关键词： 斜齿轮箱   动态性能   多参数测试   配合精度  

摘要： 齿轮箱是现代机械传动系统中的关键基础部件，应用场合极为广泛，它的工作性能和服役寿命与其动态特性密切相关。然而，作为多自由度机械系统，齿轮箱在多种激励共同作用下会产生复杂的动态响应，难以仅通过简化的仿真模型进行准确描述。因此，本文开展了斜齿轮箱动态特性的多参数测试与分析，定性揭示了测试用齿轮箱的配合(运动)精度，主要研究工作如下:　　(1)针对中低转速下的多参数测试，自行搭建了斜齿轮箱测试系统。使用SolidWorks软件进行传动平台的总体结构设计，基于NI PXI采集硬件开发了数据采集程序，实现了转速、振动、噪声、轴心轨迹、扭矩、传动误差等物理量的同步采集与计算。　　(2)建立了转速计算与信号重采样方法。系统研究了瞬时角速度(IAs)计算的三种方法，仿真分析了不同转速下的计算误差。针对转速波动，变化情形，发展了非平稳时域数据的角度域重采样方法，并通过齿轮动力学仿真数据，验证了计算阶次跟踪算法的正确性。　　(3)发展了多参数的信号处理方法。研究了频谱分析、阶次分析、循环平稳等信号处理方法，开展多参数测试数据的处理与分析，提取信号的动态特征;基于相关分析得到了这些信号特征在不同工况(转速和扭矩)下的变化趋势，进一步研究了不同参数的信号特征之间的关联。　　(4)定性评价-;N试用斜齿轮箱的配合精度。基于多参数的信号特征，较为全面地刻画了齿轮箱的动态特性，间接评价了斜齿轮箱的配合精度。结果表明，驱动电机传动轴与齿轮箱输入轴存在不对中，齿轮箱输出轴存在动不平衡(几何旋转中心与质心偏离)，输出轴轮齿表面存在局部加工缺陷。　　通过本文研究工作的开展，建立了工业级斜齿轮箱的多参数动态测试与数据处理方法，可用于构造描述齿轮箱关键部件配合精度的数据库。这对于高性能齿轮箱的研制具有一定的应用价值。

关键词： 行星齿轮箱   故障诊断   卷积神经网络   注意力机制   变载自适应性  

摘要： 行星齿轮箱作为工业应用中部署最广泛的机械设备之一,是保障机器运转的关键基础部件。因此,对行星齿轮箱的状况进行监测和评估,是保障相关设备正常运行的重要手段之一。但是,行星齿轮箱由于结构繁琐、工作条件恶劣、噪声干扰大、运行状态多变等因素的影响,导致行星齿轮箱的振动监测信号表现形式复杂,使得基于先验知识的故障特征提取理论难以获得有效的状态信息,致使行星齿轮箱的状态的识别容易出现误判。针对上述问题,本文提出了一种深度学习的行星齿轮箱故障诊断方法,无需先验知识,直接从原始信号中学习特征,并自动识别故障。首先,根据深度学习相关知识,搭建卷积神经网(CNN)的架构。依据行星齿轮箱振动信号的特点,引入注意力机制(ATT)技术,提出注意力机制的卷积神经网络(CNN-ATT)故障诊断模型。利用CNN强大特征提取能力学习齿轮箱故障特征,接着采用ATT自适应的获取特征的重要程度,并根据这个重要程度增强能表征故障信息的特征,对无效的特征进行抑制,使网络获得更多的判别信息。通过实验验证,该方法对行星齿轮箱载荷恒定工况下有较好的诊断性能。然后,针对CNN-ATT模型在负载变化情况下诊断识别率低的问题,提出Sinc函数对模型结构进行优化。采用参数化Sinc函数设计滤波器,并取代模型的第一个卷积层的滤波器,使之对信号提取特定范围的特征,滤除与故障无关的信息,为后面的网络层提供相关性更高的特征,提高网络的判别性能,解决载荷变化工况下行星齿轮箱的故障诊断能力欠佳的问题。通过实验证明,优化后的模型显著提升了载荷变化情况下行星齿轮箱的诊断能力及变载自适应性。最后,为探讨Sinc函数设计的滤波器的决策基础是否与人类经验一致,随机选择信号样本,送入到训练好的模型中,并对设计的滤波器处理后输出的特征图可视化,同时与其它模型的滤波器对信号处理后比较。结果表明,Sinc函数设计的滤波器表现是最好的,可以有效滤除与故障无关的信息,重点关注的信号的主要特征,初步对模型的诊断性能进行了解释。

关键词： 谐波齿轮   有限元仿真   啮合力   接触压力   柔性轴承   扭转刚度  

摘要： 谐波齿轮因体积小、传动精度高、承载能力大等优点,被广泛应用于航空航天、机器人、精密测量仪器等领域。在工作过程中,波发生器迫使柔轮发生周期性变形实现与刚轮的啮合运动。作为波发生器中的关键部件,柔性轴承对谐波齿轮的啮合性能有着重要影响。本文建立了包含柔性轴承波发生器的谐波齿轮有限元模型,求解并分析柔性轴承的滚珠位置和径向刚度对负载啮合性能的影响。首先,用ANSYS中APDL进行三圆弧空间齿廓谐波齿轮参数化建模,以凸轮外轮廓等距曲面表达刚性波发生器,与柔轮内壁接触分析求解得到齿圈空载变形,及柔轮齿体位置;计算柔轮与刚轮的齿间最小周向侧隙,获得空间齿廓谐波齿轮的侧隙分布。施加逐步增大的刚轮转角位移,模拟小负载、额定负载至瞬间允许最大转矩等工况,求解不同负载工况下啮合力和接触压力,以评估空间齿廓谐波齿轮的负载啮合性能。结果表明:三圆弧空间齿廓谐波齿轮具有轴向更宽的齿面接触区和周向更均匀的啮合力分布。其次,为研究柔性轴承径向刚度对负载啮合性能的影响,建立包含凸轮、轴承内外圈以及离散滚珠的柔性波发生器。以实际工作状况设置柔性波发生器的位移条件,模拟相同负载条件下谐波齿轮的负载啮合性能。根据负载工况下柔性轴承滚珠的受力和轴承外圈径向位移,分析柔性轴承径向刚度,获得柔性轴承径向刚度随负载的变化规律。分析轮齿整周圈啮合力分布和接触压力变化,对比研究滚珠支撑位置对啮合力分布的影响。基于两种波发生器作用下的啮合力分布,分析柔性轴承径向刚度对啮合性能的影响。结果表明:滚珠支撑位置的齿体径向刚度大,承担啮合力更多;负载越大,柔性轴承径向刚度对啮合力影响越大;滚珠支撑的齿体中截面位置,接触压力最大。最后,基于有限元模型分析柔轮与波发生器的间隙以及柔性轴承游隙对扭转刚度的影响,与物理样机的扭转刚度实验结果进行对比分析。结果表明:参与啮合齿数越多,扭转刚度越大;考虑柔性轴承刚度影响的谐波齿轮扭转刚度更贴近实验结果;间隙及游隙条件对小负载工况下的扭转刚度影响最大。

关键词： 农用车辆   变速比   变比曲线   齿轮齿条副  

摘要： 改善驾驶员作业条件、强化农机安全生产是推进我国农用车辆装备高质量发展的重要目标。农用车辆因行驶路况复杂多变,转向频繁,且经常需要挂载农机具进行高负荷作业,转向轻便性与转向灵敏性的矛盾愈发突出,极易造成驾驶疲劳,甚至引发重大事故。循环球式变比转向器作为一种可靠的解决方案,对进一步提升车辆的操纵稳定性、驾驶舒适性和行驶安全性具有显著优势。然而,变传动比变厚齿轮作为循环球式变比转向器的核心部件,其复杂的齿面几何使得当前主流设计方法往往不能兼顾效率与精度。因此,为深入探索循环球式变比转向器的传动特点、丰富变传动比齿轮的设计理论,本文以循环球式转向器中变传动比变厚齿轮为研究对象,结合“齿轮元”离散思想与CAD软件,研究一种高效、精确的变传动比变厚齿轮设计方法,并从多角度对该设计方法进行验证性分析。首先,详细阐述了当前齿轮的主流设计方法——基于仿加工的CAD包络法和基于啮合原理的解析法的基本原理与应用步骤,并借助CATIA软件和MATLAB软件设计了变传动比变厚齿轮的实例,综合分析了这两种方法的应用特点与优缺点。然后,提出了变传动比变厚齿轮齿面点生成的齿轮元法,构建了变传动比变厚齿轮-直齿齿条刀具的齿轮元模型,推导了变传动比变厚齿轮的齿面约束方程。通过预设初值,并引入MATLAB的并行运算功能,进而开发了变传动比齿轮齿面点的高效求解算法,获得了近似均匀分布的网格型变传动比齿面点。随后,结合基于啮合原理的解析法,提出了评定齿轮元法求解变传动比齿面点精度的法向误差计算方法,并利用CATIA软件完成了变传动变厚齿轮的高质量建模。最终,基于有限元法,在两种输入扭矩和四种预紧配合的条件下,分析了变传动比变厚齿轮-直齿齿条副的传动特性和传动误差。通过数控端铣试制了变传动比变厚齿轮的样件,并进行了传动比测试试验。综合运用传动误差和传动比测试误差来验证了本文所提出的变传动比齿轮设计方法的正确性。本文的研究工作建立起了变传动比齿轮齿面点生成与齿面拟合建模之间的直接“桥梁”,进一步推广并完善了“齿轮元法”的应用范围,可提高循环球式变比转向器变传动比齿轮的设计效率和精度,对促进循环球式变比转向器的研发与应用具有重要的理论意义。

关键词： 轴向磁性齿轮   有限元分析   电磁性能   响应面分析法  

摘要： 随着新能源技术的发展,人类对大功率发电设备的需求越来越高,所以需要大传动比和高转矩密度的传动装置来保证发电机的稳定工作。本论文提出了一种磁阻-轮辐双调制式双级轴向磁性齿轮结构并对其进行研究。由于它是一种无接触式传动装置,可以克服传统机械齿轮箱的振动、噪声和维护成本高昂的缺点,而且在过载工作时可以通过打滑的方式来保护机械结构。这种双级轴向磁性齿轮还具备将低速转矩转化为高速转矩的能力,在高速作业时可以保证输出端机械强度,且拥有很高的转矩密度和较低的转矩波动,能够稳定地传输转矩。论文得到国家自然科学基金项目课题编号:51765020的资助支持。本研究的内容包括以下几个方面:简述了目前磁性齿轮的研究现状,着重分析单调制式轴向磁性齿轮的基本结构,发现这种轴向磁性齿轮比较适合用于对轴向长度有限制的工作场景。比较了几种永磁材料的属性,并进行材料的应用选择。通过对单调制式轴向磁性齿轮工作原理的分析,利用数学公式解析的方法,研究了调磁定子对磁性齿轮转矩的影响。使用有限元分析软件对单调制式轴向磁性齿轮的磁场进行了计算,对有无调磁定子的气隙磁密和谐波频谱图进行了比较和分析。为了提高转矩性能,提出了轮辐双调制式轴向磁性齿轮结构和磁阻式轴向磁性齿轮结构。分析了轮辐式轴向磁性齿轮的基本结构,该结构可以优化单调制式轴向磁性齿轮的输出转矩性能。针对其低速转子外部气隙处的漏磁问题提出了三种外调磁定子结构,通过静态转矩分析,选择连接型外调磁定子作为轮辐轴向磁性齿轮的双调制方式,还确定了外调磁定子的角度差和安装位置方案。同时对提出的磁阻结构做了磁场分布有限元计算和静态输出转矩分析,发现磁阻式轴向磁性齿轮结构在输出高速转矩时拥有很好的机械强度。为了解决单调制式轴向磁性齿轮随着传动比的增加转矩密度会随之减小的问题,提出双级轴向磁性齿轮结构。通过计算其传动比,规定了双级轴向磁性齿轮两级之间的设计规则。与相同传动比的单级轴向磁性齿轮在使用等量的永磁体安装时进行电磁性能对比时发现,双级的转矩密度更大,输出的转矩更加稳定,转矩波动更小。为了优化双级轴向磁性齿轮的性能,并结合上文提出的结构,设计了一种磁阻-轮辐双调试式双级轴向磁性齿轮。通过有限元仿真分析可知,相比双级轴向磁性齿轮其输出转矩峰值高3.3%,转矩波动幅值降低了24.6%。为了进一步优化磁阻-轮辐双调制式双级轴向磁性齿轮的电磁性能,使用响应面分析法对其进行优化设计。因为双级轴向磁性齿轮可以传递大传动比,为了提高转矩密度和输出转矩的稳定性,以输出转矩和转矩波动为优化目标,以三个转子上的永磁体厚度、调磁定子弧度和气隙厚度这五个因子为结构参数进行优化设计。最后通过有限元分析优化前后的模型,并进行对比分析得优化后得输出转矩峰值为8.83N·m,相比原始模型高了15.4%,优化后的转矩波动幅值为0.28,相比原始模型降低了3%。经过验证分析可得,磁阻-轮辐双调制式双级轴向磁性齿轮的优化结果满足优化目标。

关键词： 多模数   蜗杆斜齿轮传动   齿根弯曲应力   模数比   有限元仿真  

摘要： 与渐开线蜗轮蜗杆传动相比,蜗杆斜齿轮传动机构具有设计简单、易于加工、润滑条件好等特点,广泛应用于各类汽车变速、电动工具、智能家居等传动领域中。研究表明,斜齿轮轮齿疲劳折断是蜗杆斜齿轮传动副发生破坏的主要形式之一,且对于模数、压力角不相等的蜗杆斜齿轮副的齿根应力特性目前尚不清楚。基于此,本文根据多模数蜗杆斜齿轮的传动啮合原理,研究模数比对蜗杆、斜齿轮的齿根弯曲应力的影响规律,为提高传动副的使用寿命提供理论基础。根据蜗杆、斜齿轮节圆法节相等,推导多模数蜗杆斜齿轮副的正确啮合条件;基于齿轮啮合原理,推导多模数渐开线蜗杆斜齿轮副主从动轮的基本参数计算公式,确定多模数蜗杆斜齿轮副重合度计算公式。基于齿间载荷分配计算模型,建立单、双齿啮合区法向载荷计算公式;根据齿轮加工原理,求解多模数蜗杆、斜齿轮的齿廓曲线方程;阐述平截面法中齿根弯曲应力计算方法,给出载荷作用于齿顶、作用于单啮上界时相关参数的计算公式;以载荷加载在单啮上界点为研究对象,建立考虑齿面摩擦的齿根弯曲应力数学模型,编写多模数渐开线蜗杆斜齿轮副的齿根弯曲应力计算程序。根据平截面法中的两种载荷加载方法分析多模数蜗杆斜齿轮副的齿根弯曲应力特性,得到不同模数比对应的多模数蜗杆斜齿轮副复合齿形系数变化曲线,分析模数比对蜗杆斜齿轮副齿根弯曲应力的影响规律;基于建立的考虑齿面摩擦的齿根弯曲应力数学模型,分析摩擦系数对多模数蜗杆斜齿轮副齿根弯曲应力的影响。基于求解的多模数蜗杆、斜齿轮的齿廓曲线方程,对齿廓曲线进行编程并建立多模数蜗杆、斜齿轮的精确模型;利用有限元分析软件对不同模数比的蜗杆斜齿轮副进行有限元仿真分析,得到不同模数比、摩擦系数对应的蜗杆、斜齿轮的齿根弯曲应力变化规律。通过有限元仿真结果,在一定程度上验证理论计算的正确性。图44表5参82

关键词： 磁场调制   磁齿轮   磁热固耦合   正交试验   协同优化  

摘要： 同轴式磁齿轮是一种依靠磁场相互耦合传递动力的同轴传动装置,与传统机械齿轮相比,具有噪声低、振动小、寿命长、无需润滑和自动过载保护等优点。但由于磁场调制原理使得其内部金属部件容易产生较大的磁场损耗,而损耗主要以热的形式散发,因此磁齿轮内部容易产生较大的热应力,同时造成永磁体的退磁,并影响磁齿轮转矩传递效率。拟在分析同轴式磁齿轮工作原理的基础上,对其磁热固多物理场耦合问题开展研究,综合正交试验法和BP神经网络遗传算法对同轴式磁齿轮进行多目标协同优化,具体研究内容如下所示。同轴式磁齿轮多物理场仿真计算理论基础。分析同轴式磁齿轮的基本结构,结合其结构特点,给出磁齿轮每个位置的磁感应强度的解析式,针对磁齿轮运转过程中的热转化问题进行初步计算。同轴式磁齿轮多物理场耦合仿真分析。针对同轴式磁齿轮初始设计方案,建立其多物理场耦合仿真模型,并对其磁感应强度、温度、应力和应变等云图进行了仿真分析。同轴式磁齿轮多物理场耦合仿真影响因素分析。采用正交试验优化设计方法,对磁齿轮各结构参数对磁齿轮性能指标的影响权重值进行分析,并采用单参量变化法对单一结构因素对磁齿轮综合性能的影响进行研究。同轴式磁齿轮多目标协同优化。利用BP神经网络强大的非线性映射能力和NSGA-II算法的全局寻优能力,构建了神经网络与遗传算法相结合的协同优化算法,确定了磁齿轮最佳结构参数匹配方案集,并通过仿真对优化结果进行了验证。同轴式磁齿轮动态试验测试。在现有磁齿轮样机的基础上,对样机进行输入转矩和输出转矩以及应力变化的测试试验,验证了所采用仿真分析方法的正确性以及协同优化结果的合理性。

关键词： 测量实验   动态特性   齿轮测量中心   激光跟踪仪  

摘要： CNC齿轮测量中心是一种主要检测回转体的现代化测量装置。高生产力对齿轮测量中心保证测量精度的前提下,对测量速度提出更高要求,动态误差成为影响测量精度的主要因素。由于齿轮测量中心各项误差机理复杂,难以对各项误差传递规律进行分析,因此,本文采用实验研究渐开线测量过程中的动态误差特性及其误差传递规律,为后续的仪器测量参数优化,动态误差补偿提供依据。(1)本文分析齿轮测量中心结构及渐开线测量原理,分析了动态误差的来源。以渐开线样板为实验对象,以多种测量速度为实验因变量,研究不同速度对齿轮测量中心测量精度的影响规律。(2)将激光跟踪仪作为辅助仪器,搭建基于激光跟踪仪标定测量平台,由于两台测量仪器不位于统一基座上,激光跟踪仪不随齿轮测量中心基座一起振动。以激光跟踪仪测量数据为标准,标定齿轮测量中心运动过程中Y轴的光栅数据。(3)对直线轴与回转轴测量数据进行分析,第一,分析不同测量速度对加速阶段的影响规律,研究单轴到测头再到工件表面的动态测量影响因素对测量精度的影响,总结出单轴运动规律;第二对不同测量速度数据匀速阶段进行频域分析,获得直线轴到测头的误差传动规律。

关键词： 提升机减速器   特征提取   故障诊断   模式识别   齿轮   滚动轴承  

摘要： 提升机减速器是矿井提升系统的核心部件,对保障煤矿正常生产和人员安全起到至关重要的作用。制定高效便捷的减速器故障诊断方法,对及时发现潜在威胁、合理制定维修方案、减少企业经济损失具有非常重要的研究意义。本文以小康矿主井提升机减速器为主要研究对象,围绕早期故障信号能量微弱、故障特征提取困难以及实际故障数据匮乏等问题,开展减速器故障特征提取方法、复合故障诊断方法与故障模式识别方法研究,具体内容如下:(1)分析了小康矿提升机的结构特点与工作原理,针对常见故障建立了动力学模型、剖析了故障机理并归纳了其故障信号的时域与频域特性,搭建了减速器实验平台并模拟出可能出现于工程实践中的各种故障,采集相应的故障数据为后续研究工作奠定基础。(2)减速器早期故障信号中,有效信息能量微弱、故障特征隐匿性强。因此,将变分模态分解(VMD)的良好降噪性能与快速独立成分分析(Fast ICA)的盲源分离优势相结合,提出了提升机减速器故障特征提取方法。首先,引入麻雀搜索算法对VMD参数进行同步优化,并对故障信号进行分解;然后,根据所提出的权重系数法完成观测信号的构建,借助Fast ICA算法实现故障特征的增强;最后,对有效分量进行包络谱分析得到诊断结论。在实验台上模拟了轴承内圈裂纹故障,利用所提出方法对实测数据进行处理,成功地提取出了故障信息。(3)针对减速器复合故障信号中,背景噪声及各故障成分之间相互耦合,单一故障成分无法准确分离的问题,提出了提升机减速器的复合故障诊断方法。利用改进粒子群优化算法(MPSO),确定最大二阶循环平稳盲解卷积(CYCBD)的最佳滤波器长度和循环频率,逐一提取原信号中的故障频率成分,并对解卷积后的信号进行包络谱分析,实现复合故障的诊断。实测数据分析结果表明,在强噪声背景下利用所提出的方法能够准确分离出耦合在一起的故障信息。(4)针对工程实践中故障数据匮乏的小样本智能诊断问题,提出了以精细复合多尺度散布熵(RCMDE)和支持向量机(SVM)为主体的提升机减速器故障模式识别方法。在实验平台上采集了不同故障类型的数据样本,并利用凯斯西储大学(CWRU)的轴承数据生成了不同故障程度的样本,使用所提出方法对两类故障样本进行分类,均获得了理想的结果。该论文包含图92幅,表15个,参考文献95篇。

关键词： 人字齿轮   齿轮修形   弯曲疲劳寿命   裂纹萌生   裂纹扩展  

摘要： 人字齿轮具有结构紧凑、轴向力低、重合度高、承载能力大与传动效率高等特点,广泛应用于汽车、船舶与航空装备等高速重载动力传动系统中。研究表明,齿轮弯曲疲劳是高载荷人字齿轮的重要失效形式,其可分为裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段。齿轮修形可有效改善边缘接触,且会影响人字齿轮弯曲疲劳寿命。本文将基于多轴疲劳准则和断裂力学理论,计算修形人字齿轮弯曲疲劳裂纹萌生-裂纹扩展寿命。主要研究内容为:(1)修形人字齿轮有限元接触分析。基于展成法加工原理和齿轮修形方法,建立标准与修形人字齿轮三维几何模型;开展标准与修形人字齿轮有限元接触分析,研究载荷与修形量对齿根弯曲应力的影响规律。结果表明,不考虑对中误差时,人字齿轮齿根弯曲应力呈对称分布;不同的载荷与修形量均会影响齿根弯曲应力的大小和分布。(2)修形人字齿轮弯曲疲劳裂纹萌生寿命计算。根据齿轮有限元接触分析结果,确定齿根各结点的临界平面方向。基于Dang Van多轴疲劳准则,构建人字齿轮弯曲疲劳裂纹萌生寿命计算模型,研究修形对疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明,适当的齿轮修形可提高人字齿轮弯曲疲劳裂纹萌生寿命。(3)裂纹扩展寿命计算模型及试验验证。设计并制备与齿轮同质化加工的标准紧凑拉伸试样,开展齿轮材料的裂纹扩展速率试验。分析裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子的关联规律,确定齿轮材料裂纹扩展参数。基于Paris准则,构建裂纹扩展有限元分析模型,计算标准紧凑拉伸试样的裂纹扩展路径与寿命。(4)修形人字齿轮弯曲疲劳裂纹扩展寿命计算。根据齿根弯曲应力计算结果,建立含初始裂纹的人字齿轮有限元分析模型。基于裂纹扩展寿命计算模型,研究载荷及修形对初始裂纹尖端应力强度因子、齿根弯曲疲劳裂纹扩展寿命的影响。结果表明,适当的齿轮修形可提高人字齿轮弯曲疲劳裂纹扩展寿命。