关键词： 弧齿锥齿轮   裂纹扩展   疲劳寿命   有限元仿真  

摘要： 弧齿锥齿轮作为齿轮箱传动的关键零件,在使用过程中承受着载荷冲击和摩擦等因素的影响极易发生断裂,造成巨大损失。本文针对含有裂纹缺陷的弧齿锥齿轮易发生轮齿折断的问题,展开了对不同工况下无损齿轮模型疲劳寿命和含裂纹齿轮扩展模型应力强度因子和剩余寿命的仿真计算,并研究了裂纹参数、载荷工况以及齿轮参数对其裂纹扩展寿命的影响。得到的主要结论如下:(1)恒速工况和循环工况中,弧齿锥齿轮啮合应力均随转速的增大呈单调递增趋势且增长幅度不断趋缓,而齿轮的疲劳寿命随转速的增加呈单调递减趋势,且循环工况下的齿轮寿命较恒定工况时减小。(2)弧齿锥齿轮上裂纹沿齿宽和齿厚方向的扩展呈非对称现象,裂纹沿齿宽扩展的速度要大于沿齿厚扩展的速度,且循环工况下裂纹的扩展速率较恒定工况时增加。(3)随着初始裂纹尺寸的增加,Ⅰ型应力强度因子最大值呈单调递增趋势,齿轮的剩余疲劳寿命呈线性降低趋势;随着裂纹初始角度的增大,应力强度因子变化幅度减小,齿轮的剩余疲劳寿命增加,当裂纹初始角度超过60°时,齿轮应力强度因子与剩余寿命变化趋势与之相反;当改变裂纹初始位置时,裂纹存在位置与齿轮啮合中心距离的大小对齿轮应力强度因子和剩余寿命的影响并不明显。(4)随着载荷的增加,应力强度因子呈单调递增趋势,齿轮剩余疲劳寿命不断降低;齿轮的剩余疲劳寿命随应力比的增加呈线性增加趋势。(5)随着模数的增大,齿轮应力强度因子呈线性增加去世的,齿轮剩余寿命呈线性降低趋势;随着齿数的增加,应力强度因子呈单调递减趋势,齿轮剩余疲劳寿命不断增大,增长幅度呈现出先减小后增大的趋势;应力强度因子和齿轮剩余疲劳寿命与螺旋角间的没有明确的变化趋势和规律。

关键词： 风机齿轮箱故障诊断   自适应故障诊断   集成经验模态分解   特征分量选择   一维卷积神经网络  

摘要： 我国的风电产业在“双碳”、“十四五”等政策的引领下，正处于大规模、高质量发展阶段。作为风力发电机的关键零部件，风机齿轮箱由于长期工作在随机风速等恶劣工况下，容易出现故障，同时风机齿轮箱故障会带来较长的停机维护时间，在潜在安全事故风险的同时，也会影响风能的产出并带来一定的经济损失。因此，研究风力发电机齿轮箱的智能诊断和在线诊断技术是保障风电产业可持续发展的必然要求。为了准确有效地发现并识别风机齿轮箱的故障特征，需要使用具备噪声处理能力的非平稳信号处理方法从风机齿轮箱的健康状态信号中提取特征，然后使用深度学习方法学习并识别其健康状态。然而该技术体系在故障诊断尤其是在线诊断中存在自适应性不足的问题，其主要表现为参数选择方法难以针对具体的健康状态信号自适应确定，同时缺乏准确自适应的分解结果特征分量筛选技术。在故障诊断尤其是在线诊断中，这样的不自适应性将直接影响健康状态识别的准确性和鲁棒性。因此，论文分别对集成经验模态分解方法(Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)中分解过程的自适应噪声添加以及分解结果特征分量的自适应准确筛选进行了研究，基于深度学习研究了自适应的故障诊断策略并建立了轻量化诊断模型，以实现高准确率、轻量化的风机齿轮箱在线诊断。论文的主要研究和工作内容如下:(1)提出了一种自适应性更强的单参数EEMD方法。针对EEMD难以在不同工况及不同健康状态信号下自适应取得准确分解结果的问题，在综述讨论现有参数选择问题解决方案的基础上，从EEMD加入噪声以改善信号极值分布状况的原理入手，建立了噪声加入效果的评价指标，研究了噪声随机生成和筛选机制以及单参数EEMD(single parameter EEMD，spEEMD)方法，将加入一定幅值的噪声转变为加入随机幅值能够改善信号极值分布的噪声，从而使spEEMD在实际应用中具有更强的自适应性。同时，通过加入动态指标和选择筛选策略，spEEMD方法分解效果的平稳性也得到了保证。将 spEEMD应用于仿真信号和风机齿轮箱故障信号的分解中,验证了所提出的spEEMD方法具备较好的特征提取自适应性。(2)研究了健康状态特征分量的两步筛选方法和基于融合层的自适应智能诊断策略。针对分解得到的IMF(Intrinsic Mode Function)分量选择依赖先验知识和主观判断的问题，为了实现在线诊断过程中特征分量的自适应准确选取，构建了一种两步筛选的特征分量筛选方法和基于融合层的智能诊断策略。首先通过功率谱密度来筛选和合并具有相似特征的分量，避免模态混叠现象和多余的无关分量对特征分量评价的影响;然后以灰色关联度分析为骨架，有机的融合多维度的特征评价指标，并筛选出健康状态特征分量和特征干扰共混分量;最后构建了基于融合层的故障智能诊断方法，自适应地实现健康状态的特征提取。与七类选择方式的对比结果表明所建立的两步筛选方法和自适应故障诊断策略能够自适应地选择并提取到更准确的健康状态特征。(3)建立了基于频域变换和大尺寸卷积核的轻量化模型和方法。针对部分诊断模型结构复杂、参数量大、对部署平台要求高的问题，研究了一种轻量化的风机齿轮箱健康状态自适应在线诊断方法和模型，模型通过采用频域特征变换、大尺寸卷积核等方法改善模型的特征识别效果同时减少模型的参数量，实现模型的轻量化。对风机离线数据以及历史在线数据分析的结果表明，所建立的轻量化模型具备较好的特征识别效果，对硬件设备的要求较低，适用于风机齿轮箱的在线故障诊断。

关键词： 弧齿锥齿轮   动态啮合性能   啮合刚度   振动特性  

摘要： 弧齿锥齿轮与直齿和斜齿相比,齿面结构更加复杂,较大的重合度使其获得较强的承载能力,以及平稳的传动性。目前在汽车及船舶制造领域已经得到广泛的应用。弧齿锥齿轮由于其结构复杂,设计参数众多,部分参数仍需要凭经验确定。因其在机器中往往处于十分重要的部位,承担高速、重载的要求,致使对弧齿锥齿轮的强度以及刚度有了更高水平的要求,为了保证弧齿锥齿轮传动的可靠性、稳定性,有必要对齿轮的齿面接触以及振动特性进行研究。本文根据共轭曲面理论、齿轮啮合原理和齿轮的精度设计要求,建立弧齿锥齿轮大小轮齿面方程,运用数值编程求解齿面投影离散点坐标,根据计算的齿轮参数运用三维建模软件绘制齿轮实体模型并完成装配。利用有限元软件对弧齿锥齿轮进行前处理,建立合理的六面体网格有限元分析模型,设置合适的边界条件和加载方式,为齿轮副的接触分析和振动分析做好铺垫。运用动力学原理,对弧齿锥齿轮进行动力学接触分析,通过分析转速、加速时间、阻尼及惯性载荷对于从动轮转速和接触力的变化曲线的影响,来总结对影响因素对齿轮啮合性能的影响。针对传统的刚度计算方法,采用显示动态分析方法求解接触点处的接触力和弹性变形量。引入离散的思想,对模型节点啮合刚度进行线性叠加来计算单齿啮合刚度。基于建立的模型分析计算大小轮动态啮合转角得到时变啮合刚度与传动误差的关系。构建齿轮副动力学模型,基于有限元方法,求解齿轮副无阻尼自由振动方程,探究齿轮副固有特性,分析了啮合刚度对齿轮副固有频率的影响。同时以振动位移和振动加速度为响应,探究弧齿锥齿轮的振动特性。

关键词： 仿生齿轮   纯滚动接触   齿形设计   啮合特性   性能分析  

摘要： 跳跃机器人拥有强大的越障能力,在废墟搜救、战场侦测、考古探测等方面有着巨大的发展前景。随着科技的发展,跳跃机器人的传动系统对传动效率和承载能力的需求日益增长,适用于跳跃机器人传动系统的高性能齿轮研究已成为机器人领域发展中的一个关键科学技术问题。在自然界中,伊苏斯飞虱的髋关节有一对齿轮,具有传动效率高和相对输出转矩大的特点,符合跳跃机器人传动系统对传动效率和承载能力的需求;因此,本文根据飞虱髋关节齿轮的轮齿形状及齿廓特性提出一种新型仿生齿轮,分析仿生齿轮的啮合原理和齿廓干涉条件,计算仿生齿轮的传动效率、误差和强度,主要内容包括:(1)以飞虱髋关节齿轮为仿生原型,分析飞虱髋关节齿轮的传动特性,结果表明飞虱髋关节齿轮适用于高速、高精度和高功率密度的传动场合,具有低传动误差、高传动效率且近似于纯滚动接触的传动特性和相对较大的输出转矩;提出飞虱髋关节齿轮工作齿廓为对数螺旋线的假设,分析对数螺旋线作为齿轮工作齿廓的可行性,利用边缘检测法提取飞虱髋关节齿轮的工作齿廓,采用对数螺旋线拟合工作齿廓;对飞虱髋关节齿轮齿廓进行仿生设计,构建仿生齿轮的对数螺旋线齿廓,推导对数螺旋线齿廓参数的计算公式,建立对数螺旋线齿廓的方程,为仿生齿轮啮合原理的展开奠定基础。(2)根据间接包络原理,推导仿生齿轮的齿面、齿面工作线和啮合线方程,构建齿轮的纯滚动约束条件,分析齿轮的纵向和端面重合度;根据几何关系,得到仿生齿轮齿廓不发生静态干涉的条件;根据运动学法和齿轮相对运动原理,推导齿轮齿廓不发生根切的条件方程,提出齿轮齿廓不发生动态干涉的判别条件;研究中心距误差对仿生齿轮齿面滑动特性的影响;实例分析仿生齿轮的干涉情况,验证齿轮的啮合原理。(3)对仿生齿轮副进行动态性能的仿真,结果表明仿生齿轮具有传动效率高和传动误差小的优点。根据微分几何及赫兹接触理论,推导仿生齿轮齿面接触应力的计算公式,采用有限元仿真的方法,求解齿轮齿面接触应力计算公式中的接触曲线长度,验证齿轮齿面接触应力计算公式的准确性;根据折截面法,建立仿生齿轮齿根弯曲应力的数学模型,采用有限元仿真的方法,数值计算齿轮齿根弯曲应力数学模型中的齿形应力修正值,验证齿轮齿根弯曲应力数学模型的准确性;在同尺寸、同工况的条件下,对比仿生齿轮与渐开线斜齿轮和纯滚动单圆弧齿轮的强度,为仿生齿轮在跳跃机器人中的应用提供理论依据。

关键词： 弹流润滑   啮合刚度   油膜刚度   动态特性   齿轮修形  

摘要： 齿轮传动系统是风力发电机组中不可或缺的重要组成部分。轮齿啮合期间,在载荷作用下工作齿面与齿间润滑油膜均发生变形,并产生时变刚度效应,刚度激励对于系统的动态特性有着重要影响。本文以某两级直齿轮传动系统为研究对象,考虑了啮合刚度与油膜刚度的影响,建立了齿轮传动系统动力学模型,分析了不同工况下齿轮副的润滑特性、油膜刚度、啮合刚度以及动载荷的变化规律,并进行齿面微观修形研究,优化了齿面载荷的分布情况,改善了齿轮啮合过程中的偏载现象,提高了传动系统的动态特性,对齿轮系统的优化设计提供一定的参考依据。文章的主要研究内容如下: 建立了渐开线直齿轮线接触弹流润滑模型,采用牛顿迭代法数值求解,得到齿轮沿啮合线上各关键点处的油膜厚度与油膜压力分布规律。基于有限元节点法构建了传动系统有限元模型,建立了计入油膜刚度激励、传动轴柔性的齿轮动力学模型,利用Newmark时域积分法对动力学方程求解,得到了不同负载与转速工况下齿轮副啮合刚度及油膜刚度的变化规律。结果表明,负载对于油膜刚度的影响较小;当转速在1391r/min等共振区间内因载荷激增会导致油膜厚度减小,油膜刚度发生突增,对齿轮传动系统的动态特性有较大影响。 基于Romax建立了传动系统刚柔耦合模型,分析了不同转速与负载工况下齿面油膜厚度和油膜刚度的变化规律。结果表明,在动态分析的过程中,齿轮传动系统因受载而产生的耦合变形引起偏载现象,造成油膜厚度和油膜刚度沿齿宽方向上并非均匀分布;齿轮模态柔度峰值主要集中于低频范围,都将对齿轮传动系统的动态特性产生一定影响。 鉴于偏载现象对齿轮传动系统动态特性的影响,综合考虑传递误差峰值、载荷幅值以及载荷分配系数等因素,利用蒙特卡罗法和遗传算法两种优化算法对齿轮进行微观修形研究。结果表明,合理的选择轮齿修形参数能够有效改善齿面偏载现象。相较于修形前,齿轮传动系统的传递误差峰值下降了74.5%,最大齿根应力下降20.35%,且齿面载荷分布更加均匀,有效改善了齿轮传动系统的动态特性。

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： 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： 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。