关键词： 齿轮传动   机动飞行状态   内源激励   振动特性   动应力  

摘要： 齿轮传动具有高功率密度、高承载能力、运行平稳等特性在航空航天、汽车和船舶等领域运用广泛,其性能优劣是衡量航空航天等产品水平高低的重要因素。然而航空齿轮传动系统随机体进行复杂机动飞行运动,与地面固定器械齿轮系统服役条件和受力特性不同,在机动飞行非惯性系状态下各部件承受着不可忽略的附加效应影响;同时在高速重载、高温高空等恶劣工作环境下,航空齿轮传动系统承受着强耦合非线性时变内外部激励作用,是造成其动力学问题突出主要原因之一,故亟需开展机动飞行状态下齿轮内源激励作用规律与动态特性研究。本文以某型航空飞行器中齿轮传动系统为研究对象,推导广义坐标系任意机动飞行条件下齿轮传动系统运动学方程,建立计及机动飞行状态附加效应的齿轮-轴承-机匣耦合动力学模型,研究了典型机动飞行状态下(变速平飞及盘旋机动)齿轮传动系统的内源激励作用规律、振动位移及动态应力特性。主要研究内容如下:1)利用超单元缩聚法建立了惯性坐标系下齿轮轴系、机匣模型,推导了广义坐标系任意位姿下齿轮系统各部件附加惯性力、重力、陀螺力矩解析表达式,通过齿轮啮合、轴承连接单元有序组装齿轮系统模型,并计入齿轮时变啮合刚度、传动误差及附加惯性载荷建立机动飞行状态下齿轮传动系统耦合动力学模型。2)建立了机动飞行状态下齿轮传动系统力学模型及修正啮合刚度、传动误差计算模型,分析了典型机动状态不同机动参数下齿轮系统轴承力、轮齿受力和轴系动态偏移的变化趋势,进而研究其对齿轮时变啮合刚度和时变传动误差内源激励作用规律,并讨论了典型机动条件下系统负载转矩、支撑刚度变化对齿轮内源激励特性影响。3)针对不同齿轮线速度下各特征参数(振动加速度、振动速度、振动位移)所反映系统振动特性进行了分类,据此分析了典型机动飞行状态稳态及非稳态工况下齿轮系统振动位移响应变化规律;研究了不同机动飞行参数及系统不同边界条件下对齿轮副齿面最大赫兹接触应力、齿轮轴系Mises等效应力的影响规律;同时设计了可模拟盘旋机动状态下齿轮传动系统动态特性试验及测试方案,为航空飞行器机动飞行条件下振动噪声控制及疲劳寿命、可靠性设计提供了理论基础。

关键词： 行星齿轮系统   分岔   动载荷   动力学   仿真  

摘要： 行星齿轮系统在众多领域受到广泛应用,二级行星齿轮系统相较于单级行星齿轮系统,其传动效率更高,可以实现较大的增速与减速传动,有着更好的承载能力。但由于其结构更为复杂,两级行星排之间相互耦合,在系统中许多非线性因素的影响下,其动力学特性也相互影响,必然会使得每一级行星齿轮系统中受到的冲击与噪声更为复杂与严重。因此通过分析不同参数对齿轮系统周期特性、载荷特性的影响以及参数之间的关联关系,有利于提高系统传动的平稳性、减少系统受到的冲击与噪声。本文首先建立了二级行星齿轮的实际模型,其次,分别建立了二级纯扭转行星齿轮系统和二级平移-扭转行星齿轮系统的动力学模型,在考虑众多非线性因素的基础上得到系统的运动微分方程,利用C语言编程并用四阶变步长Runge-Kutta法求得微分方程的数值解,通过绘制在参数Ω(1)、ξ1、km、ko、ea、T1等影响下系统的三维分岔图、最大动载图、分岔图、相图、Poincaré映射图等来分析齿轮的周期特性、载荷特性等非线性特性。通过对二级纯扭转行星齿轮系统的研究分析表明,在系统激励频率的变化范围内,系统大多呈现周期1和周期2的运动,其在中频区的啮合运动最为简单,只呈现周期1运动,但在中频区系统的最大动载系数经历最明显的增加,系统的低频和高频区分别有相对应混沌区的出现,且在低频由周期1运动变为周期2以及进入混沌区时经历明显的“跳跃”行为,由混沌变为周期1的过程同时伴随周期16、周期8、周期4、周期2运动的出现,高频混沌区前后同样经历数次连续的倍化与逆倍化分岔,呈现多种周期共存的现象;对于二级平移-扭转行星齿轮系统而言,其啮合特性和动载特性与纯扭转行星齿轮系统大致相似,但低频周期2前的“跳跃”现象与混沌区前的周期4运动消失,低频和高频由混沌通往周期的过程中均有概周期的出现,且在高频区经历更多次的倍化,在区间内出现更多种周期。其他参数值的改变均对系统动力学产生不同程度的影响,尤其ξ1和ea的变化对系统动力学特性的影响最为显著,且二级纯扭转行星齿轮传动系统和二级平移-扭转行星齿轮传动系统在相同控制参数下具有相似的非线性动态特性。通过对各参数影响下齿轮系统动态特性的分析,有利于设计出更高性能的齿轮传动系统。

关键词： 齿轮   虚拟测量   传动误差   切向综合偏差  

摘要： 齿轮是现代工业中应用非常广泛的零部件,被广泛应用在航空航天、汽车、风力发电、高铁等领域,被看作现代工业的象征镶嵌在国徽上。齿轮的质量直接决定其主机性能的各项指标,包括振动噪声、传动精度、可靠性和疲劳寿命等。齿轮质量检测向上可以调控齿轮的加工,向下可以决定齿轮的传动质量,对齿轮误差的定量分析是人们研究齿轮的重要手段。齿轮测量中心是当前应用最为广泛的齿轮测量仪器,可以测量齿面的单项偏差。但是齿轮测量中心不能测量齿轮的综合偏差,然而齿轮传动误差是反映齿轮传动性能的重要指标,它符合齿轮实际使用时齿轮的啮合过程。齿轮单面啮合综合测量仪(简称单啮仪),是测量齿轮传动误差的专用仪器,但是使用单啮仪测量齿轮对轴系的要求极高,同时这种方法对极大模数齿轮和极小模数齿轮的传动误差难以测量。从单项偏差获得传动误差,这个思路是齿轮测量发展的重要方向。本文提出了一种基于光学传感器获取的齿轮点云数据计算齿轮传动误差的虚拟测量方法,该方法根据齿轮啮合原理,提出了离散点云齿面接触的判断方法。通过分析了单齿啮合过程和多齿啮合过程,计算了齿轮传动误差。通过与齿轮接触分析理论仿真对比,并进行齿轮实际测量实验,验证了本文提出的虚拟测量方法的可行性。本文的主要研究内容如下:(1)提出了测量齿轮切向综合偏差的新方法。即在计算机上模拟产品齿轮与理论齿轮啮合,计算齿轮的切向综合偏差。该方法采用最小转角法,建立齿轮表面点云数据与理论齿面的接触模型。使用该方法可以获得啮入时的顶刃啮合阶段、渐开线齿廓啮合阶段、啮出时的顶刃啮合阶段的切向综合偏差曲线。只要获得齿轮表面的三维点云数据,便可在计算机中模拟齿轮的单啮测量过程,获得齿轮的切向综合偏差曲线。(2)提出了测量齿轮副传动误差的新方法。即在计算机上模拟产品齿轮与产品齿轮啮合,计算齿轮副传动误差。该方法采用插值法构建误差齿面模型,建立了主动轮齿面点云数据和从动轮齿面点云数据的接触模型。通过主动轮和从动轮齿面的点云数据,便可在计算机中模拟产品齿轮的传动过程,获得齿轮副传动误差曲线。该方法可以预测产品齿轮的传动特性,为齿轮配对作指导。(3)设计齿轮传动误差虚拟测量软件。在建立切向综合偏差虚拟测量模型和齿轮副传动误差虚拟测量模型的基础上,开发了齿轮传动误差虚拟测量软件。该软件提供了一种新的齿轮传动误差获取方法。通过把齿轮表面的点云数据输入该软件,便可获得齿轮的传动误差曲线。使用该软件计算获得齿轮传动误差曲线可提高效率、降低成本。

关键词： 热弹耦合   行星传动齿轮   齿廓修形   齿向修形   本体温度场   采煤机摇臂  

摘要： 随着采煤机械化迅猛发展,我国煤炭年产量不断创出新高,各大矿区薄煤层占比增加,市场需要高功率密度、高可靠性、高效率的较薄煤层采煤机。摇臂行星传动齿轮作为采煤机末端关键传动部件,其整体的温升、传动准确性、平稳性、载荷分布均匀性等方面,严重制约高功率密度采煤机的高效开采。基于传统弹性力学进行的齿轮修形,不能有效改善高功率密度摇臂传动性能。因此需要在弹性力学基础上,充分考虑齿轮传动的热效应影响,采用理论数值计算、有限元仿真分析相结合的方法,基于齿轮啮合原理、赫兹接触应力、振动模态分析、石川刚度模型、热力学、静力学等基础理论,系统研究行星传动齿轮的接触载荷、啮合刚度、本体温度场、热弹耦合接触啮合的静态特性,基于热弹耦合接触变形设计出精细化的修形方案。本文的主要研究内容总结如下:(1)在三维绘图软件中建立了摇臂行星传动齿轮系统的参数化模型,对实际啮合曲线进行坐标归一化处理,分别运用赫兹接触理论和有限元仿真分析的方法,得到了啮合齿轮副接触应力分布规律;基于石川模型当量齿形法,探究一对齿轮副的柔度、啮合刚度分布规律,为本体温度场载荷边界求解奠定基础。(2)利用数值解析法,基于热力学分析,建立了齿轮啮合传动本体温度场的精确模型,研究了各因素对温度场的影响,绘制平均热流密度、各部分对流换热系数分布曲线。运用有限元分析的方法,得到了齿轮热平衡的本体温度,沿啮合曲线呈现“凸型”分布,齿宽方向温度梯度变化较大,得到热弹顺序耦合的载荷边界条件。(3)在建立齿轮本体稳态温度模型基础上,通过有限元仿真分析的方法,分别研究了纯弹性分析、热弹耦合接触分析时,齿轮的Von Mises应力和变形的规律,验证了对行星传动齿轮进行热弹耦合分析研究的必要性。(4)阐述了直齿轮齿廓、齿向修形原理和修形公式,简单介绍了基于传统经验公式的齿廓和齿端修薄设计。重点基于热弹耦合接触分析,综合考虑行星传动齿轮啮合特性,进行齿廓修形和鼓形修形设计,得到符合实际工况的修形曲线。(5)通过选取4类修形设计检验指标,对三种修形设计方案进行数值计算和有限元仿真分析,验证了本文提出的基于热弹耦合接触分析的修形设计,优于基于传统经验公式的粗修形设计,显著优于不采取修形的设计。热弹耦合修形设计,可以为今后行星齿轮修形提供理论指导和技术支撑。

关键词： 微粒子喷丸   齿轮   分形理论   法向接触刚度   法向接触阻尼  

摘要： 微粒子喷丸作为高性能齿轮制造的关键技术之一,准确地分析其对齿轮法向接触刚度及法向接触阻尼等接触特性的影响规律是研究齿轮动力学及齿轮精密制造的重要课题。本文以微粒子喷丸齿轮为研究对象,开展微粒子喷丸对齿轮表面性能及微观形貌分形特性的研究,建立精确的齿轮法向接触刚度及法向接触阻尼模型,探究微粒子喷丸对齿轮法向接触刚度及接触阻尼的影响规律,并通过实验验证模型准确性。本文通过控制不同喷丸压强对齿轮表面进行微粒子喷丸强化,对微粒子喷丸前后齿轮表面性能及微观形貌进行详细分析,结果表明,相较于未喷丸齿轮,微粒子喷丸齿轮表面残余压应力大于1000MPa,齿形精度最大误差不超过1μm,齿向精度最大误差不超过2.5μm,有效解决了残余应力与齿轮变形之间的矛盾,同时降低了齿面粗糙度,提高了齿面硬度。采用W-M分形函数模拟表征了微粒子喷丸齿面轮廓形状。通过对微凸体弹性、弹塑性以及完全塑性变形阶段的力学分析,采用对数变换法缩小Hermite三次多项式插值函数的插值区间,构建出微凸体弹塑性变形阶段力学模型,实现微凸体法向接触载荷在三个变形阶段连续且光滑,进而推导出具有连续光滑特性的齿面法向接触刚度模型。采用区域划分思想,将弹塑性变形阶段按照变形量大小划分为两个区域,分别计算分析了微凸体在弹性、弹塑性以及完全塑性三个变形阶段产生的能量存储及能量耗散,建立了考虑弹塑性变形的齿面法向接触阻尼模型,并进一步得到了阻尼损耗因子和法向接触阻尼随截断接触面积变化的解析模型。仿真分析了分形参数、材料硬度、表面接触系数等参数对法向接触刚度和法向接触阻尼的影响规律,进一步得到了不同微粒子喷丸压强下齿轮法向接触刚度及法向接触阻尼变化趋势。结果表明,微粒子喷丸能够提高齿轮法向接触刚度及阻尼,且随着喷丸压强的增大,法向接触刚度及阻尼呈现减小趋势,表明微观形貌对齿轮接触特性具有重要影响。采用锤击法模态分析实验,得到实验样件在不同螺钉预紧力矩下的固有频率,根据固有频率与刚度及阻尼的关系,得到实验的接触刚度及接触阻尼,并与模型预测值进行对比。结果表明,本文法向接触刚度及阻尼模型变化规律与实验所得变化规律基本一致,最大误差小于12%。

关键词： 准双曲面-斜齿轮系统   浸油流场   温度场   动力学   振动特性  

摘要： 准双曲面-斜齿轮系统由于其紧凑的偏置结构和优越的负载能力,在各类重载传动装备中应用广泛。齿轮系统长时间运行时啮合位置摩擦热流较大,将引发系统温升并改变装备使役条件,致使内部动态激励复杂变化,并最终影响装备振动特性。因此,在齿轮系统热流耦合分析基础上,开展计入温度影响下的准双曲面-斜齿轮系统振动特性研究对理论设计和工程实践有着重要的参考价值。本文以某型重载扶梯减速器为研究对象,开展准双曲面-斜齿轮系统浸油润滑流场仿真、对流换热特性分析、稳态温度场计算、计入温度影响的动态激励表征、齿轮箱振动响应预估及试验等研究。论文的主要研究工作如下:(1)基于齿面移动法建立准双曲面-斜齿轮系统浸油润滑流场瞬态仿真模型,分析不同时刻传动系统油气比例分布情况,提取各关键位置对流换热系数,研究流场分布与对流换热特性关联关系,研讨浸油深度对系统对流换热特性影响规律。(2)综合考虑齿轮加工方式、基本设计参数、机床调整参数等推导某HGM准双曲面齿轮齿面及过渡圆弧方程,基于承载接触分析得到实际啮合位置和齿面载荷分布,计算并对比准双曲面齿轮副及斜齿轮副齿面摩擦热流密度,结合浸油流场分析所得传动系统对流换热系数,求解准双曲面-斜齿轮系统稳态温度场。(3)考虑稳态温度场结果分析准双曲面-斜齿轮系统的时变啮合刚度,研究计入温度影响后系统输入功率与啮合刚度的关联关系;综合考虑各类动态激励耦合影响,基于集中参数法建立准双曲面-斜齿轮系统弯-扭-轴耦合动力学模型,明晰计入温度影响前后系统响应的变化规律。(4)针对某型重载扶梯减速器实际结构建立含准双曲面-斜齿轮系统、圆锥滚子轴承及箱体的动力学有限元分析模型,结合计入温度影响的动态激励求解各评价点振动响应,通过试验对比得出计入温度影响的仿真值与试验值更接近,在此基础上进一步阐明输入功率对重载扶梯减速器振动特性的影响规律。

关键词： 风力发电机   特征提取   故障诊断   卷积神经网络   Teager能量算子  

摘要： 目前,世界各国为了减轻常规能源的使用率,皆处于大力发展绿色能源技术的阶段。风力发电行业作为一个绿色能源领域的成功商业化案例,近年来发展迅速。双馈型风机如今在大型风电场中运用最为广泛,由于恶劣环境下风向和瞬时风力的不确定性,以及过去风电技术不成熟、运维能力差等原因,导致现役双馈风机处于故障高发期。齿轮箱作为风机传动系统的“心脏”,其健康状况将直接影响到整机的运行,而其中的行星齿轮能够影响齿轮箱的可靠性与性能。在实际工况下,双馈风机齿轮箱行星齿轮因故障而产生的振动信号,其故障频率被大量的噪声和干扰信号所淹没,为故障特征的有效提取带来了挑战。自此,将双馈风机齿轮箱行星齿轮作为研究对象。提出基于振动分析方法与神经网络方法的双馈风机齿轮箱行星齿轮故障诊断,旨在提高齿轮故障特征提取与故障智能分类的精确度。(1)针对在强噪声下识别与提取行星齿轮微弱故障特征的问题,提出一种基于群分解与Teager能量算子相结合的故障诊断方法。首先利用预先设定分解参数的群分解方法对风机齿轮箱行星齿轮信号进行自适应分解成多个振荡分量,然后计算各分量的峭度值,并选取最大峭度值的振荡分量,利用Teager能量算子对其进行解调,并对其频谱进行分析。实验结果表明,该方法可以在齿轮箱的振动信号中提取行星齿轮微弱故障特征。(2)针对行星齿轮退化状态不同时,其振动信号之间存在的差异小、识别难度大的问题,提出一种基于SWD-SVM的行星齿轮状态退化识别方法。首先将原振动信号经过具有噪声抑制与智能分解优点的SWD分解,用来解决模态混叠问题。随后选取分解后峭度值最大的振荡分量,构建维度为10的特征向量集,达到多角度对振动信号进行特征提取。然后采用适用于非线性、高维度数据分类的SVM对特征向量集进行训练与测试。在对比结果中,SWD-SVM方法的行星齿轮状态退化识别的综合识别精确度高于文中所选的对比方法,证明所提方法能够有效地解决行星齿轮状态退化识别问题。(3)针对风力发电机行星齿轮箱的健康维护和状态检测难以诊断的问题,本文提出一种初始网与膨胀卷积相融合的初始膨胀卷积神经网络(IDCNN)的故障诊断研究方法。该方法首先构建初始膨胀卷积层以扩大感受野来使学习到的故障特征更加丰富。随后为了方便信号输入信息丰富,采用将一维原始信号序列转化为二维矩阵的预处理方法。最终将生成的二维信号输入到IDCNN中进行模型训练,并用测试数据对模型进行评估。实验结果表明,提出的IDCNN方法在风力发电机行星齿轮箱的故障诊断中精度高,在对比结果中该文提出方法的诊断精度要高于传统的深度学习方法。

关键词： 弯曲疲劳   齿轮动力学   齿根应力   裂纹萌生   裂纹扩展  

摘要： 人字行星齿轮系统相较于传统齿轮传动系统,可以承受更大的传动载荷,拥有更低的啮合冲击与噪音,结构更加紧凑,满足高速、重载、大传动比与其他特殊工况的要求,被广泛应用于航空航天、风力发电、交通运输与现代军事等领域。由于人字行星齿轮系统结构复杂,工作环境恶劣,各个齿轮之间传递的动态载荷波动较大,运转过程中人字齿轮的疲劳失效不可避免。人字行星齿轮系统常见疲劳失效中,轮齿弯曲疲劳断裂所占比例最大。因此,进行人字行星齿轮系统弯曲疲劳寿命研究,有利于提高人字行星齿轮系统可靠性。本文以人字行星齿轮为研究对象,采用集中参数法建立人字行星齿轮系统动力学模型,分析人字齿轮齿根应力历程,基于局部应力应变法与损伤容限法对疲劳裂纹的萌生与扩展寿命进行建模,研究设计参数对人字行星齿轮系统弯曲疲劳寿命的影响规律。本文的具体研究内容如下:（1）利用集中参数法建立人字行星齿轮系统动力学模型,并通过人字行星齿轮系统动力学方程求解其动力学响应。基于ISO 6336-3齿根应力计算方法,对轮齿危险截面进行分析,提出了一种修正的齿根应力计算公式;采用接触线百分比法求解齿间载荷分配系数,并对其他相关参数进行计算;结合动力学模型与齿根动应力计算方法,分析人字行星齿轮系统中各齿轮的齿根动应力。（2）基于局部应力应变法建立疲劳裂纹萌生寿命模型,考虑残余应力与平均应力影响,对齿轮材料的循环应力-应变曲线与应变-寿命曲线进行修正;基于损伤容限法对疲劳裂纹扩展寿命进行建模,通过权函数法求解齿根裂纹应力强度因子,结合疲劳裂纹扩展速率模型对疲劳裂纹扩展寿命进行求解;考虑疲劳裂纹萌生与扩展全过程,建立人字行星齿轮系统弯曲疲劳全寿命预测模型。（3）根据齿根动应力计算方法对不同设计参数下的齿根动应力进行分析,采用雨流计数法处理人字齿轮的齿根动应力。在此基础之上,通过疲劳裂纹萌生寿命模型与疲劳裂纹扩展寿命模型求解人字齿轮弯曲疲劳寿命。最后,针对人字行星齿轮系统外啮合副齿轮,分析螺旋角、法面压力角与齿宽等设计参数对其弯曲疲劳寿命的影响规律。

关键词： 行星齿轮箱   SSA-VMD   1.5维谱   2.5维谱   频率耦合  

摘要： 在经济快速发展的今天,人们对可持续能源的关注到达了一个新的高度。风能因其可持续、无污染的优点得到全球国家的大量投入。风电机组的故障诊断与维修问题一直以来是一个难题,行星齿轮箱作为风电机组的核心部件,其故障发生率占整个风电机组故障发生率的60%。齿轮箱包含有齿轮、轴承、轴和箱体等部件,其中齿轮的点蚀和磨损占齿轮失效的41%。由于风电机组行星齿轮箱多安装在百米高空和海上,因此对风电机组行星齿轮箱磨损故障诊断可以预防重大事故,减少人员伤亡和经济损失。针对风电机组行星齿轮箱的磨损故障诊断,本文做了以下研究:（1）分析了齿轮磨损故障机理,基于行星轮通过效应,揭示了齿轮箱的耦合规律。（2）提出SSA-VMD的信号预处理方法,解决了模态分量个数和惩罚因子依赖人为选取的问题,使用SSA-VMD对仿真信号进行处理得到了良好的效果,利用列举法证明了SSA-VMD的寻优能力。（3）分别在实数域和复数域,通过理论推导将面向二次相位耦合的1.5维谱推广到面向二次频率耦合,证明了1.5维谱的解耦能力,提出了在复数域下1.5维谱活跃频率的概念。在更高阶次,通过理论推导将在复数域面向三次相位耦合的2.5维谱推广到面向三次频率耦合,证明了2.5维谱的解耦能力。（4）搭建了齿轮箱磨损故障全生命周期试验台,采集了齿面磨损故障数据。利用复数域下1.5维谱活跃频率理论快速实现行星齿轮箱磨损故障诊断。（5）针对磨损初期故障频率不明显较难实现故障诊断的问题,选取实验初期和实验后期的数据运用SSA-VMD结合高阶累计量一维对角切片谱的故障诊断方法分析,解耦出了故障特征频率,总结了频率耦合规律,为行星齿轮箱齿面磨损故障前期诊断以及齿面磨损状态判定提供了理论基础。