关键词： 弧齿锥齿轮   线接触   误差分析   有限元分析   齿面修形  

摘要： 针对误差条件下线接触弧齿锥齿轮传动存在啮入啮出冲击及边缘接触的问题,在开展含误差条件下的锥齿轮啮合有限元分析的基础上,提出了一种线接触弧齿锥齿轮修形方法,旨在理论设计阶段对齿面进行修形设计,达到提高齿轮啮合性能的目的。论文首先介绍了实现线接触共轭啮合的刀盘逼近加工方法,并基于该方法建立了齿轮副的三维模型;然后分析了安装误差和齿距偏差对齿轮传动接触的影响,获得了误差对齿轮传动接触的影响规律;最后以减少啮入啮出冲击和边缘接触为目标,开展弧齿锥齿轮齿面修形设计。论文的主要内容如下:(1)建立了线接触弧齿锥齿轮副的加工齿面数学模型。借用课题组提出的线接触弧齿锥齿轮副齿面逼近加工方法的研究成果,给出线接触弧齿锥齿轮副的加工齿面数学模型。(2)开展了线接触弧齿锥齿轮副建模及有限元仿真分析。建立了线接触弧齿锥齿轮副三维模型,通过有限元接触仿真对齿轮副的啮合过程进行检测和分析,证明了线接触弧齿锥齿轮副模型的正确性;研究了不同载荷下的齿轮副的重合度、接触面积、大小轮转角和传动误差的变化规律,并对比了不同载荷下的齿轮啮合性能。(3)分析了误差因素对线接触弧齿锥齿轮传动接触的影响。建立了含机床调整参数误差的线接触弧齿锥齿轮副三维模型,研究了机床调整参数误差对齿轮传动接触的影响;基于齿形拓扑无误差的条件,分析了不同精度等级的大小轮轴线误差、轴间距偏差和齿距偏差对齿轮啮合传动的影响,获得了线接触弧齿锥齿轮副受误差影响的啮合规律,为齿面修形设计提供理论依据。(4)开展了线接触弧齿锥齿轮齿面修形设计。针对齿轮副啮合过程中出现啮入啮出冲击以及边缘接触的问题,提出了一种线接触弧齿锥齿轮修形方法。将与大轮齿面完全共轭的小轮齿面作为基准齿面,对小轮齿面进行修形设计。首先确定了齿面修形特征点,研究了特征点修形量的确定方法;然后确定了齿面修形区域,采用二次多项式确定了修形区域的修形量。最后通过算例验证了修形弧齿锥齿轮副的最大接触应力明显下降。

关键词： 齿轮弯曲疲劳试验   硬度   残余应力   疲劳性能   性能预测  

摘要： 课题来源于国家重点研发计划项目“高性能齿轮动态服役特性及基础试验”(项目号:2018YFB2001300)及重庆市技术创新与应用发展专项“高性能齿轮制造流程性能调控研发及应用”(项目号:cstc2019jscx-mbdx X0006)。齿轮是机械传动系统中应用最广泛的重要部件之一。随着航空附件机匣、风电齿轮箱、舰船、特种车辆、新能源汽车、工程机械等整机装备对传动系统功率密度、承载能力和可靠性的需求不断提高,齿轮的弯曲疲劳问题日益严重,成为制约高端装备服役性能与可靠性的重要瓶颈。大量试验和理论研究表明硬度和残余应力是决定齿轮弯曲疲劳性能的重要参量。开展高性能齿轮设计制造提升齿轮硬度和残余应力变得愈发关键,渗碳使齿轮表层具有高硬度和耐磨性,而芯部保持韧性和塑性,已经成为当今重载齿轮的工艺标配,同时喷丸处理能够为齿轮引入较高残余压应力,已经成为典型的表面强化工艺。目前渗碳、喷丸强化等工艺引入的硬度和残余应力与齿轮弯曲疲劳性能之间的关联规律不明确,导致齿轮加工工艺选择依赖经验,齿轮抗疲劳定量主动设计严重缺乏科学依据。因此本文开展考虑硬度与残余应力的齿轮弯曲疲劳试验与性能预测研究,探究硬度、残余应力等表面完整性参数与齿轮弯曲疲劳性能之间的关联规律,为齿轮抗疲劳定量主动设计提供理论和数据支撑,具有重要的科学价值和工程意义。本文制备不同工艺状态的18Cr Ni Mo7-6试验齿轮,开展齿根表面完整性参数表征测试,并以升降法和成组法相结合的方式获取不同表面完整性状态齿轮的弯曲疲劳极限和S-N曲线,建立考虑齿根表面硬度和表面残余应力的齿轮弯曲疲劳极限和S-N曲线预测公式,为齿轮抗疲劳定量主动设计提供技术支撑。论文主要研究内容如下:(1)制备不同工艺状态的18Cr Ni Mo7-6试验齿轮,构建齿轮表面完整性参数表征体系,制定齿轮弯曲疲劳试验方案,开展表面完整参数表征测试和齿轮弯曲疲劳试验。通过对18Cr Ni Mo7-6齿轮进行不同喷丸工艺处理,获取不同工艺状态下齿根表面完整性状态以及不同表面完整性状态下的齿轮弯曲疲劳极限与S-N曲线,为研究齿根硬度和残余应力与齿轮弯曲疲劳性能之间的关联规律提供基础数据;(2)研究加工工艺对齿根表面硬度和表面残余应力的影响。结果表明,喷丸强化能够显著提升渗碳硬化齿轮齿根表面硬度和表面残余应力,齿根表面硬度提升8.9%～22.7%,提升幅值为61～136 HV,齿根表面硬度值最大值达759 HV;齿根表面残余应力提升24.7%～29.9%,提升幅值为153～189 MPa,齿根残余压应力最大值达-914 MPa;(3)分析齿根表面硬度和表面残余应力对齿轮弯曲疲劳性能的影响。由于喷丸处理引起齿根表面硬度和表面残余应力状态的改善,18Cr Ni Mo7-6齿轮的弯曲疲劳极限提升6.3%～31.1%,提升幅值39～143 MPa,齿轮弯曲疲劳极限最大值达663MPa,相比ISO 6336-5标准中MQ级渗碳钢弯曲疲劳极限推荐值500 MPa提升32.6%,同时齿轮弯曲疲劳S-N曲线变平缓,齿轮抗疲劳性能得到提升;(4)探究齿根表面硬度和表面残余应力与齿轮弯曲疲劳性能之间的关联规律。建立考虑齿根表面硬度与表面残余应力的齿轮弯曲疲劳极限预测公式,绘制齿轮弯曲疲劳极限预测云图,预测结果与试验结果相比误差不超过7.53%;建立考虑齿根表面硬度与表面残余应力的齿轮弯曲疲劳S-N曲线预测公式,弯曲疲劳寿命预测结果与试验结果相比误差不超过3倍误差带。

关键词： 啮合刚度计算   动力学模型   生成对抗网络   样本不足   故障诊断  

摘要： 齿轮是旋转机械中最常见的部件之一,被广泛应用于汽车、风力发电机、高铁等重要机械设备中。在实际工业生产中,齿轮在重载、复杂的环境下运行,会产生裂纹、断齿、剥落、点蚀等故障,这些故障可能造成设备质量问题甚至引发严重的安全事故。因此,开展齿轮故障机理以及齿轮故障诊断方法研究具有重要意义。由于在实际生产中采集的齿轮故障信号样本具有不均衡特性、且故障类型单一,再加上噪声的干扰以及传统深度学习网络模型自身的缺陷,势必造成故障识别率低和原始生成式对抗网络易发生模式坍塌等问题。因此,亟需建立齿轮系统动力学模型,揭示齿轮故障振动机理;同时构建深度学习智能诊断模型,实现在小样本条件下对故障模式进行准确分类,为丰富齿轮故障诊断手段提供坚实的理论依据及方法支撑。本文以二级减速齿轮箱为研究对象,在研究直齿圆柱齿轮时变啮合刚度的基础上,建立了含齿面剥落缺陷与齿根裂纹缺陷的齿轮啮合刚度计算模型,分析了不同尺寸缺陷对时变啮合刚度的影响规律。同时建立六自由度齿轮系统动力学模型,探明故障对齿轮系统动态响应特性的影响,并通过试验数据验证了模型的正确性。另基于混合生成式对抗网络（Mixture generative adversarial nets,MGAN）和卷积神经网络（Convolutional neural networks,CNN）实现在小样本条件下对齿轮故障进行准确识别。主要研究内容如下:（1）基于能量法、赫兹接触理论等,建立包含正常齿轮、剥落缺陷、齿根裂纹缺陷的时变啮合刚度模型,厘清不同故障类型、故障尺寸对啮合刚度的影响规律;（2）建立六自由度齿轮系统动力学模型,利用Runge-Kutta法求解出包含正常、剥落、裂纹故障的齿轮动态响应,探明不同故障尺寸对系统动态响应特性的影响规律。并搭建齿轮故障诊断试验台,将试验数据与仿真数据进行对比分析,验证模型的正确性;（3）提出基于MGAN与CNN的齿轮箱智能诊断方法,将真实齿轮信号经形态学滤波处理后通过时频变换技术转变为时频信号,利用MGAN网络合成新样本来获得一个充足数据集,克服样本不足的问题;同时,分析MGAN网络主要参数对合成样本质量的影响规律;采用充足数据集训练CNN进行故障诊断,有效提高故障诊断率。为实现齿轮箱典型故障提取及智能识别提供新的研究思路。

关键词： 齿轮磨损   油液监测   特征提取   故障诊断  

摘要： 随着重大装备智能化升级的推进,装备智能运维方面的需求加剧。齿轮作为机械装备的关键零部件,齿轮磨损是其失效的主要诱因,目前的监测手段中传感器无法对齿轮表面的磨损损伤进行监测,因此现在对齿轮进行故障诊断和故障监测仍主要依靠油液分析方法及振动监测手段。但是,单独使用油液分析或振动监测方法存在监测信息不全面,监测效率低下,故障特征不敏感等问题。为此,本文以齿轮磨损损伤在线监测为研究对象,通过在线获取的油液-振动多源多维监测数据,基于深度学习理论,开展齿轮磨损损伤油液-振动在线智能监测方法研究,主要研究内容包括:(1)为了深入分析与解读油液和振动信号,对齿轮常见故障形式,齿轮磨损类型和磨粒种类进行了解读,介绍了齿轮故障过程中产生异常振动的机理,该研究为油液-振动监测数据的分析与特征提取提供了理论基础。(2)开展润滑油中磨损磨粒信息感知与特征提取方法研究。针对在线铁谱技术获取的谱片图像背景复杂、磨损磨粒识别难度大的问题,提出基于yolov5模型的多目标齿轮磨损磨粒识别方法,该方法可以对正常磨损磨粒,疲劳磨损磨粒,滑动磨损磨粒,球形磨粒,氧化磨损磨粒,切削磨损磨粒等6种磨损磨粒进行自动识别,其m AP达77.6%,为不同类型磨损磨粒的识别与统计提供了途径。(3)针对油液单源监测数据故障信息不足的问题,开展基于油液-振动多源异构监测数据的智能监测方法研究。基于油液-振动多源异构监测数据,提取异常磨粒个数、磨粒总个数与磨粒浓度3维度油液指标和14维振动信号特征指标,构建多维度特征指标体系,基于LSTM神经网络对齿轮磨损不同阶段进行监测和评估,通过不同磨损阶段的样本数据验证了本文提出方法的可行性。(4)为了进一步验证本文提出方法,开展约150个小时的齿轮全寿命周期磨损加速试验研究,在线获取5460组油液和振动监测数据。本文提出方法处理结果表明:由于具有互补优势的油液-振动监测数据,对齿轮磨损损伤运行状态的监测精度可达83.68%,明显高于单源监测数据集上LSTM模型预测的结果。本研究为齿轮磨损损伤监测提供了理论基础,对保障齿轮传动系统的安全、高效、长寿命运行,避免过维修和欠维修导致不必要的资源浪费和经济损失具有重要意义。

关键词： 柔轮齿圈变形   配合间隙   椭圆凸轮   有限元分析   三坐标测量机  

摘要： 谐波齿轮减速器具有传动比大、体积小、传动精度高等优点,被广泛应用于工业机器人、精密机床、航空航天等精密传动领域。柔轮是谐波齿轮的核心部件,其齿圈装配变形是齿廓设计和啮合分析的基础。因此柔轮齿圈的装配变形成为谐波齿轮的研究重点。柔轮齿圈的设计公差、加工误差、周向伸长和柔性轴承游隙都会严重影响齿圈变形。本文对现有齿圈变形模型进行改进,提出柔轮齿圈变形和内力的接触力学模型及计算方法。为适应大变形特征,以双滚轮波发生器为例,推导基于一阶变形后内力的应变能,提出求解柔轮齿圈变形和内力的改进方法。建立柔轮齿圈有限元模型,对不同变形量下齿圈的内力和变形进行求解,验证改进方法和圆环理论。研究表明:改进方法结果比圆环理论和有限元小变形结果更接近有限元大变形结果。以椭圆凸轮波发生器为例,考虑柔轮内壁与波发生器外圈间隙和柔性轴承游隙引起的配合间隙与齿圈中面伸长,建立柔轮齿圈变形的接触力学模型。引入变形后包角为未知参数,将变形后柔轮齿圈中线划分为接触区和非接触区。接触区齿圈中线用椭圆等距线表示。将非接触区处理为固定在包角处的悬臂曲梁,运用能量法迭代求解包角、非接触段变形与内力。建立并求解不同配合间隙下的壳单元柔轮齿圈有限元模型,验证理论结果和轮齿定位偏差。研究表明:考虑配合间隙参数的齿圈变形接触力学模型,可获得更准确的齿圈变形、内力以及轮齿定位。在柔轮齿圈平面变形的基础上,利用直母线假定推导柔轮齿圈空间变形公式。建立包含凸轮-柔性轴承-柔轮的有限元接触模型,进行大变形求解。获取齿圈母线的变形数据,对比验证理论结果。利用三坐标测量机对柔轮齿圈的装配变形开展实验测量,获得沿齿圈轴向不同截面的空间离散点,进行曲线拟合。与理论结果、有限元结果对比分析,揭示柔轮齿圈的空间变形特征。研究表明:考虑配合间隙参数的理论结果和有限元仿真结果,与测试数据具有良好的一致性。

关键词： 同心磁齿轮   电流调制   结构设计   转矩提升  

摘要： 同心磁齿轮基于磁场调制原理工作,通过调制块对磁齿轮内外转子永磁体产生的磁场进行调制,分别在各自的气隙侧产生与对侧气隙磁场同极同步的谐波,使得内外气隙磁场可以有效耦合从而产生稳定的磁力转矩,磁齿轮得以实现变速传动功能。与早期的磁齿轮相比,同心磁齿轮具有永磁体利用率高、转矩密度大等明显的优势,优越的转矩性能使得同心磁齿轮拥有着广阔的应用前景。在众多具有改进结构的同心磁齿轮中,近年来出现的旋转调制型同心磁齿轮使转矩密度得到大幅度的提升,但同时也存在着摩擦损耗高、效率低、永磁体耗量大这一系列新的问题。本文提出一种电流调制型同心磁齿轮结构,在解决旋转调制型同心磁齿轮存在的上述问题的同时,最大程度地保留其高转矩密度的特点,所做的主要工作如下。阐述了电流调制型同心磁齿轮的工作原理,电流调制型同心磁齿轮的调制块采用开槽的圆形硅钢片叠压而成,槽中放置两套轴线正交的绕组,经过对磁齿轮气隙径向磁密的分析,说明电流调制块具有增强调制效果的作用,正因如此,电流调制块结构大幅提升了同心磁齿轮的转矩密度。以一个具体的电流调制型同心磁齿轮模型为例,介绍了采用BFGS算法和有限元相结合的技术计算调制块合成磁动势方向和确定调制块双轴绕组电流的方法,以此方法计算了磁力转矩随时间的变化曲线,得到了稳定的转矩传递和转矩脉动值,验证了该类磁齿轮运行原理的可行性。将电流调制型同心磁齿轮的磁力转矩与纯硅钢片调制型同心磁齿轮的磁力转矩相比较,证明了其转矩提升能力。随后对电流调制型同心磁齿轮内转子的永磁体布置方式、调制块结构以及调制块绕组的布置方式三方面进行改进,得到一种能够使转矩提升最大化的结构设计方案。进一步对该设计方案下的电流调制块绕组电流波形进行优化,降低其利用电力电子设备生成调制块绕组电流波形的难度。

关键词： 齿轮传动   公差分析   公差规范   侧隙   雅可比旋量模型  

摘要： 齿轮传动具有效率高、传动比准确、结构紧凑等特点,其作为机械传动中应用最广泛的传动机构之一,广泛应用于各种机械设备中。齿轮传动系统主要包括齿轮、轴、轴承及箱体,这些零件的几何量误差通过累积传递,严重影响齿轮传动系统的性能,如果不通过公差进行合理的控制将导致传动准确性不足、齿轮强度不足、轴承寿命不足、振动及异响等问题。因此,针对齿轮传动系统进行合理的公差分析是非常重要的,受到行业关注。但当前关于齿轮传动系统的公差设计主要以经验设计为主,且未全面系统的考虑新一代的GPS标准体系。针对上述问题,本文基于新一代GPS标准体系,从系统的功能出发,针对直齿圆柱齿轮传动系统进行了公差规范和公差分析,主要研究内容如下。针对直齿圆柱齿轮传动系统进行了系统的功能分析,进而确定了影响功能的几何功能需求。对于齿轮传动来说,几何功能需求包括齿轮所在的两根轴的轴线的中心距及平行度、齿轮侧隙。然后基于新一代GPS标准体系,针对齿轮、阶梯轴、箱体进行了公差规范,获得各关键零件的功能公差。针对齿轮传动系统中的复杂平行链问题,对现有的改进的雅可比旋量模型进行了进一步改进,使其适用于基于新一代GPS标准体系建立的公差规范。首先给出现有的改进的雅可比旋量模型的缺陷和不足,然后对旋量表达模型进行了优化,根据基准体系对平行尺寸链进行分类后,依次确定不同基准体系下旋量模型建立的方法;随后进行平行链中雅可比矩阵的确定,使其能够传递更加全面的偏差。基于进一步改进的雅可比旋量模型对直齿圆柱齿轮传动系统的公差规范进行了公差分析。以齿轮轴线的相互位置度为几何功能需求,沿着公差分析方向建立尺寸链,同时解决了箱体孔的复杂位置度的耦合问题,随后将公差数值代入进一步改进的雅可比旋量模型,得到关键特征的偏差与功能之间的公差分析模型,并进行了贡献度分析。在基于进一步改进的雅可比旋量模型对齿轮轴线间的位置度进行的公差分析结果的基础上,建立了以侧隙为几何功能需求的公差分析模型。分析了传统方法中侧隙计算的缺陷,将齿厚偏差模型与指向齿轮轴线的相互位置度的公差分析结果引入模型,最终得到法向侧隙的范围及各公差贡献度。

关键词： 微型齿轮机构   载荷谱   磨损失效   跑合   随机振动  

摘要： 齿轮机构作为工程应用中最常用的传动机构,其中分度圆小于10 mm齿轮机构被定义为微型齿轮机构,具有传动效率高,结构紧凑等优点而广泛应用于各个工程领域中,例如航天工业、车辆工程,精密仪器仪表制造等。其磨损往往会影响工程应用的效果,本文研究了微型齿轮机构在服役环境下的磨损行为,并运用摩擦学方法提升其服役耐久性,主要研究内容如下:(1)通过载荷谱特征分析对微型齿轮机构进行故障诊断通过测试微型齿轮机构在经历随机振动环境的摩擦磨损后的载荷谱,发现关键摩擦副的摩擦磨损程度很大程度上决定了载荷谱的变化以及微型齿轮机构的延时时间大小。(2)对微型齿轮机构进行摩擦学优化设计研究根据微型齿轮机构关键摩擦副的摩擦磨损机理,运用摩擦学方法对其进行优化。替换了相关摩擦副的材料增加了硬度以及其自润滑性,有效抑制了表界面的磨粒磨损;装配了滚动轴承将接触形式由滑动变为滚动。优化前后的微型齿轮机构在同一随机振动环境下进行试验,证明了优化措施的有效性。(3)运用正交试验法对微型齿轮机构进行最优跑合方法研究设计正交试验研究了振动时间、OX方向的随机振动能量以及OZ方向的随机振动能量在不同水平时对微型齿轮机构跑合效果的影响规律,并得到最优的参数组合作为最优的跑合方法。

关键词： 核电齿轮箱   润滑流场   啮合刚度   载荷特性   热弹流润滑  

摘要： 核电的安全开发是国家综合实力的集中体现。核电循环水泵齿轮箱是输送冷却水核心设备,通过其传动过程降低核反应堆运行温度。国内大功率核电齿轮箱时变可靠性设计能力不足,关键零部件不能满足使用需求,因此,准确评估核电齿轮箱的传动性能、探索核电齿轮箱平稳运行的设计方案对提升核电装备国产化水平、保障国家能源安全具有重大和深远的意义。本文以核电齿轮箱内部立式行星齿轮传动系统为对象,研究了齿轮箱润滑参数对内部流场的数值结果和分布状态的影响,建立了考虑传递误差的内、外斜齿轮啮合副啮合刚度和载荷分配计算模型,分析了行星轮系齿面热弹流润滑完全数值解。具体研究内容如下:(1)简化了核电齿轮箱内对润滑流场影响较小的结构,采用移动粒子半隐式方法建立了核电齿轮箱喷油润滑的流场分析模型,研究了箱体内部油液粒子的运动趋势与分布状态。结果表明:内、外啮合区域及齿轮箱内部均匀分布着油液粒子,高速粒子主要集中于外啮合区域,低速粒子主要分布在齿圈表面以及内啮合区域,同时分析了喷油角度和供油压力对润滑流场结果的影响。(2)建立了考虑内、外啮合斜齿轮传递误差的啮合刚度和载荷分配非线性解析模型,对比有限元仿真结果验证了模型的有效性,并基于模型分析了啮合周期内载荷的分配特性,结果表明载荷沿啮合线方向不是均匀分布,而是与螺旋角、齿宽以及导程等参数有关,并研究了齿顶修形长度、修缘量以及负载扭矩对斜齿轮相关啮合参数的作用。(3)将行星轮齿轮副啮合问题等效为圆锥滚子的接触问题,建立了典型工况下考虑热效应的弹性流体动力润滑模型,计算得到斜齿轮接触域各点的卷吸速度、曲率半径以及滑滚比等参数的变化趋势,获得各节点的膜厚、油膜压力、剪切力和温升分布曲线,利用移动平均滤波方法考虑齿面由于磨合作用造成的形貌变化,研究了齿轮表面形貌对斜齿轮弹流润滑数值解的影响。

关键词： 空气涡轮起动机   齿轮   剩余寿命预测   注意力机制   长短期记忆网络  

摘要： 空气涡轮起动机(Air Turbine Starter,ATS)是民用飞机发动机起动系统的核心,而齿轮作为ATS中关键的动力传动元件,平稳实现机械功率传递是ATS可靠运行的前提条件。由于ATS齿轮长期在复杂工况下工作,其发生故障的概率很大,因此对ATS齿轮进行精确的剩余寿命(Remaining Useful Life,RUL)预测,进而制定科学的视情维修方案具有重要的工程意义和理论意义。本文主要完成的研究工作如下:首先,研究ATS物理结构及齿轮的常见故障模式。对ATS的物理结构和起动原理进行深入分析,重点研究了ATS齿轮的常见失效模式,为后续开展ATS齿轮RUL预测研究奠定基础。其次,提出了一种注意力机制引导的长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)模型,实现对ATS齿轮剩余寿命的精确预测。在对齿轮振动信号深入分析的基础上,筛选出最能反映其运行状况的4种时域特征,即均方根、峭度、方差和裕度指标来构建新的数据集并作为RUL预测网络的输入。RUL预测网络以LSTM为基础,引入两个注意力层构建起剩余寿命预测模型,其中,第一个引入的自注意力层设置在LSTM层之前,用来改善输入权重;第二个引入的注意力层设置在LSTM层之后,用以改善LSTM不同时刻输出结果的权重,从而提高ATS齿轮剩余寿命预测的精确性。最后,开展了实验验证和评估测试。设计了ATS齿轮全寿命加速疲劳实验环境,配置软硬件条件,对齿轮进行加速疲劳实验。通过齿轮信息管理和数据采集系统,设置合适的采样频率和采样持续时长,完成了四组齿轮加速疲劳实验。利用获取的数据对所提方法进行性能验证,并设置对比实验,实验结果表明,所提出的ATS齿轮RUL预测网络性能满足要求。