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： 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： 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： 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： 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   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。

关键词： 全工况   时变啮合刚度   啮合冲击   齿面摩擦   齿面修形  

摘要： 随着电动汽车的快速发展,驱动电机高速化趋势明显,与电机直连的齿轮减速器的振动和噪声问题因输入转速的升高而进一步加剧。纯电动汽车在行驶过程中,齿轮减速器的振动会影响整机可靠性和稳定性,由之产生的高频噪声也会给乘员带来不适。为改善纯电动汽车齿轮传动在整个工作载荷和转速范围内的工作性能,提出一种考虑输入扭矩和转速变化影响的全工况系统级齿面修形方法。本文主要从以下几个方面展开研究:(1)基于轮齿承载接触分析(Loaded Tooth Contact Analysis,LTCA),考虑误差和齿面修形,计算了齿轮副的时变啮合刚度;根据线外啮合冲击几何关系和动力学模型分析计算了啮合时间和冲击力幅值,最后得到啮合冲击力曲线;采用Buckingham半经验公式对齿面摩擦系数进行计算,随后引入方向函数获得齿面摩擦力计算公式。(2)建立高速级斜齿轮传动弯-扭-轴耦合动力学模型,对系统动力学方程组求解获得啮合线方向相对振动加速度,分析了时变啮合刚度激励、啮合冲击激励、齿面摩擦激励单独作用以及三种激励综合作用下高速级齿轮传动的振动特性。(3)基于轮齿接触分析(Tooth Contact Analysis,TCA)和LTCA,对齿面进行了齿廓及齿向的抛物线修形,结合遗传算法完成了齿廓及齿向修形系数的优化,获得高速级齿轮传动在多扭矩下和全速域下的最优修形方案,并分别与特定扭矩和特定转速下的修形方案进行了对比分析。(4)建立纯电动汽车单档两级斜齿轮传动系统动力学模型,根据电机输出特性确定传动系统的工况变化,提出系统级振动评价指标,分析了仅对单级齿对修形和两级齿对共同修形时的系统抑振效果,并探讨了两级齿轮传动中,扭矩和转速等工况对修形方案的影响。结果表明考虑工况影响的齿面修形具有更好的全局适用性。

关键词： 齿轮箱   关键部件   特征提取   模式识别   故障诊断  

摘要： 齿轮箱是机械传动系统的核心部件,对于设备的安全运行至关重要。准确诊断齿轮箱故障并采取有效的维护措施,对于增强传动系统的可靠性和减少经济损失具有重要的意义。本文以齿轮箱的关键部件轴承和齿轮为研究对象,重点研究基于自适应信号处理的特征提取和模式识别方法。主要研究内容如下: 针对轴承微弱故障特征难以提取的问题,提出一种参数优化变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)和最大相关峭度解卷积(Maximum Correlated Kurtosis Deconvolution,MCKD)的轴承微弱故障诊断方法。首先,引入天鹰优化算法(Aquila Optimizer,AO)优化VMD,将轴承振动信号分解为K个本征模态分量(Intrinsic Mode Function,IMF);其次,构建变异系数法-趋近最优排序法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)模态分量综合评价模型,筛选最优IMF;然后,采用AO优化MCKD,增强最优IMF的微弱故障特征;最后,通过包络解调辨识故障特征频率,实现轴承微弱故障诊断。使用美国凯斯西储大学的轴承微弱故障数据验证该方法的有效性。 针对轴承复合故障特征难以解耦分离的问题,提出一种参数优化VMD和多点最优最小熵解卷积(Multi-point Optimal Minimum Entropy Deconvolution Algorithm,MOMEDA)的轴承复合故障诊断方法。首先,采用AO优化VMD,将轴承振动信号分解为K个IMF;其次,构建熵权法-TOPSIS模态分量综合评价模型,筛选最优IMF;然后,采用AO优化MOMEDA,解耦分离最优IMF的复合故障特征;最后,通过包络解调分别辨识故障特征频率,实现轴承复合故障诊断。使用西安交通大学联合昇阳公司的轴承复合故障数据验证该方法的有效性。 针对齿轮多失效形式难以准确识别的问题,提出一种参数优化VMD和支持向量机(Support Vector Machine,SVM)的齿轮智能故障诊断方法。首先,采用AO优化VMD,将齿轮振动信号分解为K个IMF;其次,构建CRITIC-TOPSIS模态分量综合评价模型,优选IMF并提取能量熵,构建特征向量;然后,通过反向学习、萤火虫扰动、Tent混沌映射等策略改进AO,并通过改进天鹰优化算法(Improved Aquila Optimizer,IAO)优化SVM;最后,通过参数优化的SVM实现齿轮多失效形式的智能识别。使用千鹏公司的齿轮失效数据验证该方法的有效性。

关键词： 风电齿轮箱   深度学习   故障诊断   领域自适应   无源数据约束  

摘要： 由于运行环境恶劣且长期承受高动态载荷,导致风电机组容易发生故障。风电齿轮箱作为风电机组的关键部件,尽管故障发生概率比较低,但其造成的停机时间最长,维修成本高。因此,及时准确识别风电齿轮箱的故障,进行针对性维护,对保障风电机组的安全运行,降低风场运维成本有着重要意义。在风电齿轮箱故障诊断中,深度学习的故障诊断方法是一种常见的有效方法。但由于样本标记成本高和部分风场缺少长期系统地收集故障样本数据,风电齿轮箱有标签样本稀缺,导致深度学习模型容易产生过拟合,降低诊断精度。领域自适应方法可以结合源域数据和目标域无标签数据进行目标域故障诊断,减少对标签样本的依赖,但通常只关注特征分布之间的对齐,未考虑类间关系和样本与聚类中心间关系,导致模型泛化能力差,诊断精度低;此外,传统领域自适应方法需要源域数据参与模型训练,但是风电齿轮箱运行数据包含机组敏感信息,考虑到数据的隐私和安全性,可能无法直接提供源域数据参与目标域模型的训练过程,限制了传统领域自适应方法在风电齿轮箱故障诊断中的应用。针对上述问题,本文开展了领域自适应风电齿轮箱故障诊断方法研究。本文主要研究内容如下:(1)针对传统领域自适应方法未考虑类间关系和样本与聚类中心间关系导致风电齿轮箱故障诊断模型泛化性差、精度低的问题,提出了一种基于类别原型领域自适应网络风电齿轮箱故障诊断方法。该方法通过引入类别原型,将域不变性学习和故障识别作为一个整体自然结合在一起;首先,通过MMD度量进行源域和目标域全局特征分布对齐;然后,通过类别原型之间的距离度量进行类级别对齐;最后,通过域内样本与类别原型的相似性对比学习,缩小类内差距,扩大类间差距。(2)针对无法直接接触源域数据导致传统领域自适应故障诊断方法不可用的问题,提出了一种参数迁移的多源域自适应风电齿轮箱故障诊断方法。该方法将源域预训练模型的参数迁移到目标域模型,固定其分类模块;首先通过信息最大化损失使源域与目标域数据在特征空间进行对齐;然后利用自监督伪标签策略更新聚类中心,挖掘目标域数据的特征表征信息,并采用熵筛选策略抑制噪声伪标签的影响;最后通过自适应加权利用多个源域的知识并抑制负迁移影响,实现无法直接接触源域数据约束下的目标域风电齿轮箱故障诊断。(3)进行了风电齿轮箱故障诊断算法模型的封装部署和风电齿轮箱故障诊断系统集成开发。首先,将论文所提出的风电齿轮箱故障诊断模型部署在课题组研发的大型旋转机组健康管理软件中;然后,结合风电智能运维需求,基于大型旋转机组健康管理系统软件,实现风电运行数据的接入、存储、解析与故障诊断等功能,并提供相应的标准API接口;再采用VUE网页前端框架进行风电齿轮箱故障诊断系统前台个性化页面的可视化开发;最后,通过标准API接口实现风电齿轮箱故障诊断系统集成。