关键词： 低速重载   齿轮修形   啮合性能   准静态接触分析   缩比模型  

摘要： 全断面硬岩隧道掘进机(盾构机)掘进工作时受地质条件制约,其主轴承驱动齿轮会频繁受到冲击、过载等极端载荷作用,从而造成轮齿断裂、齿面点蚀等失效问题,导致无法连续施工,产生巨大的经济损失。目前对齿轮高速轻载工况下的研究较多,而低速重载下的大型齿轮由于其受载状态相较复杂,需要进一步深入研究。因此,本文以提高内齿轮传动平稳性和承载能力为目的,对盾构机主轴承驱动齿轮进行齿廓修形和齿向修形分析。以某3m级盾构机主轴承渐开线直齿圆柱齿轮为研究对象,进行以下研究工作:总结齿廓、齿向修形原理,并基于低速重载工况初步确定齿廓修形量分配、修形长度以及齿向修形方法。针对渐开线直齿圆柱齿轮在恶劣工况下无法实现全齿宽啮合的情况,通过啮合歪斜度计算公式,推算轴线平行度误差,模拟齿轮偏载的情况,为后续分析提供理论基础。对齿轮副进行参数化建模,基于项目提供载荷谱中最恶劣工况对未修形齿轮进行偏载状态下的接触疲劳强度分析和多目标评价下的准静态接触分析。然后运用排列组合增量方法优化齿廓、齿向修形参数确定单因素下最优修形参数,进而对最优修形参数进行组合确定三种综合修形方案进行横向对比确定最终修形方案,得出合理的修形参数可以消除齿面偏载、减缓啮合冲击,有效地提高了传动的平稳性和承载能力的结论。对最终修形方案进行偏载状态下的齿轮强度校核,确定修形齿轮的设计合理性。并基于隐式算法将修形后的齿轮重新建模进行瞬态动力学分析,结果表明,修形后的齿轮动态啮合应力与振动加速度减小,传动过程动态特性得到优化。采用缩比模型的方法,设计并搭建齿轮试车台,基于相似第二定理及量纲分析法推导直齿轮的齿根弯曲应力相似准则,通过对比缩比前后齿轮的齿根名义应力验证缩比模型的准确性。建立并设计加工修形前后缩比齿轮,基于电阻应变测量法进行齿根应变试验,结果表明,修形后齿轮齿根应变低于未修形齿根应变,验证修形齿轮可靠性。

关键词： 不确定性分析   相关性分析   均载特性分析   优化设计   复合行星风电齿轮箱  

摘要： 风力发电机的研发是解决能源危机、响应国家双碳目标的重要研究之一,其中齿轮箱是风力发电机的关键部件。复合行星轮系因其传动比大、行星轮单边受力、效率高等优点广泛应用于风电齿轮箱中。风电齿轮箱主要包括箱体和传动系统两部分。其中,箱体作为支撑部件,其刚度等力学特性影响齿轮箱运转的平稳性;传动系统作为传递动力的结构,系统复杂、不确定性因素繁多。一般来说,齿轮箱各构件的材料特性、结构尺寸、制造与安装误差等不确定参数都在许用值或设计值范围内,但多种不确定性参数的波动、耦合,可能导致行星齿轮受力不均匀,齿轮箱均载性能较差,出现振动、噪声,甚至齿轮断裂、轴承损坏等,严重影响齿轮箱可靠性与寿命,甚至影响风力发电机的发电效率。为此,本文针对上述问题,以复合行星风电齿轮箱为研究对象开展相关研究,首先分析不确定性参数对箱体力学特性的影响情况,保证箱体刚度等力学特性满足齿轮箱平稳运转;其次建立传动系统静态、动态均载分析模型,研究不确定性参数对均载特性的影响机理;最后开展齿轮箱均载试验,根据试验结果对齿轮箱均载性能进行不确定性优化。本文主要工作如下: (1)发展了考虑非概率相关性的箱体不确定性分析方法,实现了准确度量箱体多维响应的区间与相关性。针对复合行星风电齿轮箱箱体进行了力学特性分析,对比分析了各工况下箱体的等效应力与变形;采用多维椭球凸模型度量少样本情况下不确定性参数的边界;采用非概率相关性传播公式计算箱体多维响应之间的相关系数,采用功能度量法计算箱体多维响应的区间上下界,综合箱体多维响应的相关系数与区间,建立箱体多维响应的椭球凸模型,为准确判断箱体是否满足齿轮箱平稳运转要求提供数据来源,为箱体可靠性分析、优化设计等工作提供了更全面的数据。 (2)提出了考虑不确定性因素的传动系统动态均载特性分析方法,实现了准确度量传动系统均载特性的分布区间。分别建立了考虑齿轮制造误差、安装误差的复合行星风电齿轮箱传动系统静态均载分析模型,考虑齿轮制造误差、安装误差、齿侧间隙、时变啮合刚度的传动系统动态均载分析模型。以某3 MW型号复合行星风电齿轮箱为例,计算该齿轮箱静态、动态均载系数,分析了各误差参数对动态均载系数的影响规律。针对齿轮制造误差、安装误差、齿侧间隙等不确定性参数的影响,采用λ-PDF与降维积分法对系统均载系数进行不确定性分析,研究其分布规律。 (3)提出了复合行星风电齿轮箱均载系数不确定性优化方法,得到了相关误差最优控制范围。开展了某3 MW型号复合行星风电齿轮箱均载试验,根据试验数据计算出该齿轮箱均载系数;对影响系统均载系数的不确定性参数进行灵敏度分析,量化系统动态均载系数与误差参数之间的灵敏度关系;为提高复合行星风电齿轮箱均载性能,以传动系统动态均载特性分析模型为基础,根据灵敏度分析结果选择优化参数,对齿轮箱进行多目标优化设计与不确定性优化设计。

关键词： 线扫描齿轮测量   实验装置   误差分析与建模   永磁同步电机控制   定位精度  

摘要： 线扫描齿轮测量仪其主要由三坐标工作台、转台、芯轴和线结构光传感器组成,其可以在不接触齿轮表面的情况下,快速且准确的扫描得到齿轮的全信息。为研发高精度线扫描齿轮测量仪,对其进行误差来源分析,影响线扫描齿轮测量仪测量精度不仅有线结构光传感器自身精度,还与搭载线扫描传感器的三坐标工作台的动态性能与定位精度有关联,因此本文为提高线扫描齿轮测量仪测量精度,从三坐标工作台出发进行误差源分析、建立误差补偿模型、电机控制算法优化、实验验证四个方面展开研究。首先根据线扫描齿轮测量系统的结构,搭建了实验装置平台,并对其进行误差源分析,确定影响线扫描齿轮测量系统精度的主要影响因素,分别为工作台温度、运行速度、坐标位置,并计算了各轴阿贝误差。考虑到以上误差受诸多因素影响、耦合度高、规律复杂,难以建立白化模型,因此本文采用思维进化算法优化BP(Mind Evolutionary Algorithm Back Propagation,MEABP)神经网络对三坐标工作台进行各单项误差建模预测,并根据拓扑结构低序体阵列描述法对工作台进行综合误差建模。其次为了优化线扫描齿轮测量系统的动态性能,对其电机控制算法进行改进,根据PMSM数学模型、SVPWM算法及实现原理,搭建了PMSM模糊PI控制器,但是由于常规模糊控制器论域固定,自适应能力有待提高,因此引入灰狼优化算法(Grey Wolf Optimization,GWO)作为变论域环节,输出调节参数在线调整量化因子与比例因子。搭建了基于GWO优化变论域模糊PI的PMSM速度控制器,实现对工作台的动态优化。为验证误差补偿模型,在实验装置平台开展动态性能验证、单项误差预测对比实验,并且针对实验平台做实际误差补偿实验验证。经实验验证控制器响应时间为8.36ms,扰动响应时间2.91ms,且各项动态指标均优;单项误差预测均方根都在0.6左右;补偿后各轴定位误差在10μm以内,且重复定位精度在3μm以内。综上,实验平台动态性能和定位精度均得到很大程度优化。图(102)表(9)参(80)

摘要： 2019年的夏天,当我初次观看动画电影《哪吒之魔童降世》时,无论是画面效果还是剧情及人物塑造都给了我极大的震撼。而这份震撼的惊喜竟延续至今,每一次的复看,都给予了我全新的体验和深深的触动。这部动画以精彩的特效、绝伦的音乐、各具特色的人物形象、富有逻辑的剧情、升华的主旨内涵整体拔高了中国动画电影的水平,改变了我对过去中国动画电影的刻板印象。过去的中国动画电影在塑造人物时难以避免地陷入非黑即白的怪圈,

关键词： 风电齿轮箱   齿面摩擦   磨损故障   断齿故障   动力学特性  

摘要： 齿轮作为风电齿轮箱中动力传递的重要基础部件,其表面材料在啮合过程中由于受到摩擦力和脉冲力的作用而不断消耗,容易引发磨损故障。同时,轮齿在啮合过程中还会受到循环的弯曲应力,在应力集中的状态下由外部产生较大的冲击载荷时易引起疲劳折断,最终形成断齿故障。此外,摩擦作为齿轮表面接触时不可避免的非光滑因素,直接受到润滑条件的影响,其时变性是影响系统动力学行为的重要原因。因此,基于各润滑工况下的摩擦模型,进行风电齿轮箱磨损、断齿故障及两者同时作用时的动力学行为研究,对基于动力学行为变化分析的齿轮故障诊断具有重要的理论意义。本文的研究内容及成果主要包括: (1)基于库仑摩擦定律,结合三种润滑工况时的摩擦系数计算,获得不同摩擦状态时各级齿轮副间的齿面摩擦力。考虑齿面摩擦、齿侧间隙、时变啮合刚度、综合传递误差和阻尼,采用集中参数法建立含两级定轴齿轮和一级行星齿轮的风电齿轮箱动力学模型,利用龙格库塔法对动力学微分方程组进行数值求解。 (2)通过改变综合传递误差幅值模拟一级定轴齿轮的磨损程度,采用势能法计算定轴齿轮和行星齿轮的时变啮合刚度。结合含一级定轴齿轮磨损的风电齿轮箱扭转动力学模型,研究不同摩擦状态时系统的动力学行为,并比较分析磨损故障的频域仿真结果与试验数据。结果表明:磨损改变系统进入混沌的路径,使系统出现阵发周期运动以及相图和Poincaré截面的形状复杂多变,且混沌幅值随磨损程度的加剧而增大;同时,仿真与试验的结果具有相同的变化规律。 (3)计算一级定轴齿轮副主动轮断齿后的齿宽和时变啮合刚度,建立含一级定轴齿轮断齿的风电齿轮箱动力学模型,研究齿面摩擦对定轴齿轮系统动力学行为的影响,并比较分析断齿故障的仿真与试验的频域结果。结果表明:干摩擦状态下,齿面摩擦扩大了断齿对系统高频区域分岔特性的影响,使系统稳定性降低、混沌区间增加;混合润滑和弹流润滑状态下,断齿对系统动力学行为的改变不明显,但激变过程较干摩擦时更为剧烈;断齿故障的频域仿真变化与试验结果相符。 (4)考虑磨损、断齿同时作用于一级定轴齿轮和分别作用于一级定轴齿轮和行星齿轮,研究风电齿轮箱多故障发生时定轴齿轮和行星齿轮系统的动力学行为。结果表明:两种故障同时作用于一级定轴齿轮时,系统的混沌状态和不稳定性再次增加;定轴齿轮磨损程度的增加,会引起行星轮系统断齿后的混沌区间和幅值增大;行星轮系统的运动状态随自身磨损程度的变化而变化,但受定轴齿轮断齿的影响不明显。

关键词： 齿轮箱   故障诊断   变分模态提取   多特征值  

摘要： 随着技术的进步,智能运维和预测性维护在矿山、钢厂等场所的应用越来越受重视。齿轮箱作为机械设备中应用极其广泛的部件,能否及时有效的对齿轮箱齿轮的运行状态做出判断是预测性维护中的一项重要内容。目前针对这方面的研究多集中于对常用时频分析方法的改进,并通过某单一特征值来对信号的特点进行描述,这些方法最终的分类效果好坏不一且对故障的识别效率较差。针对以上问题,本文提出了一种基于VME和多特征值的齿轮箱故障分析方法,主要内容如下: (1)分析了齿轮箱的振动机理,介绍了齿轮箱振动信号的组成成分及其各自特点,对不同状态下齿轮振动信号间的差异进行了分析,并给出了齿轮箱振动仿真信号的生成方法。 (2)介绍了VME方法的理论,以及该方法与其它常用时频分析方法在运算效率、求解精度等方面的优势,将其应用于齿轮箱振动信号的降噪与模态提取中。 (3)给出了若干信号时频域及能量熵特征的计算方法,提出了一种基于拉普拉斯分值和核主元分析的多特征值筛选与降维方法。使用仿真和实验信号验证了该方法的有效性。 (4)分析了支持向量机在故障分类中的优劣,针对其缺陷给出了改进方法,介绍了一种基于粒子群优化的多元支持向量机分类算法,并用该算法对仿真和实验信号进行了分类以证明其有效性。 通过以上工作,把VME方法引入到齿轮箱振动信号的分析中,通过融合多特征值对信号的特点进行描述,并使用参数自适应的分类算法实现了信号识别,最终得到了一个效率高、识别效果良好的齿轮箱故障诊断分析方法,这在机械设备预测性维护领域有着较为积极的理论和工程意义。

关键词： 齿轮泵   磨损故障   变分模态分解   特征选择  

摘要： 齿轮泵性能可靠、结构简单、成本低，广泛用于工程机械的液压系统。然而，持续于恶劣条件下的高压重载荷工况，使得齿轮泵成为较容易发生故障且故障成本较高的元件。为避免故障造成无法挽回的损失，保障液压系统的稳定作业，本文基于数据驱动深入研究齿轮泵的磨损故障诊断方法。　　首先，针对齿轮泵振动信号中的噪声和干扰，引入一种基于算数优化变分模态分解（AOA-VMD）的去噪方法，并通过正弦信号仿真，验证了该方法的优越性。将分解后的相关性较大的内涵模态分量（IMF）进行重构，最大程度的保证原始信息的完整性，并基于重构信号提取故障信息的时域、频域和时频域共28种特征。　　其次，针对重构信号中提取的特征数据维度大，存在无关和冗余特征的问题，采用无限潜在特征选择（ILFS）进行齿轮泵磨损故障特征选择，并与ReliefF和最大相关最小冗余（mRMR）选择结果对比，试验结果验证了ILFS选择的最优特征子集的表达能力和可分性。同时采用t分布随机邻近嵌入（t-SNE）对原始特征进行降维并结果可视化，平衡了特征局部与全局信息的保留，试验结果证明，t-SNE方法分类效果比核主成分分析（KPCA）和线性判别（LDA）方法更好。　　最后，提出两种齿轮泵磨损故障诊断方法。一种是基于沙丘猫优化支持向量机（SCSO-SVM）的齿轮泵磨损故障诊断方法，利用 SCSO 根据特征参数自适应优化SVM 的两个参数以获取最佳诊断效果;另一种是基于秃鹰优化算法（BES）的同步优化特征选择，将优化、特征选择与分类的优势融合，采用BES同步优化SVM参数和完成特征选择，快速、准确的实现最优特征选择与故障诊断。试验结果显示， SCSO-SVM 和 BES 同步优化特征选择比粒子群优化随机森林（PSO-RF）和黏菌优化核极限学习机（SMA-KELM）具有更高的诊断精度和运算效率。

关键词： 金属-塑料齿轮   延长啮合   热弹耦合   真实重合度  

摘要： 塑料齿轮因具有自润滑、吸振等特性和较好的加工经济性,越来越受到工程界的关注,并逐渐被应用于动力传递领域。塑料齿轮由于弹性模量低,在进行动力传动时往往与金属齿轮配合使用。金属-塑料齿轮啮合时,塑料齿轮受载变形较为明显,使得其真实重合度往往大于理论重合度。而目前关于齿轮真实重合度的研究甚少,针对载荷效应下齿轮真实重合度的研究更是不足。因此研究载荷效应下金属-塑料齿轮的真实重合度,对非金属齿轮传动性能的分析和扩大其在动力传动领域的应用具有积极的理论和工程意义。本文以金属-塑料齿轮作为研究对象进行如下工作: (1)基于粘弹力学模型,建立金属-塑料齿轮的啮合模型,结合Hertz接触理论和有限元法对金属-塑料齿轮的接触特性进行分析。将金属-塑料齿轮的接触仿真结果与金属-金属和塑料-塑料齿轮的接触仿真结果进行对比,研究了金属-塑料齿轮的接触特性以及与其他齿轮组合接触特性的差异。 (2)考虑延长啮合对齿轮刚度的影响,对啮合过程中齿轮的接触类型进行判断,基于势能法建立延长啮合下的金属-塑料齿轮啮合刚度模型,并使用有限元法进行验证。根据建立的金属-塑料齿轮啮合刚度模型和载荷分配模型,计算了金属-塑料齿轮的载荷分配系数。 (3)鉴于塑料对温度的敏感性以及温度与变形之间的耦合关系,引入应力修正系数以计算热弹耦合下的金属-塑料齿轮的变形。推导齿轮副表面热流密度计算公式,并使用有限元仿真得到齿轮副表面稳态温度。采用间接耦合的方式对金属-塑料齿轮进行热弹耦合分析,基于此确定应力修正系数,进而得到载荷效应下的金属-塑料齿轮真实重合度。 (4)设计并搭建金属-塑料齿轮真实重合度测量试验台,对不同输入转矩下的金属-塑料齿轮真实重合度进行测量。 通过上述工作,建立金属-塑料齿轮真实重合度的计算方法,并得到载荷效应下金属-塑料齿轮的真实重合度,为塑料齿轮在动力传动乃至精密传动领域的应用提供动态设计理论依据。

关键词： 行星齿轮   齿轮传动   分层结构设计   齿轮修形   行星架优化  

摘要： 行星齿轮传动具有工作效率高、结构紧凑、齿轮传动比大、功率重量比大的优点，被广泛应用于各种传动系统。行星齿轮虽由太阳齿轮(包括内外齿轮)、行星齿轮及行星架三种基本构件组成，但不同类型变化组合，会衍生出多种行星齿轮机构，使得行星齿轮传动装置的设计是一件复杂而困难的工作。因此，论文根据行星齿轮传动的结构特点，对行星齿轮传动装置的设计及其优化进行系统研究,其主要的研究内容如下:　　(1)提出基于分层结构设计和火箭式的行星齿轮转动装置的设计方法。根据行星齿轮的结构特点，将行星齿轮传动装置进行模块化处理，并利用参数模型库和特征设计的方法将各模块进行参数和约束关联。最后，结合火箭升空原理，优化多级行星齿轮级与级之间的装配约束，实现了行星齿轮传动装置结构的快速设计，提高了多级行星行星齿轮的设计质量和效率。　　(2)提出了一种基于空间点阵的齿轮修形方法。齿轮修形是改善行星齿轮啮合状态、提高传动精度一种重要技术。论文将齿面离散为规则空间点阵，并将修形量映射到对应的空间点上，然后生成二次B样条网格曲线，依此构建光滑的齿廓曲面，并自适应映射到所有齿面上。该方法通过修形位置和修形量的双重控制实现了齿面的精确修形，获得了高质量齿廓曲面，满足了齿轮修形要求。　　(3)提出了行星架类型和结构尺寸递进优化的理念。首先对行星架进行受力分析，结合加工工艺和空间结构特点，确定行星架的最佳类型。然后通过有限元分析，结合优化设计方法，对行星架结构进行理想化模型处理，再对其结构尺寸进行优化调整，以获得满足强度要求和安全要求的最小行星架结构尺寸，增大了行星齿轮的应用范围，并降低了生产成本。　　(4)开发了行星齿轮传动装置设计系统。论文基于NX软件的建模和仿真模块，将所提的设计方法进行无缝集成，开发了一套行星齿轮传动装置的设计系统。通过对模块化的分析设计并结合设计实例，验证该算法和系统的操作性能和可执行的效率，表明该系统具有较好的交互性和可适用性。

关键词： 精冲直齿轮   参数测量   三维点云   双目结构光   特征提取  

摘要： 随着精冲工艺应用规模的增加,越来越多厚度小于20mm的齿轮零件由传统的机加工生产转向精冲成形生产。与机加工齿轮零件相比,精冲齿轮零件具有生产效率高、大批量生产产品尺寸一致性好等优势,但同时由于精冲工艺本身的特点也存在塌角和加工面不垂直等缺点;另一方面,由于金属板料存在材料性能批次差异和材料本身的各向异性,同一精冲模具加工的齿轮可能存在一定的尺寸差异。而传统的齿轮测量方式无法同时测量出精冲齿轮零件的齿形参数和精冲特性参数(精冲塌角、加工面不垂直),因此在批量精冲生产中,如何一次性快速测量精冲齿轮零件的相关齿形参数和精冲特性参数成为关键和难点。针对上述问题,本文基于机器视觉测量方式设计了一种基于三维点云的精冲直齿轮参数测量系统,该系统利用三维点云数据,充分反映工件表面完整三维尺寸信息,然后通过对点云的各种处理和计算,实现了精冲直齿轮齿形参数和精冲特性参数的一次性测量。本文的主要研究成果如下:⑴根据齿轮精冲零件的特点和测量需求,制定了精冲直齿轮参数测量系统的总体设计方案。方案采用双目结构光技术采集点云,并选择格雷码结合相移的结构光编码方式,采取基于自身特征的点云配准方法,采用基于特征提取的参数测量方法进行精冲直齿轮齿形参数和精冲特性参数的直接测量。⑵对点云采集及处理中的关键算法进行了研究。针对结构光解码效率低和背景点云干扰的问题,通过图像预处理,实现了工件背景点云剔除,提高了结构光图像的解码效率。针对传统相位立体匹配算法效率低、精度差的问题,采用多种约束条件优化立体匹配过程,实验表明立体匹配精度和效率都得到明显提升。针对现有点云局部特征描述算法特征描述和特征匹配速度慢的问题,设计了一种基于三维形状特征的二进制点云局部特征描述算法,实验表明本文算法整体表现优势突出。⑶研究了基于三维点云的精冲直齿轮参数测量方法。根据精冲直齿轮的几何特点,将其分解为圆锥面、平面和曲面等几个基本组成要素,建立了精冲直齿轮齿顶圆和齿根圆截面的几何数学模型,并基于RANSAC算法、点云分割算法和点云边界提取算法,分别给出了精冲直齿轮塌角高度、垂直度和齿形参数的测量方法。⑷完成了测量系统的开发,包括硬件选型和搭建,以及开发配套测量软件。对本文测量系统进行重复精度和绝对精度验证,重复测量结果的标准差在0.01左右,绝对精度可达到0.05mm左右,说明本文测量系统具有较高的可靠性和精度,基本满足对精冲直齿轮的参数测量需求。