关键词： 谐波齿轮减速器   快慢分析法   共存吸引子   吸引域   张弛振荡  

摘要： 谐波齿轮减速器是一种新型的机械传动装置,因其具有结构简单、质量轻、体积小、精度高、传动比大、传动效率高等诸多的优点,而得到了广泛应用。谐波齿轮减速器系统是一个典型的快慢系统。系统中存在的多种非线性因素会诱发复杂的快慢动力学特性,这会加剧系统部件的疲劳损伤,缩短齿轮的使用寿命,严重影响了系统的正常工作。由于相关问题的复杂性,以往学者针对谐波齿轮减速器系统复杂动力学的研究主要集中在常规动力学方面,而在快慢动力学问题方面的研究鲜有报道。本文考虑扭转刚度非线性因素,建立了涉及非线性扭转刚度的谐波齿轮减速器系统的数学模型。通过采用快慢分析法、吸引域分析法等研究方法,同时结合数值模拟,探讨了谐波齿轮减速器系统的快慢动力学,发现了多种新型的张弛振荡模式,揭示了其产生的动力学机制。具体内容如下:(1)首先发现了谐波齿轮减速器非线性扭转系统内存在的张弛振荡现象,并绘制了两参数分岔图,以便探讨系统可能的变化行为。研究发现,当系统参数变化时,fold分岔点附近的吸引子的数量和稳定性会随之发生改变。其表现形式有两种:一种是当上平衡支发生fold分岔时,系统具有双稳定性;而当下平衡支发生fold分岔时,系统仅具有单稳定性。另一种是当上平衡支或下平衡支发生fold分岔时,系统均具有双稳定性。针对上述两种情形,我们采用快慢分析法和吸引域分析法,分别探讨相关张弛振荡行为的产生机制,发现了多种张弛振荡模式。特别地,发现并研究了一种非对称的张弛振荡结构,即复合式张弛振荡,其特征是系统轨线在转迁时一端经由中支,在另一端则越过中支。(2)在对谐波齿轮减速器非线性扭转系统相关动力学行为研究的基础上,通过改变扭转刚度条件,发现了系统内存在的另一类特殊张弛振荡模式。其表现形式主要为:当上平衡支或下平衡支发生fold分岔时,系统转迁轨线会在两个平衡点吸引子之间作往复兜圈式运动,最终被某一平衡点吸引子所吸引,因此诱发了“兜圈式转迁”的特殊动力学行为。为了进一步探究“兜圈式转迁”相关动力学行为机理,分别研究了非对称稳态条件下和对称稳态条件下系统存在的“兜圈式转迁”张弛振荡行为。值得注意的是,在对称稳态条件下,发现了一种特殊的复合式张弛振荡结构,即系统转迁时一端为“兜圈式转迁”,另一端则为常规转迁的单侧“兜圈式转迁”张弛振荡模式。

关键词： 直齿轮   动力学模型   迁移学习   故障诊断   机理-数据耦合  

摘要： 齿轮作为机械设备中的关键零件,广泛应用于设备制造、航空航天、风能开发等多个领域。然而,由于长期处在强压力、变工况等恶劣环境中,齿轮极易发生失效,其健康状态与机械系统的正常运转相关联,一旦出现故障可能会造成难以估计的后果。因此,开展齿轮失效建模、失效机理及故障诊断方法的研究,准确识别出齿轮的失效模式,对于保障机械设备平稳可靠运行有着重大意义。近年来,随着人工智能信息技术的飞速发展,依靠机器学习、深度学习等方法的新一代人工智能故障诊断技术也受到越来越多的关注。由于齿轮系统结构复杂、工况多变,导致各种工况下故障诊断模型训练所需的样本数据往往难以获得。样本数据缺乏给基于深度学习的故障诊断模型带来了很大挑战,而针对齿轮失效机理的研究恰好能弥补这一不足。但是,仿真模型通常忽略了噪声、摩擦和转速变化等因素的干扰,是在理想条件下进行的,仿真信号与实验获得的真实数据之间有一定的差异,无法直接应用于故障诊断模型的训练。鉴于以上问题,本文研究了基于机理-数据耦合的直齿轮故障智能诊断方法,以解决零样本、小样本的故障诊断问题,主要内容如下: (1)直齿轮故障动力学建模及振动特性分析。为研究齿轮失效机理并获取故障仿真信号,本文基于能量法建立直齿轮时变啮合刚度模型,并考虑齿轮故障对刚度的影响,引入剥落、磨损等故障模式求解得到不同故障直齿轮的时变啮合刚度。最后,以刚度为激励建立齿轮-转子-轴承系统的动力学模型,分析得到直齿轮在不同健康状态下的振动响应。 (2)基于迁移学习的直齿轮故障诊断方法。针对跨工况无标签数据的故障诊断问题,本文构建了一个深度卷积神经网络模型,提取源域和目标域的深度特征,并利用基于多层最大均值差异的特征迁移网络减小不同领域的分布差异,使这些特征具有跨域不变性,从而实现对不同工况下无标签数据的故障诊断。 (3)基于机理-数据耦合的直齿轮故障诊断方法。针对新工况零样本的故障诊断任务中数据驱动的模型泛化性能不足的问题,本文从失效机理、实验数据耦合驱动的角度出发,用已知工况下的仿真信号和真实数据训练数据生成网络,建立仿真数据和真实数据之间的映射关系,并用于生成新工况下近似真实数据的生成样本;然后基于域对抗技术构建迁移学习故障诊断模型,将学到的机理知识应用于数据模型,从而完成故障诊断任务。

关键词： 人字齿轮   接触线   对称度误差   误差评定   截面法  

摘要： 人字齿轮具有承载能力高、轴向载荷小等特点,被广泛应用于船舶动力、航空航天等大型动力装备中。人字齿轮两侧轮齿齿面关于对称中心平面的对中性直接影响接触载荷分布的均匀性,致使人字齿轮在传动过程中可能会产生振动、噪声,从而影响其使用寿命。由于实际加工后的人字齿轮两侧轮齿中同侧齿面的接触线存在非对称问题,导致在啮合传动中必然会引起偏载、轴向振动等问题,降低了人字齿轮传动的平稳性和可靠性。因此,本文从使用性能的角度研究人字齿轮两侧轮齿对称度误差的测量、评定对其设计与制造有着重要的理论和工程意义。人字齿轮两侧轮齿同侧齿面的接触线能够反映其啮合状态,根据斜齿轮接触线的定义,研究了人字齿轮两侧轮齿同侧齿面接触线的定义,以及基于接触线对称度误差的定义,建立接触线的评定坐标系,并在坐标系中求解了人字齿轮接触线的数学模型,模拟了构造的理论接触线和叠加误差的实际接触线离散数据,对实际接触线的数据进行拟合并求取其对称度误差,从而实现人字齿轮两侧轮齿的对称度误差模拟评定。研究了人字齿轮齿面接触线的测量原理,将人字齿轮接触线的评定坐标系应用在齿轮测量机上,从而形成接触线的测量坐标系,并确定出测量坐标系的轴向测量基准。在测量坐标系中逐齿测量人字齿轮单个轮齿上的两条旋向相反的接触线,利用接触线的评定方法对接触线的测量数据进行拟合,逐齿计算出每个轮齿上接触线交点与测量基准的的轴向位置坐标,从而获得人字齿轮接触线的对称度误差。根据人字齿轮的测量坐标系及接触线的测量方法,利用C++为测量机设计接触线及其对称度误差的测量软件。该软件的功能为:建立轴向测量基准;设计测量机的测头和转台运动控制程序,实现对接触线的测量;获取测量数据,并利用评定方法对测量数据进行处理,从而获得人字齿轮接触线的对称度误差。对人字齿轮接触线的对称度误差进行实验验证。在对实验结果进行分析中,把基于接触线的人字齿轮对称度误差的测量方法与截面法人字齿轮对称度误差快速测量方法进行对比,同时对比了两种测量项目的测量精度和测量效率。其中截面法虽然符合对称度误差的定义,但是测量精度较接触线法低且数据不稳定。接触线法适用于人字齿轮对称度误差的高精度测量。

关键词： 弧齿锥齿轮   硬齿面   高速切削   切削工艺  

摘要： 本文主要研究弧齿锥齿轮硬齿面高速切削工艺。以淬硬钢制成的小型弧齿锥齿轮为对象，选择粉末冶金高速钢刀具作为试验设备，开展硬齿面高速切削试验，探究切削力、切削速度、进给量三个参数对硬齿面表面质量的影响。结果发现，弧齿锥齿轮硬齿面的表面粗糙度，随切削力的增加呈先降低后升高的趋势，随切削速度的增加呈先降低后升高的趋势，随进给量的增加呈升高趋势。当切削力为250N、切削速度为700m/min、进给量为1.5mm/r时，弧齿锥齿轮硬齿面高速切削精度最高。

关键词： 误差实时补偿系统   几何误差   铣齿机   误差补偿   伺服控制  

摘要： 螺旋锥齿轮应用广泛,具有传动平稳、噪音低、承载能力高等优点。螺旋锥齿轮制造精度的高低会对其机械产品的精度产生巨大的影响。因此,提高螺旋锥齿轮加工机床的加工精度成为急需解决的任务难题。本文以全数控螺旋锥齿轮铣齿机为研究对象,确定误差实时补偿方案和控制系统,并以三轴微细铣床为测试平台进行测试。本课题主要研究内容如下:(1)确定误差源并建立误差补偿数学模型。剖析数控机床常见的误差源,确定主要影响铣齿机加工精度的误差源为静态几何误差。针对所需补偿的几何误差元素,以此为基础建立双转台五轴数控机床的误差补偿数学模型及补偿点间三阶样条插值的过渡形式。(2)搭建误差实时补偿系统,提出几何误差总体补偿流程。对比三类误差补偿方式采用闭环反馈补偿系统,参考误差补偿实施策略选择反馈中断策略;依据误差实时补偿系统的需求,设计误差实时补偿系统的硬件结构、软件界面等。最后,提出几何误差补偿流程中的准备工作、数据结构及补偿策略。(3)几何误差仿真试验。对系统进行仿真试验,采用模块化仿真思路,对各组件分别仿真再组装成系统,以几何误差元素中移动副误差中的定位误差为测试对象,对比有无误差实时补偿系统下的仿真结果,通过观察实时位置与理论位置,确定该误差实时补偿系统具有可实施性。(4)补偿功能测试。以三轴微细铣床作为测试平台,搭建误差实时补偿系统,然后进行控制器和驱动器的调试和配置,写入误差补偿文件及运动程序等,再利用伺服基本算法对参数调谐整定,优化系统整体的动态性能,减少跟随误差,优化补偿效果。在测试平台上针对不同情况下进行误差补偿实验,以反馈图像判断补偿结果,经测试,采用此流程的开发的补偿功能达到企业对铣齿机的精度要求。

关键词： 点线啮合齿轮   啮合刚度   齿廓修形   接触特性   有限元  

摘要： 点线啮合齿轮传动因兼具线接触与点接触双重特点,其传递效率高、承载能力强、使用寿命长,广泛应用于起重、冶金、矿山等领域。煤矿机械因工作环境恶劣、冲击载荷大、空间有限等特点,对传动装置性能和体积要求严格,点线啮合齿轮减速机正好满足要求。煤机用点线啮合齿轮工作时浓粉尘、强振动以及大载荷极易使其啮合不佳,出现齿面磨损、疲劳断裂等失效,降低使用寿命。本文以煤机用点线啮合齿轮副为对象,从齿面模型构建、啮合刚度解析、齿廓修形方法以及接触特性评价等方面开展研究,为点线啮合齿轮三维齿面修形理论与降噪延寿方法研究奠定基础。主要研究内容如下:(1)推导了点线啮合齿轮齿面方程:基于空间啮合理论建立了加工点线啮合齿轮的滚齿刀具齿廓方程,由刀具与点线啮合齿轮位置关系求出滚齿刀具法面-端面及被加工点线啮合齿轮间的变换矩阵,推导出点线啮合齿轮齿面方程;利用Matlab软件编制齿面离散点求解程序,实现了点线啮合齿轮三维齿面模型重构。(2)构建了点线啮合齿轮时变接触线长计算公式与啮合刚度解析模型:利用切片法和端面参数关系,建立了点线啮合齿轮时变接触线长计算公式;通过当量齿形法对点线啮合齿轮载荷作用下各部分变形量及柔度进行计算,构建了点线啮合齿轮啮合刚度解析模型;利用有限元软件Abaqus对点线啮合齿轮副啮合变形进行仿真,通过啮合刚度模拟值与当量齿形法解析值进行对比,证明了啮合刚度解析模型的有效性。(3)提出了煤机用点线啮合齿轮主动轮齿廓抛物线修形方法:借助有限元软件Abaqus对点线啮合齿轮副安装误差敏感性进行分析,探究了中心距误差、同面轴线倾斜误差及异面轴线倾斜误差影响下的齿面接触变化规律;研究不同载荷工况下点线啮合齿轮的接触应力场和变形场分布,获得了不同载荷作用下点线啮合齿轮的变形区域;在此基础上,结合点线啮合齿轮齿廓特性提出了主动轮齿廓抛物线修形方法,利用单齿静力学模型分析确定了某工况下抛物线最大修形量和修形高度的变化规律及推荐值。(4)开展了齿廓修形点线啮合齿轮接触特性研究:基于上述修形参数重构了点线啮合齿轮主动轮三维模型,利用Hypermesh实现了四齿模型六面体网格精细划分;结合修形点线啮合齿轮有限元模型,从齿面最大接触应力、接触线长、变形量和静态传动误差等方面,分析了点线啮合齿轮齿廓修形对接触特性的影响,验证了齿廓修形方法的可行性。

关键词： 弧齿锥齿轮   五轴数控机床   几何误差   齿面偏差   敏感性分析  

摘要： 弧齿锥齿轮作为相交轴传动的重要基础零部件,以其传动效率高、承载能力强、传动平稳和结构紧凑等优点广泛应用于舰船、航空和工程机械等领域。弧齿锥齿轮的齿面是一种高复杂度的空间曲面,齿面精度会直接影响其啮合传动性能,同时也对设备的安全性、可靠性和使用寿命具有重要的影响。五轴数控机床的加工精度直接决定了弧齿锥齿轮的齿面精度,而机床加工精度与机床几何误差密切相关。为了研究五轴数控机床几何误差与弧齿锥齿轮齿面偏差的关系,确定对齿面偏差产生影响的关键几何误差,本论文开展了如下研究: 1.建立五轴数控机床的弧齿锥齿轮加工模型 基于弧齿锥齿轮铣齿加工原理,建立了基于摇台型机床的加工模型;通过等效转换原则,推导出五轴数控机床各运动轴的运动函数解析式。对各运动轴的运动函数解析式进行泰勒展开,得到了各轴的运动多项表达式。根据各运动轴运动多项表达式和机床铣齿加工的具体过程,建立了基于五轴数控机床弧齿锥齿轮齿面加工模型。 2.基于旋量理论建立几何误差传递模型 对五轴数控机床各运动轴几何误差进行分类和编号。基于旋量理论建立了机床几何误差传递模型,推导出五轴数控机床几何误差与弧齿锥齿轮齿面方程的定量映射关系。通过MATLAB软件对几何误差传递模型进行编程,计算了理论齿面和误差齿面离散网格点的坐标值,得到了误差齿面相对于理论齿面的偏差值。 3.基于Sobol法的机床几何误差全局敏感性分析 将Sobol全局敏感性分析方法的分析过程用MATLAB软件编写为计算程序。借助Monte Carlo方法,近似求解了机床几何误差对弧齿锥齿轮齿面偏差的一阶敏感性系数和全局敏感性系数。通过对比计算出的敏感性系数,确定了对弧齿锥齿轮齿面偏差产生影响的关键几何误差。 4.全局敏感性分析方法验证 对机床几何误差进行了局部敏感性分析,得到了各项几何误差的局部敏感性系数。对比了两种分析方法的分析过程、分析结果和特点,验证了Sobol全局敏感性分析方法的可行性,同时为敏感性分析方法的选取提供了参考。通过程序模拟的方法对关键几何误差进行补偿,并在此基础上进行了全局敏感性分析,得到了关键几何误差取值范围变化前后敏感性系数的变化情况,验证了补偿关键几何误差对于降低齿面偏差、提升机床加工精度的可行性。

关键词： 齿轮传动系统   动态特性   摩擦系数   故障齿轮   非线性振动  

摘要： 齿轮系统在当代机械传动中应用得十分广泛,但是齿轮系统的加工难度大、工作环境复杂,所以齿轮系统常会产生故障,裂纹、点蚀以及磨损均为齿轮无法规避的故障因素,这些故障就会使机械结构的整体运行效率降低,同时对齿轮系统的动态特性也有相应的影响。由此,对齿轮系统在裂纹、点蚀以及磨损故障下振动特点的分析研究尤为重要。本文主要对故障齿轮系统在摩擦因素的影响下的振动进行了研究。含摩擦及偏心状态下裂纹齿轮系统振动分析:首先建立裂纹深度为1mm、2mm、4mm的齿轮受力模型,求解振动微分方程,并利用能量法对不同裂纹深度下轮齿的啮合刚度进行分析;对摩擦系数分别为0.01以及0.02时裂纹齿轮系统动态特性进行探究;分析在摩擦条件下不同偏心距对齿轮动态特性的影响。结果表明:随摩擦增大以及裂纹深度的增加,齿轮系统的振动响应会增强。不同摩擦参数及不同偏心距条件下点蚀齿轮振动分析:首先建立点蚀故障轮齿模型,将点蚀故障分为轻微、中度、重度三种情况,采用能量法对三种状态下点蚀故障齿轮系统的啮合刚度进行计算;并对不同摩擦参数条件以及不同偏心距条件下点蚀齿轮动态特性进行分析。结果表明:点蚀情况加重以及摩擦系数增大,会使齿轮间的摩擦力增大,从而使齿轮受到更大的载荷,会导致齿轮间的振动响应增强,周期发生改变。摩擦参数及不同偏心距对磨损齿轮振动特性的影响:建立磨损量为30μm、60μm、90μm下的齿轮动力学模型,计算不同磨损量下轮齿系统的啮合刚度以及不同运行次数下的啮合刚度,并对啮合刚度进行分析;分析不同摩擦参数以及不同偏心距对不同磨损量下齿轮系统动态特性。结果表明:摩擦系数增加会使磨损程度加重,从而使齿轮系统间的阻尼增大,齿轮振动的稳定性会降低,振幅会增加,响应会增强。

关键词： 齿轮传动   耦合故障   刚度模型   动力学模型   动态响应  

摘要： 平行轴直齿轮传动由于其结构简单、传动效率高、适应性强等优点广泛应用于各行各业中。齿轮作为旋转机械的基础零件,其状态直接决定着设备能否安全可靠地运转。随着制造业水平的迅速提升,机械设备向着精密化、复杂化方向发展,这势必对齿轮服役过程中的状态监测与演化预测要求越来越高,故对齿轮的故障演化进行预测分析,明确其故障机理与故障特征响应是相当必要的。疲劳裂纹与磨损是极为常见两种故障,且磨损通常是无法避免的,贯穿齿轮系统整个生命周期,故裂纹往往是伴随着磨损出现的,且二者的存在会导致齿轮副啮合刚度降低,针对上述问题,建立齿根裂纹与齿面磨损耦合故障预测模型,并在此基础上提出了耦合故障下的时变啮合刚度计算模型,将故障激励通过刚度引入多自由度动力学模型中,构建齿轮传动系统故障动力学模型,然后通过实验对所提出的故障预测模型与故障动力学模型进行验证。主要研究内容如下:(1)为了揭示磨损机理,建立了混合润滑模式下的齿面接触疲劳磨损预测模型,并引入润滑油膜刚度,建立新的混合润滑模式下的时变啮合刚度计算模型。然后在此基础上,构建疲劳裂纹与磨损耦合故障的演化模型与时变啮合刚度计算模型,将参数带入,求得耦合故障下的剩余使用寿命以及不同故障程度的刚度,获得耦合故障对时变啮合刚度的影响规律。(2)考虑了齿轮副间的时变摩擦力、传递误差、轴和轴承的刚度、阻尼等因素,建立更为全面的多自由度齿轮系统动力学模型,获取耦合故障扩展寿命阶段的加速度仿真信号。(3)搭建试验台,对所提出的故障演化模型和动力学模型进行验证。结果表明,仿真与实验获得的剩余使用寿命时长相近,且仿真振动信号与实测振动信号在时域与频域上的特征均对应,证明所提出模型的有效性。综上所述,建立了更接近实际情况的故障演化模型与故障动力学模型,获得故障扩展阶段的仿真数据,为平行轴直齿轮传动系统的故障监测与故障诊断提供大量的数据支撑,更为有效地实现齿轮智能维护。