结果表明,网络对齿轮箱四种故障的识别准确率最高可达99.2%。将实验室采集的不均衡样本经过信号处理后输入到网络中进行分类,将分类结果与前者网络结果作对比分析,结果表明使用DCGAN扩充样本可以有效提升神经网络的分类精度。采集实验室轴承数据,利用该数据验证了所提GAF-DCGAN+CNN网络模型具有良好的泛化性。(3)提出了基于迁移学习和Efficient Net的行星齿轮箱智能故障诊断模型。解决了以往通过单独改变卷积神经网络的宽度、深度或图像分辨率来提高网络精度所造成的网络模型较大、所需参数量较多、训练速度较慢的问题。在Image Net数据集上进行预训练,利用基于模型的迁移学习方法,将参数权重迁移到Efficient Net网络中,对原始网络中的MBConv模块进行权重加载,达到减少训练时间、提高网络训练效率的目的。将前文扩充好的均衡样本输入到Efficient Net＿B2网络中进行训练,让网络提取并学习图像的细节特征和深度特征。训练完成后,对样本中的四种故障进行识别分类,准确率最高可达99.49%,较之前文所提Alex Net分类网络,精度更高、训练速度更快。并利用实验室轴承数据和东南大学行星齿轮箱故障数据集验证了网络具有良好的泛化性。

关键词： 行星齿轮传动机构   三维模型构建   平移-扭转耦合动力学模型   虚拟样机仿真技术   配重块   惯性力  

摘要： 行星齿轮传动机构得益于体积小、效率高、齿轮比大以及能承受大负荷等突出优点,在航空航天领域、农用机械设备、风力发电领域以及起重机械设备等行业都有着广泛的应用前景。冷轧管机作为无缝钢管冷轧工艺的一种重要设备,由于社会的发展,人们对无缝管的产品精度以及质量要求提出了更为严格的要求,促使冷轧机需要在高速运作时能够平稳运行,而其传动系统是保证冷轧管机能够进行高速平稳工作的关键部分。针对传统曲轴传动轧机在垂直方向因受拉力作用而产生不规则的震荡,造成磨损加剧,噪声增大的问题,设计了一款输出轴可往复直线运动的行星齿轮减速机。本文通过对所设计的行星齿轮减速机进行运动学相关的理论分析计算以及构建动力学理论模型,推导动力学微分方程并求解得出系统各部件受力情况,结合虚拟样机仿真模拟技术对系统运动规律和动力学特性进行仿真分析。此外,探究配重块对系统输出轴惯性力和惯性扭矩的影响规律,以及主动轮不同转速对系统输出轴惯性力的影响规律,解决了由于振动引起的冷轧管机的质量问题,减小了噪声,延长了使用寿命,进而实现绿色高效生产。文章主要研究内容和结果如下:(1)研究减速机输出轴往复直线运动的工作原理,对行星齿轮传动系统进行结构设计,构建行星齿轮传动系统三维实体模型。对系统传动比以及传动效率进行分析计算,对行星齿轮传动系统中各构件角速度关系以及各构件受力与扭矩等运动学相关的理论进行计算分析。(2)以行星齿轮传动机构为研究模型,根据机械振动理论,采用“集中参数”法,计入每个构件沿径向以及沿轴向的三个自由度,构建系统平移-扭转耦合动力学理论模型,推导系统相关的动力学微分方程,对行星齿轮传动系统动力学性能进行理论研究。(3)基于Adams虚拟样机仿真技术,构建行星齿轮传动系统动力学仿真模型,对系统运动学规律以及动力学性能进行仿真分析。结果表明:主动轮转速稳定在157.00rad/s,与理论计算值吻合,大齿轮与行星轮转速呈现上下波动的趋势,但均基本稳定在26.00rad/s和26.10rad/s,与理论值相比,相对误差分别为0.12%和0.50%,均较小。高速级与行星级啮合齿轮对间的啮合力分别在7939.63N和343.40N附近上下波动,与理论值相比,相对误差分别为0.20%和0.05%,相对误差均较小,验证了仿真的合理性。(4)研究了有无配重块以及不同厚度配重块对行星齿轮传动系统输出轴惯性力与惯性扭矩的影响。结果表明:增加1、2号配重块后,系统输出轴惯性力与惯性扭矩均方根值分别为26140.38N和25885.70N·m,相比无配重分别减小了26.59%和39.56%,平衡效果较明显;同时不同厚度配重块对惯性力与惯性扭矩的平衡效果也不同,当1、2号配重块厚度分别为125.00mm、130.00mm时,已经达到很好的平衡效果,继续增加配重块厚度会使系统总重量明显增大,占用空间较大,同时也影响了整个传动机构的协调性,因此应合理选择配重块厚度。

关键词： 风电齿轮箱   多模态融合   多任务学习   深度度量学习   智能故障诊断  

摘要： 齿轮箱作为风电机组传动系统中最重要的部件之一,其平稳、安全的运行是整个风电机组正常运行并实现动能转换的前提,因此齿轮箱的可靠性和安全性成为了风电机组平稳可靠运行的关键。现有的基于单一传感器信号的故障诊断方法无法全面且可靠的描述齿轮箱的运行状况与健康状态,从而无法实现高精度、高效率的故障诊断。同时,现有的基于多传感器信号融合的方法缺乏有效的模态表征机制,难以实现不同信号的特征融合,因此不能充分的利用多传感器信号中的关键信息。本文以风电齿轮箱为对象,引入多模态学习与多任务学习策略,利用风电机组中的机电耦合特性,结合振动信号与发电机定子电流信号两种模态进行分析,研究基于多模态信号融合的风电齿轮箱故障诊断方法,对振动和电流信号两种模态建立有效的模态融合机制,充分利用两种模态信号之间的时空相关性,结合多任务学习策略,提升故障诊断模型的精度的同时,实现高效的齿轮箱故障分类识别。本文主要内容如下:(1)分析了风电机组齿轮箱中齿轮与轴承的主要故障类型及其内在故障机理,对齿轮箱的故障原理进行了总结。同时对基于振动和电流信号的齿轮箱故障诊断方法原理进行了分析总结。设计了齿轮箱故障模拟实验,分别对齿轮和轴承在不同健康状况下的产生的信号进行模拟实验,建立齿轮箱故障诊断多模态故障分类数据集。(2)针对现有基于多传感器信号融合的齿轮箱故障诊断方法缺乏有效的信号表征及融合机制的问题,提出了一种基于多模态多任务加权融合模型(MTAFN),使用连续小波变换(CWT)将振动及电流信号转化为同时具有时频特征的小波尺度谱,并将其作为特征提取网络的输入。根据每个模态中包含的有效特征比重进行动态加权融合,得到具有动态权重的融合特征后输入到所设计的带有多任务分类模块,同时结合单一模态网络与融合模态网络的参数信息进行故障分类。通过公开数据集与自建试验台数据集验证了所提出方法的有效性,并与基于单一模态信号的故障诊断方法进行了比较。(3)针对原始信号中的故障特征较难提取,现有模型缺乏有效的深层特征学习机制的问题,引入深度度量学习策略,提出一种多任务多模态信号融合(M2FN)故障诊断模型,旨在更好的学习到模态的相似性特征及不同故障类型的差异性特征。该方法使用多分支的卷积神经网络对不同模态的信号进行特征提取,利用所设计的具有深度度量学习策略的多任务模块对融合特征进行深层特征学习,共享分类任务与度量任务的参数,同时学习模态之间的相似性特征与互异性特征,增强样本的类间可分性和类内聚集性,实现了不同种类任务之间的协同增强,提升了故障诊断精度。将所提方法分别与单一模态信号方法,以及最新的故障诊断方法进行比较,验证了所提方法的有效性。

关键词： 直齿锥齿轮   二次开发   球面渐开线   齿轮修形   接触分析  

摘要： 直齿锥齿轮主要用于低速相交轴之间的圆周旋转运动,是汽车驱动桥差速器中的重要动力传输部件,其接触性能对整个机构系统有着非常重要的影响。与其它齿轮传动方式比较,直齿锥齿轮具有结构紧凑、瞬时传动比精确、传动效率高和便于生产制造等优点,在化工、能源、机械工程等领域得到广泛的应用。齿轮齿形面修形参数直接影响到直齿锥齿轮接触性能,由于锥齿轮复杂的齿廓给建模给来了很大的困难,而且在设计造型方面大多都是采用锥面渐开线来建模的,导致模型精度不符合标准。随着CAD造型技术的进步,采用球面渐开线替代锥面渐开线建模,对提高模型精度、优化齿轮修形参数和改善齿轮啮合性能显得愈发重要。本文基于锥齿轮几何学啮合理论,结合NX模型二次开发、轮齿修形技术和ANSYS有限元接触区应力分析对汽车差速器直齿锥齿轮进行了参数化设计和齿轮副接触性能研究。本文主要研究工作内容如下:1.围绕直齿锥轮齿修形技术(包括齿廓修形和齿向修鼓)和相关参数的选取进行了研究。锥齿轮在啮合传动过程中产生啮入、啮出冲击,以及齿端端啮现象都说明了轮齿齿面修齿的重要性。2.球面渐开线的形成原理和相关表达式的推导。利用GPA技术获取拟合点方法,比较球面渐开线和锥面渐开线误差大小。以圆锥齿轮相交轴瞬时回转角速度和节圆锥特点为依据推导球面渐开线表达式,作为球面渐开线直齿锥齿轮参数化建模的理论基础。3.直齿锥齿轮参数化造型。以二次开发软件NX为开发环境平台,深入理解、掌握并熟练使用NX软件二次开发技术,按照直锥齿轮图纸要求,使用开发工具集,结合GRIP编程语言和球面渐开线齿廓建模原理,建立了锥齿轮球面齿廓面与齿坯轮廓面,完成了直齿锥齿轮参数化精确建模,运用UG/OPEN其它开发模块,实现了修形锥齿轮对话框输入参数快速造型以及装配。4.直齿锥齿轮有限元接触应力分析。采用ANSYS有限元分析软件对修形直齿锥齿轮进行了静态接触分析模拟。首先在NX软件中将直齿锥齿轮分割成若干部分,进行齿轮二次开发虚拟装配后,运用有限元分析软件对啮合锥齿轮进行了轮齿接触分析,并把传统理论计算与ANSYS分析结果进行了比较,从而验证了ANSYS分析的正确性。之后对修形齿轮进行了仿真,对比了修形前后直齿锥齿轮齿面接触应力变化规律。5.直齿锥齿轮滚检验证。根据锥齿轮模型参数加工齿轮,并用滚检机检验了锥齿轮啮合接触区接触情况,验证了修形的正确性。本文综合运用NX建模软件和ANSYS应力分析软件,经上述工作,完成了从锥齿轮参数化建模、快速修形到自动装配以及对修形锥齿轮接触分析的整个分析过程,极大的提高了齿轮修形研究和有限元仿真分析的效率,减少了重复劳动,提高了建立模型的精度,为实现锥齿轮三维参数化造型,直齿锥齿轮快速修形、装配和接触分析等,奠定了一定的理论基础。

关键词： 面齿轮   刮齿加工   刮齿刀具   齿廓修形   传动特性分析  

摘要： 面齿轮传动是一种可以传递相交轴运动的新型齿轮传动方式,它因为具有结构紧凑、承载力高、安装误差敏感度低等优点而被广泛应用于航空航天等各种领域。面齿轮齿面结构复杂,因此加工成型技术一直是制约其发展的主要原因,传统面齿轮的加工方法主要受限于插齿和滚齿等,刮齿技术作为一种新型的齿轮加工工艺具有比插齿和滚齿更高的精度和效率。为了实现面齿轮的高精高效加工,本文提出了面齿轮新型刮齿加工技术,分析了面齿轮刮齿加工原理、刀具设计和误差改进方法、齿面模型求解及传动特性等,对于提高面齿轮的加工效率和精度具有深远的意义。论文的研究内容主要包括以下几个方面: (1)构建了面齿轮传动坐标系,在坐标变换理论的基础上推导了各坐标系之间的转换关系,并求解了面齿轮理论齿面模型;分析了面齿轮刮齿加工原理,包括在加工过程中刀具和毛胚之间的相对运动模型以及加工运动坐标系,介绍了刮齿刀具的主要结构和各组成要素之间的联系,对面齿轮刮齿切削过程做了进一步分析,并根据面齿轮刮齿加工运动特点构建了机床模型。 (2)推导了刮齿刀具主要结构模型,包括前刀面、后刀面和切削刃等。首先在啮合原理的基础上根据变位修形齿条法求解了刮齿刀具齿面方程,并利用双三次B样条对刀具齿面拟合得到后刀面模型;构建了刮齿刀具前刀面坐标系,并采用点法式推导前刀面方程;以牛顿迭代法求解刮齿刀具前刀面与后刀面的交线获取切削刃数据,将不同位置前刀面与后刀面的交点数据导入SOLIDWORKS软件中构建刮齿刀具三维模型。 (3)根据离散参数法研究了面齿轮刮齿加工复杂齿面创成方法,制定基于共轭曲面包络原理的齿面求解步骤,根据MATLAB的离散化思想求解刮齿刀具切削刃模型,并基于切削刃离散包络廓形求解面齿轮齿面,在此基础上分析了刮齿刀具齿廓的原理性误差及面齿轮齿面误差,并研究了不同修形系数对刮齿刀具切削刃误差及被加工齿面误差大小的影响。 (4)构建了面齿轮传动坐标系并推导了在传动过程中齿面接触轨迹方程的求解算法,根据罗德里格旋转公式对传统齿面接触轨迹方程改进,减少方程的求解维数,利用MATLAB软件求解齿面接触方程得到修形前后齿面的理论接触点轨迹,并利用ANSYS软件求解真实齿面承载接触轨迹点,验证改进算法求解结果的正确性,借助ADAMS软件探究了修形前后齿面的传动误差。

关键词： 斜齿轮   喷油润滑   重叠网格   热流耦合   回归正交试验  

摘要： 斜齿轮在汽车、飞机、船舶及各种工程机械有广泛应用。高速或高压喷油时,斜齿轮传动系统呈气液共相润滑状态,其中啮合齿面通常为混合润滑状态。齿轮离心力、高速气流阻碍与油液飞溅等都会影响齿面油液的铺展沉积,使啮合区域供油不足或失油,导致齿面润滑劣化。滑油与旋转齿面的冲击作用、啮合区的摩擦生热、局部油膜破裂使承载能力下降、滑油与齿面热交换能力减弱,导致齿面散热效果不佳。因此,针对斜齿轮传动系统,研究斜齿轮副两种流场建模方法的可行性,探究斜齿轮喷油润滑机理。采用数值模拟与实验验证联合分析斜齿轮喷油润滑的流场及温度场分布,揭示喷油参数对齿面油液分布与散热效果的影响规律,进而对喷油系统的优化设计提供指导。主要研究内容: (1)针对动网格法求解旋转机械流场的局限性,采用重叠网格法构建斜齿轮喷油润滑模型。通过油液体积分数和油压评估齿面润滑性能。结果表明:当喷油角度为7.5°、喷油速度为45 m/s时,齿面润滑良好。通过优化喷油角度和速度,齿面润滑性能分别提高7.726%和47.259%。仿真和实验中均发现主动轮下方出现旋流和油液沉积,仿真结果与实验测量结果吻合良好。 (2)基于静态热流耦合方法探究喷油参数对静态齿轮散热的影响规律。结果表明:随着喷油角度、喷油距离的减小和喷油速度的增大,齿面散热性能逐渐增强。基于滑移网格方法构建斜齿轮热流耦合模型,采用动态热流耦合方法研究斜齿轮传动系统的流场及温度场分布。仿真结果表明:受齿轮离心力、油液飞溅和高速气流的阻挡作用,大部分油液难以进入啮合区,导致齿面散热不佳。 (3)设计回归正交试验研究不同喷油参数组合下斜齿轮散热效果。在恒定转速条件下,以齿面平均温度和温差为评价指标,进行回归分析、单因素分析和响应面分析,探明喷油角度、喷油速度与喷油距离及其交互作用对齿面散热性能的影响规律。结果表明:随着喷油角度、距离和速度的增加,齿面平均温度先降低后升高,齿面温差先增加后减小。喷油速度和喷油距离分别显著影响齿面平均温度和温差。当喷油角度为9.212°,喷油距离为54.514 mm,喷油速度为35.561 m/s时,齿面散热效果较好。斜齿轮喷油散热试验结果表明:齿面平均温度和温差的试验值略小于仿真值,其误差范围为0.67%～7.28%;喷油参数优化后齿面平均温度降低了0.28%,齿面温差增大了6.93%。所提出的策略和方法为斜齿轮散热研究和喷油系统设计提供理论支撑。

关键词： 滑动轴承   粘温效应   风电增速箱   动态特性   计算工具  

摘要： 近年来随着国家对碳排放的控制,风力发电技术得到快速发展。现有风电增速箱均采用滚动轴承作为支撑,随着功率增加,滚动轴承存在寿命短、可靠性低、更换困难,成了降低风电设备成本的瓶颈,若采用滑动轴承代替滚动轴承,轴承本身价格可降低70%左右,齿轮箱整体降重约10%。因此本文以风电增速箱行星轮用滑动轴承及其传动系统为研究对象,对行星轮用滑动轴承进行了理论研究、数值求解、参数影响规律和优化设计,同时分析了滑动轴承油膜非线性承载特性对行星齿轮传动系统动态特性的影响规律。主要研究内容如下: (1)本文首先对风电增速箱行星轮用滑动轴承进行了初步设计,得到基本的轴承参数;其次,建立了计入粘温效应的行星轮用滑动轴承流体润滑模型,研究了结构参数以及粘温效应对轴承静态特性所产生的影响,并建立了行星轮用滑动轴承优化设计模型;最后,运用粒子群算法对其进行求解,将计算结果与初步设计的结果进行对比,发现有效地降低了轴承的功耗与温升。 (2)采用压力扰动法求解了非定常状态下的Reynolds方程,分析研究了结构参数和粘温效应对行星轮用滑动轴承刚度系数的影响。再者,采用对无限长滑动轴承油膜力近似解修正的方式,得到了考虑粘温效应的行星轮用有限长滑动轴承油膜力近似解,结果表明,该模型下的近似解与FDM法得到数值解高度一致。 (3)基于能量法,对风电增速箱行星齿轮传动系统啮合刚度进行数值求解,采用傅里叶级数对啮合刚度进行拟合,得到行星齿轮传动系统各啮合副的时变啮合刚度。同时,考虑到啮合刚度和滑动轴承非线性油膜力等因素,采用集中质量法,建立了滑动轴承支撑的行星轮传动系统平移-扭转模型,确定了齿轮传动系统各构件的质量、刚度和阻尼等参数。 (4)在滑动轴承支撑的星轮传动系统平移-扭转模型基础上,采用MATLAB进行编程分别求解了行星轮为定刚度支撑和滑动轴承支撑下两模型的固有特性。研究了系统刚度参数、滑动轴承支撑特性及其结构参数对风电增速箱行星齿轮传动系统固有频率和振型的影响,并运用Runge-Kutta数值计算方法求解了两种支撑转态下风电增速箱传动系统的动态响应,对比分析了滑动轴承非线性油膜力对传动系统振动及运动规律的影响。 (5)基于流体润滑理论建立了滑动轴承数学模型,并采用MATLAB计算工具求解了滑动轴承静、动态特性等,同时编写了以功耗、流量、温升最低为优化目标的轴承优化程序。设计了径向滑动轴承性能计算和优化设计软件基本框架,最后采用MATLAB APP Designer工具箱设计了软件的交互界面并验证了软件求解结果的准确性。

关键词： 齿轮传动系统   高速级轴承   动载荷   有限元模型  

摘要： 齿轮传动系统作为机械设备中动力传输的重要形式，具有传动效率高、适应范围广、结构紧凑等诸多优点，在航空航天、汽车工业、风力发电等工程领域均有广泛应用。随着工业技术的发展，对齿轮传动系统运行平稳性和寿命的要求逐渐提高，而圆柱滚子轴承作为齿轮传动系统的关键零部件，常用于高速级中，也是传动系统中最容易失效的零部件之一。因此，分析传动系统内部激励对轴承动态特性变化的影响，对传动系统运行平稳性和寿命的研究具有重要的工程意义。　　针对复杂激励下高速级轴承动态特性的研究，建立了齿轮传动系统动力学模型求解齿轮系统的动态响应，将其作为输入激励，利用显示动力学法求解分析轴承动态特性，并进行了实验验证。本文研究内容如下:　　以二级齿轮传动系统中高速级轴承为研究对象。首先，采用广义有限元法建立了计入轴柔性、齿轮和轴承时变刚度的传动系统有限元模型，计算得到高速级轴承的输入激励。其次，基于显示动力学法建立了轴承的有限元模型，并通过理论和实验验证了动载荷结果和有限元模型准确性和有效性。然后，分别比较轴承在变载荷与变转速工况条件下轴承动态接触与打滑特性和载荷分布特性的变化规律。研究结果如下:　　接触与打滑特性上，在动载荷作用下，动应力波动幅值增加且内圈运动轨迹呈现不稳定态势;外圈动态接触力呈余弦分布形式且波动周期与动载荷保持一致,滚子运动轨迹的椭圆率减小且呈现“滞后承载、提前退出”的承载形式。在动载荷作用下保持架与滚子的打滑率增加，随着负载和转速的增加，动载荷的载荷均值和波动幅值均呈现增加趋势，导致保持架和滚子的打滑率均略有增加，而负载的增加是导致轴承打滑的主要因素。　　载荷分布特性上，在计入套圈柔性条件下，轴承的承载数目由理论的四滚子承载变为六滚子承载;外圈的接触应力小于相同时刻只计入四滚子承载时的应力值，外圈承载区域的增加趋势与接触刚度一致且趋向于对称分布。随着转速的增加，外圈的承载区域呈线性增加且向左偏移。载荷是影响轴承振动的主要因素，柔性套圈下轴承振动值大于刚性套圈下的振动值。　　最后，对本文中的研究方法和结果进行了总结，并指出了其中存在的不足以及进一步的研究方向。

关键词： 齿轮传动   故障诊断   流热固耦合   扩展有限元   动力学仿真  

摘要： 传统机械传动机构中,齿轮传动机构占有重要地位,被广泛运用到各种领域及各类设备中。齿轮部件高效稳定运行,是保障设备正常工作的基础,研究齿轮发生故障时的传动特性,对其故障诊断和预警有着重要意义。本文以圆柱直齿轮为研究对象,模拟主动轮磨损、从动轮断齿和点蚀等不同故障,分别研究齿轮在单种故障、混合故障下的力学特性和振动特征。主要研究内容如下:（1）针对传统CFD技术无法精确计算齿轮传动时的润滑及热力耦合问题,提出基于耦合欧拉—拉格朗日（CEL）与热力耦合法相结合的流热固耦合法。建立齿轮箱三维有限元模型,分析了不同故障齿轮在传动过程中的力学性能,得到各个故障下应力场变化规律,对比分析了不同故障下应力场变化对齿轮传动稳定性的影响。研究结果表明:单种故障中磨损故障对齿轮影响最大,断齿故障对齿轮影响相对较小,点蚀故障对齿轮影响最小;混合故障对齿轮的影响远大于单种故障。（2）基于扩展有限元法（XFEM）研究了齿轮疲劳裂纹扩展特性,分别研究了不同裂纹初始位置、不同加载位置下裂纹的扩展规律,并对齿轮疲劳裂纹扩展的关键因素—应力强度因子进行数值仿真分析,得到裂纹前缘应力强度因子大小及分布情况。研究结果表明:齿轮产生的裂纹以KⅠ型为主,不同条件下裂纹的扩展路径和应力强度因子的分布趋势存在较大差异。（3）建立了刚柔耦合的动力学模型,提取以加速度为载体的齿轮振动信号。搭建齿轮传动系统实验台,采集齿轮振动信号。对比分析动力学模型仿真信号与实验信号的时域、频域特性,验证了动力学模型的准确性。（4）对仿真信号进行奇异值分解和广义线性调频小波变换,以高时频聚集性提取信号特征,降低噪声的影响,提高信号源质量。然后基于Autogram理论对降噪信号进行无偏自相关分析,提取特征频率和倍频处频率,利用平滑支持向量机模型对频率特征进行分类,实现齿轮故障诊断,识别齿轮故障状态。

关键词： 螺旋锥齿轮   局部综合法   虚拟加工   齿面接触分析   切齿试验  

摘要： 螺旋锥齿轮具有承载能力大、使用寿命长、工作效率高等优点,被广泛应用于航空航天、工程机械、车辆、船舶等领域。但由于螺旋锥齿轮的齿面形状十分复杂,在实际加工中存在加工质量差,加工周期长,成本高等诸多问题。因此在螺旋锥齿轮实际加工的基础上,研究螺旋锥齿轮虚拟加工的相关理论和方法,对提高齿轮加工质量,缩短加工周期,降低生产成本具有重要意义。本文首先基于螺旋锥齿轮啮合原理、加工原理以及局部综合法,建立了螺旋锥齿轮虚拟加工运动模型;其次利用UG二次开发技术实现了螺旋锥齿轮虚拟加工仿真,得到了齿轮实体模型;然后使用ABAQUS软件对齿轮实体模型进行了齿面接触分析;最后在螺旋锥齿轮铣齿机上进行了切齿加工试验。本文主要研究内容如下:(1)依据螺旋锥齿轮的啮合原理,推导了齿轮啮合的基本方程式;对螺旋锥齿轮加工原理、加工方法以及机床调整参数进行了简要介绍;根据局部综合法的基本原理,推导了线接触齿面间的主方向、主曲率计算公式和点接触齿面间的主方向、主曲率计算公式。(2)螺旋锥齿轮几何参数和加工参数的计算。根据螺旋锥齿轮的基本参数和几何参数计算公式,得到了齿轮副的几何参数;根据展成法切齿原理,建立大轮加工运动模型,并得到了大轮的加工参数;基于局部综合法分别推导出大轮齿面方程、大轮齿面参考点处的主方向和主曲率以及小轮齿面参考点处的主方向和主曲率,在此基础上建立了小轮加工运动模型,并根据小轮齿面几何参数得到了小轮的加工参数;利用TCA技术验证了加工参数的准确性。(3)螺旋锥齿轮虚拟加工仿真。利用UG二次开发工具编写出参数化建模程序,并根据齿坯和刀盘的几何参数,得到了齿坯和刀盘的实体模型;根据螺旋锥齿轮加工参数和加工运动模型,通过复制旋转、布尔减运算以及循环等命令实现了螺旋锥齿虚拟加工仿真,得到了虚拟切制的齿轮实体模型,并基于NURBS原理对虚拟切制的齿面进行了齿面重构。(4)螺旋锥齿轮齿面接触分析。利用Hyper mesh软件对齿轮实体模型进行网格划分,得到了螺旋锥齿轮六面体网格模型,并将其导入ABAQUS软件中进行静力学仿真,得到了齿面接触应力和弯曲应力的分布规律。此外,还分析了不同工况下齿面应力的分布情况和变化规律。(5)螺旋锥齿轮切齿试验。在螺旋锥齿轮铣齿机上,根据齿轮加工参数调试齿坯和刀具的相对位置,完成了螺旋锥齿轮的切齿加工,并通过滚检试验得到齿轮接触区,验证了螺旋锥齿轮虚拟加工的可行性和加工参数的准确性。