关键词： ESPCP系统   零齿差机构   变位系数   强度分析   有限元分析  

摘要： 随着油田开采量的不断增加,潜油螺杆泵(ESPCP)系统的排量问题成为采油作业发展中的首要问题,这就需要对潜油螺杆泵的联轴器进行研究。螺杆泵排量与其螺杆的偏心量具有一定的关联,螺杆与联轴器相连,联轴器带动螺杆一起运动,所以联轴器的结构影响着潜油螺杆泵(ESPCP)系统的排量。潜油螺杆泵采油系统中的零齿差内啮合齿轮联轴节是系统的重要传动部件,承载着扭矩、轴向力并改变着运动形式。因此,对联轴器的设计研究十分重要。ESPCP系统专用齿轮副是指零齿差内啮合齿轮副,其是一种专用于ESPCP系统中联轴器部分的新型装置。本文对零齿差内啮合齿轮副通过对内外齿轮在变位后所能达到的最大中心距与各变位系数之间的关系进行了分析,依据强度、过切等约束条件,给出了变位系数选择的初始域,构建出一种变位系数选配模型,保障了变位系数选取的简捷、准确性。并阐明了零齿差齿轮副啮合过程的理论,定义了啮合的起讫点,并推理出了起讫点坐标计算式。同时,根据生产实际的需求,开展了零齿差内啮合齿轮副变位系数选择方法和特殊变位齿轮强度研究,在“保强度”和“增排量”之间把握平衡点。然后通过提供了一种新的变位系数选择方法,它可以在明确变位系数初值的有效域后,依据啮合方程等制约前提条件,快速准确地计算出符合要求的变位系数,这个方法可以有效地解决潜油螺杆泵(ESPCP)采油控制系统中齿轮联轴节渐开线零齿差内啮合齿轮副的变位系数选取的问题,使得变位系数的选取更加简捷、直接、准确。最后运用Solid Works软件系统对零齿差齿轮副进行参数化建模,并完成了啮合运动模拟,以便更加直接、动态地观测齿轮啮合情况。将模型导入Ansys有限元软件,对内啮合齿轮接触应力的分析,可以求解出相应的应力分布图,分析了不同变位系数齿面接触应力。经过有限元静力分析,可以看出齿轮在何极易出现故障。所以,在优化齿轮设计时,必须特别关注齿根和齿面接触处的危险情况。

关键词： 深度学习   自动扶梯   轴承   齿轮   故障诊断   降噪处理  

摘要： 自动扶梯设备的安全问题直接关系到人们的生命安全,及时发现自动扶梯故障,已经成为人们关注的重点问题。轴承和齿轮作为自动扶梯关键零件,发生故障是不可避免的,一旦发现不及时,可能会造成不可估量的损失。因此对自动扶梯的轴承和齿轮进行故障监测与诊断具有重要意义。 本文围绕自动扶梯轴承和齿轮故障诊断面临的少样本、变负载以及噪声干扰等实际问题,对信号降噪和故障诊断模型进行了以下研究。 (1)针对因人流密度变化使得自动扶梯长期处于变负载状态,以及获取各种故障数据的成本过于高昂,实际故障数据较少的问题,提出了一种基于格拉姆角场(GAF)与SE-ResNeXt50迁移学习模型的故障诊断方法。首先选取多次实验得到的格拉姆角场参数,结合重叠采样的方法将振动信号转换成保留了局部时间信息且具有唯一性的格拉姆角差场图和格拉姆角和场图。然后采用微调的方法将预训练好的模型参数迁移到SE-ResNeXt50模型中。最后将特征图输入模型进行训练,实现故障诊断,其中采用特征重标定策略来自适应获取每个特征通道的重要程度,提升了特征利用率。在变负载以及不同大小的数据规模下将所提方法与不同方法进行对比实验。实验表明,在只有少量数据时,所提方法仍能够在不同负载上达到较高的诊断精度,相较于其他故障诊断方法有着更强的识别精度和泛化性。 (2)针对自动扶梯的工作环境噪声干扰较大的问题,提出了一种基于ICEEMDAN-MPE和自适应小波阈值降噪的故障诊断方法。首先使用ICEEMDAN对低性噪比信号进行分解,并且求出分解后每个IMF的多尺度排列熵(MPE)及其平均值。然后根据各IMF的MPE的平均值划分出噪声主导分量和信号主导分量,并对噪声主导分量进行自适应小波阈值降噪。最后对降噪后的分量进行重构。将降噪前和降噪后模型诊断效果进行对比,并且将所提方法与不同降噪方法进行对比,证明了所提方法对提升模型对低信噪比信号诊断精度的有效性和优越性。 (3)为实现对自动扶梯轴承和齿轮的故障监测和诊断,完成了基于ICEEMDAN-MPE-自适应小波阈值降噪算法和GAF+SE-ResNeXt50迁移学习模型的故障诊断系统软件的设计。该系统实现了对振动信号时域特征参数的实时监测和GAF+SE-ResNeXt50迁移学习模型的部署,进而实现了自动扶梯轴承和齿轮的故障诊断。最后对系统进行测试,验证了该系统的可行性。

关键词： 齿轮箱   瞬时转频估计   振动信号   间接测量  

摘要： 齿轮箱广泛应用于各类机械装备，且大都在非平稳工况下服役，其瞬时转频测量已成为开展在线状态监测与诊断的前提。然而，处于服役状态下的齿轮箱存在编码器安装难的问题，不易实现转频直接测量。振动加速度信号间接蕴含了齿轮箱的转频信息，且加速度计安装方便，因此开展基于振动等信号的瞬时转频估计具有重要研究和应用价值。本文主要研究工作如下:　　(1)开展了主流瞬时转频估计算法综述研究与程序实现。针对相位解调、多阶概率方法等六种瞬时转频估计算法，剖析了其进行瞬时转频估计的算法原理,对其进行了综述、复现与评价。最后将这些综述算法应用于实验环境中，结合实验结果及其算法原理，对它们的性能与适用领域展开综合评价。　　(2)针对齿轮箱振动信号存在的信噪比低、谐波干扰多等问题，建立了一种鲁棒高精度瞬时转频估计方法。将振动信号的时频谱视为瞬时转频的概率密度函数，融合主/从传动轴以及啮合带来的阶次信息，进一步利用高斯过程考虑齿轮箱传动轴转速的连续性先验信息，给出瞬时转频最优估计。最后通过齿轮动力学仿真与实验测试，验证了本文方法相对于其他转频估计方法的有效性。　　(3)开发了齿轮箱瞬时转频间接测量系统。基于搭建的齿轮箱传动平台，自行开发了一套同步触发采集系统，实现了 NI PXIe-4492和NI PXIe-6612等多个板卡的多采样率同步采集。此外，还设计开发了用于瞬时转频估计的用户界面。　　(4)开展了瞬时转频估计的应用与验证研究。基于所开发的瞬时转频间接测量系统，开展了振动加速度和声压信号的无键相阶次跟踪分析，其精度接近基于编码器的相应结果，能够反映测试齿轮箱存在的装配误差等问题;还利用估计得到的瞬时转频对齿轮箱振动信号进行了无键相阶次分离，获得振动信号特定阶次的谐波分量。　　通过本文工作的开展，建立了齿轮箱瞬时转频高精度间接测量方法，并开发了相应的软硬件测试系统，这为仅基于振动信号的齿轮箱运行状态动态测试提供了有效手段，亦对非平稳服役工况下的旋转机械智能运维与监测具有一定的推广与应用价值。

关键词： 循环泵齿轮箱   FMECA   刚柔耦合   疲劳寿命  

摘要： 循环冷却水泵是不可或缺的重要核电安全设备之一,通过为反应堆、主发生器及辅助设备输送冷却水起到稳定系统温度和压力的作用,进而保障核电机组高效稳定运行。行星齿轮箱是核电循环冷却水泵的核心动力装备,属于可直接影响整个核电机组系统正常运转的Ⅱ级核安全设备组件,在满足承载大功率、输出高扭矩的性能要求基础上还需具备良好的耐高温、抗腐蚀、防辐射等性能,因此对核电循环泵行星齿轮箱系统开展可靠性分析与关键部件疲劳寿命预测对于核电站安全可靠运营具有重要意义。本文主要研究内容如下:(1)考虑核电循环泵行星齿轮箱传动机理与功能要求,对其开展故障模式、影响及危害性分析(Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA)。在对核电循环泵齿轮箱所进行的故障模式及影响分析的基础上,使用风险优先数法对其所有可能发生的故障模式危害度进行定性分析,将核电循环泵齿轮箱子系统FMECA报告进行汇总统计,得到行星轮轮齿折断为齿轮箱系统关键故障模式。(2)运用计算机辅助工程技术对核电循环泵齿轮箱薄弱环节-行星轮系的动态特性进行分析。在ADAMS软件中建立行星轮系虚拟样机,将系统传动比、齿间啮合力、各构件扭矩等动态参数的仿真结果与理论计算值进行对比,验证多刚体虚拟样机的准确性。使用ANSYS软件生成关键失效部件(行星轮)柔性体,在ADAMS中替换原有刚性体,建立行星轮系刚柔耦合虚拟样机。计算行星轮系中各构件转频、齿轮啮合频率理论值,在ANSYS软件中对柔性体构件进行约束模态分析,通过行星轮系刚柔耦合动力学仿真对核电循环泵齿轮箱的振动特性进行分析,确定行星轮危险区域并输出危险点应力历程。(3)根据构件高周疲劳试验与材料17CrNiMo6超高周疲劳特性,对关键失效部件的概率疲劳寿命进行求解。本文基于GBF疲劳特征区的Murakami疲劳极限预测公式,以比例系数β与夹杂物尺寸(?)表示等效裂纹长度,建立高强钢构件千兆周疲劳强度预测模型,使用Monte-Carlo模拟计算核电循环泵齿轮箱行星轮循环次数Nf=109的疲劳强度。采用雨流计数法与Goodman修正法则对核电循环泵齿轮箱行星轮危险点应力曲线进行分析处理得到载荷谱,基于高周疲劳寿命分布与超高周疲劳强度分布建立核电循环泵齿轮箱行星轮满足可靠度R=0.9999的R-S-N疲劳特性曲线,利用Miner线性累积损伤法则预测行星轮弯曲疲劳寿命,最终得出行星轮是否满足核电循环泵齿轮箱可靠性与寿命设计的要求。

关键词： 齿轮敲击   动力学   剪刀齿轮   敲击噪声优化   MASTA  

摘要： 往复式发动机在工作过程中产生的周期性旋转惯性力和往复惯性力,会增大发动机的振动噪声水平,影响汽车的NVH性能。由于二阶往复惯性力无法通过自身平衡,在工程中通常采用平衡轴来降低其引起的振动。一直列四缸发动机安装有二阶平衡轴,平衡轴上有一齿轮为剪刀齿轮。当发动机在满载加速工况下运行时,平衡轴上啮合的齿轮出现明显的齿轮敲击噪声。针对该现象,本文建立了分析齿轮敲击噪声的发动机平衡轴系统动力学模型,对其出现的齿轮敲击问题进行分析和优化。主要工作如下: (1)开展了发动机平衡轴系统的齿轮敲击试验与主要零部件的模态试验。通过分析发动机壳体表面振动和表面辐射噪声发现,发动机转速在3000 rpm时出现了明显的齿轮敲击噪声,且4000～5000 rpm转速范围内的齿轮敲击更为严重。此外,为了验证后续建立的有限元模型的正确性,对发动机平衡轴系统的主要零部件开展模态试验。 (2)建立了发动机平衡轴系统动力学模型,并分析了该系统的齿轮敲击动态特性。首先,建立了该系统主要零部件的有限元模型,通过与模态试验结果对比,验证了有限元模型的准确性;其次,在MASTA中建立了该系统的多体动力学模型,并对其进行柔性化处理,同时设置动力学模型的边界条件和输入工况;最后,将该系统的计算结果与台架试验结果进行对比,验证了动力学模型的正确性。基于上述动力学模型,从齿轮接触状态、被动齿轮角加速度、齿面啮合力三个方面对系统的齿轮敲击动态特性进行分析。 (3)优化了发动机平衡轴系统的齿轮敲击噪声。首先,为了定量评价齿轮敲击噪声,提出改进的齿轮敲击评价指标并对该指标进行分析;其次,采用正交试验法对该系统的齿轮敲击影响参数进行研究,并用极差分析筛选出对齿轮敲击影响显著的重要参数;随后,基于筛选出来的重要参数,采用响应面法对该系统的齿轮敲击噪声进行优化;最后,通过台架试验验证了响应面优化方案的有效性。

关键词： 行星齿轮   乏油工况   弹流润滑   摩擦   非线性动力学  

摘要： 行星齿轮传动系统因其传动效率高、体积小等优点,在航空、汽车及船舶等领域得到广泛应用。行星齿轮在乏油工况下传动会使啮合齿面发生点蚀、胶合等失效形式,且在传动过程中会存在综合误差、啮合阻尼等非线性激励因素,这些因素会使行星齿轮系统呈现出强烈的非线性特征,所以本文将针对行星齿轮系统在乏油工况下工作时的非线性动力学特性进行研究,对其进行分析和探讨,论文主要有以下内容。(1)为研究乏油工况下的弹流润滑特性,建立了乏油工况下的等温线接触有限长弹流润滑模型,通过多重网格法数值分析得到其线接触弹流润滑的膜厚与压力分布,最后通过研究不同工况下如供油膜厚、粘度等参数变化,分析其在参数变化下的弹流润滑特性。(2)介绍了行星齿轮传动系统的外部激励及内部激励,采用集中参数法建立行星齿轮传动系统的动力学模型,利用牛顿定律,建立了斜齿行星齿轮传动系统的动力学微分方程,引入一系列的广义坐标到动力学微分方程中,将方程中的刚体位移转化为相对位移进行求解,利用龙格库塔法求解动力学系统微分方程。(3)考虑行星齿轮系统在干摩擦状态下的非线性动力学特性,介绍了行星齿轮系统非线性动力学的几种分析方法,通过分岔图、相图、庞加莱截面图等对行星齿轮系统的非线性特性进行分析验证,考虑行星齿轮系统分别在激励频率、刚度幅值、载荷、综合误差等激励因素下对行星齿轮系统运动特性的影响。(4)建立乏油工况下斜齿行星齿轮中太阳轮与行星轮的等温弹流润滑模型,对弹流润滑基本控制方程进行无量纲化,对行星齿轮在润滑油粘度、载荷等不同工况下对行星齿轮系统的弹流润滑影响,进一步讨论行星齿轮系统在乏油工况下的非线性动力学特性。

关键词： 磁齿轮   混合磁路   结构参数   磁齿轮优化   转矩  

摘要： 磁齿轮是通过两转子上永磁体在气隙中的磁场谐波相互耦合实现变速传动,为非接触式传动,因此不存在机械齿轮中的磨损、振动和润滑等问题,在食品、化工和航空等领域都有广阔的应用前景。轴向磁场调制式磁齿轮有着较高的传递转矩能力和良好的传动稳定性,但其转子为悬臂梁结构,并存在轴向拉力问题。现有混合磁路磁齿轮结构可解决以上问题,但其传递转矩能力较低,内部空间浪费较大。为此本文分析了不同充磁方式对混合磁路磁齿轮结构的影响,并对最优充磁方式的结构参数进行了优化分析,提出了改进的混合磁路磁齿轮结构,以提高磁齿轮的传动性能和空间利用率。 首先,以混合磁路磁齿轮结构为模型,通过仿真分析验证了调制原理解析分析的正确性。对永磁体采用径向充磁、切向充磁和Halbach充磁下磁齿轮的磁场特性和转矩特性进行分析,得出Halbach充磁方式能够改善气隙磁密分布,提高磁场强度,且有效提高磁齿轮的最大静态转矩、稳态转矩和转矩密度,并降低磁齿轮的转矩波动。 其次,以最大静态转矩为主要指标,对Halbach式混合磁路磁齿轮的结构参数进行分析。根据分析结果确定各结构参数的变化范围,建立Halbach式混合磁路磁齿轮的最大静态转矩和结构参数间的优化分析模型,模型修正后R2值为0.934,然后随机选取计算8组结构参数组合的模型预测值和仿真实验值的相对误差在允许范围内,符合精度要求。利用遗传算法搜索优化分析模型在解空间内最大静态转矩达到最大时的结构参数组合,对比优化前后Halbach式混合磁路磁齿轮的磁场特性和转矩特性可知,优化后磁齿轮结构的综合传动性能得到明显提高。 最后,针对混合磁路磁齿轮的传递转矩能力较小和内部空间浪费较大的问题,提出了改进的混合磁路磁齿轮结构。该结构是通过在转子内侧添加轴向永磁体,在支撑环中添加调磁铁块,组成轴向磁路,与原有磁路共同组合为加强的混合磁路。对改进的混合磁路磁齿轮轴向磁路的磁场特性和转矩特性进行分析,并与混合磁路磁齿轮结构和双方向激磁的轴向磁齿轮结构进行了对比分析,确认了改进的混合磁路磁齿轮结构,能够充分利用混合磁路磁齿轮的内部空间,最大静态转矩比混合磁路磁齿轮结构提高了107%,比双方向激磁的轴向磁齿轮结构提高了4.6%,极大地提高了磁齿轮的传动性能。 本研究的结果对指导混合磁路磁齿轮结构的深入研究提供了重要依据。

关键词： 同轴面齿轮   齿面修形   接触特性   啮合单元   均载特性   非线性动力学  

摘要： 主减速器是直升机传动系统中的关键动部件之一,其均载性能与动态性能对直升机的安全飞行具有重要影响。同轴面齿轮分扭传动系统具有大减速比、高功率密度等优点,在先进直升机主减速器传动系统中的应用越来越受到重视。各支路载荷分配不均及动力学特性复杂是同轴面齿轮分扭传动系统的关键问题。本文针对同轴面齿轮分扭传动系统的均载问题以及动力学问题进行了研究,重点提出了同轴面齿轮分扭传动系统的参数化接触分析模型的建模方法和多源时变激励因素下考虑结构柔性的动力学建模方法,对齿面接触特性、均载特性、固有特性与动态特性等方面开展研究。主要研究工作如下: (1)开展了抛物线齿面修形与不修形时的同轴面齿轮分扭传动系统均载特性和齿面接触特性研究。基于多点约束方法,构建了耦合弹性支撑的同轴面齿轮分扭传动系统的接触分析模型,通过非协调网格对工作齿面和非工作齿面网格进行尺寸控制,分析了支撑刚度、齿侧间隙、面齿轮安装误差对均载特性及接触特性影响,研究了抛物线修形参数对传动系统中各齿轮副接触应力的影响。 (2)开展了面齿轮时变啮合刚度、时变啮合点位置、时变啮合线方向及其代理模型的研究。建立了参数化的无修形及修形面齿轮加载接触分析模型,根据齿面分布载荷和齿轮副应变能,计算了时变啮合特征参数,分析了载荷、齿轮结构参数对面齿轮时变啮合特征参数的影响;基于BP神经网络、RBF神经网络和支持向量回归,建立了面齿轮时变啮合特征参数的代理模型,分析对比了三种代理模型的拟合精度和泛化能力。 (3)开展了同轴面齿轮分扭传动系统的非线性动力学集中质量-有限元混合建模方法研究。通过拟动力学方法及弹流润滑理论,考虑离心力、陀螺力矩,建立了支撑轴承的时变刚度阻尼模型;基于Timoshenko梁单元理论和牛顿第二定律,建立了计入柔性齿轮轴、动态时变啮合刚度、时变支撑刚度、齿背啮合相位差、齿侧间隙、综合传动误差的面齿轮非线性动力学模型;基于广义有限元思想,提出了考虑腹板、轮缘、轴段柔性的动力学建模方法,该模型包括了Timoshenko梁单元、实体单元、轴承单元及矩阵单元,各单元按照实际情况相互耦合。 (4)开展了同轴面齿轮分扭传动系统的固有特性研究。根据建立的同轴面齿轮分扭传动系统的耦合型振动模型,获得了系统的自由振动微分方程组,求解了系统固有频率和模态振型;分析了支撑刚度和载荷对同轴面齿轮分扭传动系统固有频率的影响规律;基于Ansys混合单元建立了集中质量-有限元混合模型,分析了上面齿轮结构参数对固有频率的影响;对面齿轮及同轴面齿轮分扭传动系统试验件进行了模态试验,获得了系统的固有频率及振型,与有限元法建立的模型进行了对比。 (5)开展了同轴面齿轮分扭传动系统的动力学特性分析。通过Newmark数值积分法求解了同轴面齿轮分扭传动系统的振动方程组,分析了动态啮合刚度、齿背啮合相位差、时变轴承刚度阻尼对面齿轮传动系统动态响应的影响;计入齿轮轴柔性,结合分叉图、时间历程图、相图、庞加莱截面,分析了面齿轮时变啮合特征参数、时变轴承刚度阻尼对系统动态特性的影响,研究了变转速和定转速下轴承刚度阻尼对系统分叉特性的影响;考虑修形面齿轮的时变啮合刚度、空载传动误差、时变啮合点位置、时变啮合线方向,对面齿轮动力学方程进行了修正,分析了抛物线修形参数对动力学特性的影响;求解了考虑上面齿轮柔性的系统动力学模型,研究了上面齿轮结构参数对系统振动响应的影响,为传动系统结构调频提供一定的参考。 (6)开展了同轴面齿轮分扭传动系统的均载特性研究。建立了同轴面齿轮分扭传动系统的静态和动态均载的平移-扭转耦合模型。该模型考虑了啮合刚度与载荷的相关性,嵌入了基于BP神经网络建立的时变啮合刚度代理模型,并根据该系统的功率流特点,计入了小齿轮主动和面齿轮主动两种啮合状态的相位差;通过对均载模型的求解,分析了支撑刚度、齿侧间隙、输入载荷等因素对均载性能的影响;基于海洋捕食者算法建立了传动系统的动态均载优化模型,通过有限元接触分析模型对优化结果进行了验证。