关键词： 齿轮箱   转速估计   故障诊断   动态时间规整  

摘要： 齿轮箱是用来改变转速和传递动力的常用机械设备，由于齿轮箱本身工作环境恶劣，故容易受到损伤和出现故障：而其中的关键零部件如齿轮、轴承等加工工艺复杂，装配精度要求高，故障率较高，是诱发机器故障的重要原因。齿轮箱在正常运转中常常伴随着转速波动，传统的频域分析方法会出现难以辨识的频谱模糊现象而难以诊断故障，即使维持匀速运转的齿轮箱也会因为恶劣的工作环境，随着时间推移经常出现不稳定的小幅转速波动，在增加故障发生概率的同时，也严重影响了机械装备的精度和可靠性，并且很多工程实际机械装备未安装转速计无法实时准确确定转速。如果能在变转速工况且缺乏转速计测量信息的情况下精准估计瞬时转速信息并及时发现齿轮箱故障产生的故障振动特征，就可以采取有效的措施减少经济损失和灾难性事故的发生。本文基于动态时间规整算法挖掘了齿轮箱时域振动信号中的瞬时转速信息，首先对小幅变转速下齿轮箱的故障振动信号展开了研究，接着提出了小幅变转速下的齿轮箱故障诊断算法，然后通过对阶次重采样技术的研究提出了工程实际齿轮箱故障诊断算法，最后在两个公开数据集上验证了本文提出的故障诊断算法的有效性。主要的工作可以总结如下：　　①介绍了动态时间规整算法原理，讨论了此算法在运用过程中的问题，并给出了相应的解决策略，接着基于此提出了在小幅变速下的故障诊断算法，解决了小幅变速下无转速计齿轮箱振动信号频谱模糊的问题，在实际小幅变转速齿轮箱实验中验证了这种算法的有效性。　　②针对大幅转速变化齿轮箱振动信号在无转速计下难以应用阶次重采样技术诊断故障的难题，先提出了分段式带通滤波单分量提取算法，再基于动态时间规整提出了一种单分量振动信号瞬时频率估计算法，解决了无转速计下无法获得准确转速的难题。最后通过实验和仿真验证了分段式带通滤波算法和基于动态时间规整的转速估计算法的准确性和有效性。　　③基于大幅变转速齿轮箱信号瞬时频率估计算法和阶次重采样技术的研究，提出了基于动态时间规整的工程实际齿轮箱故障诊断算法，给出了齿轮箱常见故障特征的阶次计算公式，通过两个公开齿轮箱振动信号的数据集验证了工程实际齿轮箱故障诊断算法在实际工程中的应用能力。

关键词： 旁置式齿轮测量机   坐标系建立误差   坐标系校准   齿轮特征线  

摘要： 为解决旁置式齿轮测量机采用直角坐标法测量齿轮时,因测量坐标系建立不准确,导致难以实现大型齿轮高精度测量的技术难题,本文研究测量坐标系建立误差对齿轮测量结果的影响规律,以及用标准渐开线样板校准测量坐标系的方法,以减小测量坐标系建立误差对齿轮测量精度的影响。（1）确定了旁置式齿轮测量机测量齿廓、螺旋线以及接触线的具体位置和基于直角坐标法的齿轮特征线偏差计算与评定过程,通过仿真实验的方式,根据生成叠加特征线偏差的特征线数据,验证了特征线偏差计算与评定公式的正确性。（2）建立了旁置式齿轮测量机的测量坐标系建立误差对齿轮特征线测量结果影响的模型,通过蒙特卡洛法,根据特征线的位置分布情况生成特征线数据,以及根据激光跟踪仪法建立测量坐标系时的坐标系建立误差规律生成测量坐标系建立误差,分析在不同分布位置时坐标系建立误差对特征线测量结果的影响规律,可得在齿廓计值范围首尾连线和X轴平行的位置测量特征线时,降低原点沿X轴的坐标偏移量和坐标系绕X轴的转角摆动量,能有效减小坐标系建立误差对齿轮测量结果准确性的影响。（3）利用存在误差的测量坐标系,建立了求解标准渐开线样板的基圆圆心坐标和渐开线起始角的模型,通过仿真实验的方式,根据生成叠加测量坐标系建立误差和齿廓偏差的渐开线样板数据,以齿廓总偏差最小为优化目标,采用校准测量坐标系的降维算法,求解基圆圆心坐标,可获得亚微米级的测量坐标系建立精度和准确的齿廓测量结果,该方法不仅适用于旁置式齿轮测量机的测量坐标系校准,还适用于光学测量法的测量坐标系校准。本文所提方法能有效减小或消除旁置式齿轮测量机的测量坐标系建立误差对齿轮测量结果准确性的影响,为旁置式齿轮测量机测量程序的开发及应用提供了指导。

关键词： 面齿轮   鼓形蜗杆砂轮   成形修整   蜗杆砂轮磨削   磨齿机  

摘要： 面齿轮正逐步替代锥齿轮成为新一代直升机传动系统的核心零件,面齿轮传动突破了尺寸、载荷、速度等性能参数限制,具有传动比稳定、重合度高、对安装误差不敏感等优点。然而我国目前尚未完全掌握面齿轮精密磨削加工技术,无法实现面齿轮的工程应用,主要问题在于,面齿轮蜗杆砂轮为异形砂轮,型面建模时求解过程繁琐且受到奇异点的限制,面齿轮加工时砂轮修整和齿轮磨削运动复杂,需要采用复杂的机床结构,导致机床精度控制较难实现,齿面磨削精度难以达到要求。为此,本文针对面齿轮的精密展成磨削加工技术,研究面齿轮蜗杆砂轮型面建模以及在圆柱蜗杆砂轮磨齿机上实现面齿轮连续展成磨削加工的方法,主要的研究内容如下:(1)建立了面齿轮磨削用鼓形蜗杆砂轮的数学模型。首先,给出了面齿轮工作齿面和过渡曲面方程,分析了面齿轮的最小内半径和最大外半径,通过算例计算了面齿轮齿面离散点。然后,提出了磨削面齿轮的鼓形蜗杆砂轮型面的演变计算法,基于演变法推导了面齿轮磨削用鼓形蜗杆砂轮的型面方程,通过算例计算了鼓形蜗杆砂轮型面离散点,并分析了演变法与传统包络法计算蜗杆砂轮型面的偏差。(2)研究了在圆柱蜗杆砂轮磨齿机上对鼓形蜗杆砂轮进行成形修整的方法。分析了鼓形蜗杆砂轮成形修整运动特性,提出了基于虚拟中心距原理的鼓形蜗杆砂轮成形修整方法,以砂轮偏摆代替滚轮偏摆,通过A1、Y1、Z1和B1四轴联动完成鼓形蜗杆砂轮的修整冲程,然后对所提方法分别进行数值计算仿真和模拟加工仿真,验证了方法的正确性和可行性。(3)研究了在圆柱蜗杆砂轮磨齿机上磨削面齿轮的方法。分析了面齿轮蜗杆砂轮磨削的运动原理,规划了在圆柱蜗杆砂轮磨齿机上利用鼓形蜗杆砂轮磨削面齿轮的径向进给轨迹,然后对磨削轨迹分别进行了数值计算仿真和模拟加工仿真,验证了轨迹的正确性和在磨齿机上的可行性。此外,针对面齿轮蜗杆砂轮磨削加工中独有的刀具对中问题,利用数值仿真的方法分析了磨削加工时刀具不对中所引起的齿面误差,为面齿轮蜗杆砂轮磨削加工中的齿面误差反向修调提供参考。(4)基于YS7232蜗杆砂轮磨齿机进行了硬件改造和软件开发。首先,以所研究的砂轮修整方法和齿轮磨削方法为基础,对YS7232蜗杆砂轮磨齿机的部分硬件结构提出了改造方案,然后,基于西门子840Dsl数控系统,开发了面齿轮蜗杆砂轮磨削人机界面,为在YS7232蜗杆砂轮磨齿机上进行面齿轮磨削加工奠定了基础。

关键词： 微观形貌   混合润滑   直齿轮   有限元   摩擦系数  

摘要： 齿轮传动系统作为机械装备的核心组成机构之一,是决定整机性能的主要装备,而充分润滑是确保齿轮传动系统正常运转的必要条件。现代齿轮传动系统向高速重载方向发展,传动系统对润滑性能的要求也逐渐提高,恶劣的工作环境会使齿轮啮合界面无法形成有效油膜,导致传动效率和可靠性下降。因此,有必要对高速重载齿轮啮合界面进行混合润滑仿真,以准确获取啮合界面混合润滑特性参数,提出优化建议,确保齿轮传动系统处于良好的润滑状态。本文针对上述问题,建立了基于微观形貌的直齿轮啮合界面有限元模型,研究了微观形貌对润滑性能的影响,搭建了混合润滑数字化仿真平台,计算了齿轮啮合界面的混合润滑特性参数,探寻齿轮啮合界面最大摩擦系数所在的啮合位置以及润滑系统的最优供油量,主要研究内容及结论如下:(1)混合润滑有限元仿真计算。对直齿轮啮合过程进行分析,精准获取齿轮啮合界面边界条件。基于ADINA建立带粗糙度的直齿轮仿真模型并开发了考虑流变特性的材料模型。之后通过点接触实验和线接触经验公式,对比实验、经验公式与仿真计算三者的计算结果,确保仿真方法可靠性。(2)微观形貌对混合润滑性能的影响研究。对不同粗糙度幅值、波长及纹理方向的仿真模型进行仿真计算,研究得出:幅值对膜厚影响较大,当啮合界面处于混合润滑状态,且膜厚比低于某一临界值时,油膜厚度分布会出现较多断裂,摩擦系数增速加快;当膜厚比高于某一临界值时,波长对摩擦系数影响可以忽略;当膜厚比在一定范围内时,横向粗糙度纹理有助于增大油膜厚度,减小油膜间剪切力。(3)直齿轮混合润滑数字化仿真平台开发。基于MATLAB和ADINA流固耦合模块,开发了直齿轮混合润滑数字化仿真平台,平台由形貌数据处理模块、混合润滑模型模块、材料开发模块、仿真计算模块以及后处理模块等多个部分组成,实现了从实验处理到仿真结果的分析的全流程自动化。(4)直齿轮齿面润滑性能与乏油润滑性能分析。研究齿轮整个啮合界面的润滑特性参数,探寻整个啮合界面摩擦系数最大的啮合位置,并分析该位置不同油气比例下齿轮的摩擦性能,研究得出:靠近啮入侧的啮合位置摩擦系数相对最大,且当油气比例低于某一临界值时啮合界面的油膜承载能力降低较快,摩擦系数增幅较大。

关键词： 露天煤矿   电铲   齿轮   激光熔覆   再制造  

摘要： 随着我国社会经济的高速发展,在矿山行业当中,对矿山专用机械设备需求量也越来越大,其中电铲是现代各种露天矿的主要采掘设备。本论文主要是针对WK-35型电铲回转大齿轮再制造方法进行研究。回转大齿轮是电铲设备的回转装置中的重要传动部件,其在工作中,齿面会受到较高的应力作用,发生磨损、点蚀、断裂,这种情况在重载作业时会更加明显,其传动受到齿面磨损的影响,齿轮可能会因此失效。使用再制造的方法修复齿轮,能增加产品使用期,也可降低企业生产成本。目前激光熔覆在机械零部件的表面修复工作中被广为应用,且作为一种比较先进的技术在国内外范围内。激光熔覆再制造技术由于对修复件的热变形小,熔覆修复后的组织细小而致密,且容易与修复件形成致密的冶金结合特点备受各领域的青睐。激光熔覆修复技术以恢复零件几何尺寸与力学性能为目的,可实现金属零件的成形再制造,节约了经济成本并且具有广泛的发展前景。本文利用激光熔覆技术,对WK-35型电铲回转大齿轮再制造问题进行了研究。针对国内外学者对激光再制造的研究,分析其背景与产生的意义,指出了目前激光熔覆修复所需要克服的难点与研究方向,结合WK-35型电铲回转大齿轮的零部件特性和对材料的特殊要求,研究了满足加工精度高的再制造工艺。为了确保WK-35型电铲回转大齿轮在激光熔覆再制造后的合格性,分析了工况条件及失效形式。可以通过预测大齿轮的失效情况,确定激光熔覆再制造的最优材料以及选择最佳工艺条件。大齿轮在啮合过程中产生的等效应力可以在ANSYS的APDL参数化程序中进行模拟,熔覆制备新材料WK20Cr Ni2Mo钢表面温度场的有限元模型从而被建立。由于热物性参数、对流换热以及箱变潜热都会随着温度的变化而变化,因此,在制备过程中,必须选定相对稳定的温度场,这就需要掌握个试点在表面上的温度变化规律。在试样WK20Cr Ni2Mo上制备熔覆合金层,选取了适合齿轮工作的合金粉末,重点研究影响熔覆层质量的重要因素。在最佳工艺参数条件下进行熔覆实验,对试验样进行分析,包括硬度、组织以及耐磨性,最终选定大齿轮熔覆的工艺条件。为了保证激光熔覆工作在大齿轮修复工作上的可行性,选取最佳工艺进行扫描,并且选用跳齿的方式进行扫描熔覆,从而完成大齿轮修复工作的验证试验,实验结果,熔覆后试验样的熔覆层硬度,组织结构及耐磨性都符合再制造指标的要求,最终完成了WK-35电铲大齿轮激光熔覆再制造的工艺研究。

关键词： 齿轮箱故障诊断   自适应分解   频谱趋势   奇异分量分解   谐波峭度谱  

摘要： 齿轮箱作为现代机械设备中最常用且最重要的零部件之一,其运行状态对于整台设备的正常运转具有至关重要的影响。振动信号分析是齿轮箱状态监测和故障诊断中常用的手段之一。然而,由于振动信号的成分非常复杂,仅凭原始信号难以实现故障诊断,如何从复杂的振动信号中准确提取出有效的故障信息成了故障诊断的关键。近年来,国内外专家学者不断推陈出新,提出了各种信号处理方法,非平稳信号的自适应分解是其中一个重要的研究方向。本文对齿轮箱振动信号的自适应分解方法进行了深入研究,以经验傅里叶分解算法、奇异值分解理论和快速谱峭度方法为基础,针对不同长度的信号,提出了两种不同的自适应分解方法,并将其应用于齿轮箱的复合故障诊断中,诊断效果较好。论文主要包括以下内容:(1)对目前常用的自适应分解方法进行了归纳和总结,并对其中存在的诸多问题进行了分析,提出了改进的经验傅里叶分解算法,通过对信号频谱趋势进行自适应估计来代替原算法中的频谱分割方法,实现了对信号频谱准确且合理地划分,在保证分解结果不存在模态混叠问题的同时,提高了算法的运算效率和鲁棒性,避免了分解结果中存在较多无效分量的问题。(2)将改进的经验傅里叶分解算法与奇异值分解理论有机结合,提出了奇异分量分解算法。该算法能有效处理信号长度较短的振动信号,可以实现不同故障成分的分离,并大大提高分量的信噪比。在利用奇异值分解理论进行降噪时,有效奇异值的提取是一个关键步骤,奇异分量分解算法中利用奇异值分解的幅值滤波特性和时域负熵指标实现了有效奇异值的筛选,成功滤除了干扰成分,提取出了故障特征信息。(3)对于大数据量的复合故障振动信号,结合快速谱峭度的思想,提出了谐波峭度谱的齿轮箱故障诊断方法。该方法利用改进的经验傅里叶分解算法实现信号的多层自适应分解,并构造了谐波峭度值指标对分量中的故障信息进行量化评价,从而在分离不同类型故障成分的基础上,提取出包含故障特征信息的频段。(4)结合谐波峭度谱和时域指标,对PHM 2012和XJUT-SY两个轴承全寿命周期数据集进行了分析。结果表明,谐波谱峭度法能够实现滚动轴承退化曲线的拟合,从而确定进入退化阶段的时间点,并能够判别出轴承出现故障的位置,与其它文献分析结果进行了对比分析,证明谐波谱峭度对于滚动轴承早期故障更为敏感,诊断效果更好。

关键词： 聚甲醛齿轮   动态疲劳测试   注塑成型   工艺优化   微观结构分析  

摘要： 聚甲醛作为五种通用的工程塑料材料之一,具备许多金属材料没有的优势,被广泛应用在精密仪器及微型传动等方面。随着工业技术的进步,聚甲醛齿轮应用的环境越来越复杂化,其弹性模量小、强度低限制了它的使用范围及使用寿命,因此,提高聚甲醛齿轮强度是目前亟需解决的问题。本文以提高聚甲醛齿轮疲劳强度为目的展开试验研究和理论分析,设计动态疲劳测试方法。通过动态疲劳正交试验得到各工艺参数对聚甲醛齿轮疲劳强度的影响程度及趋势,取影响程度最大的两参数进行动态疲劳单因素试验,得到优化工艺齿轮并进行验证,进一步从微观层面分析两工艺参数对聚甲醛齿轮动态疲劳强度的影响机理。主要工作如下:1本文考虑到齿轮结构比较特殊,使用齿轮设计软件和UG建模,设计了单独的齿轮试验夹具。提出一种新的塑料齿轮参数计算方法,考虑了成型工艺对注塑齿轮尺寸的影响,单独计算了每个工艺条件下成型齿轮的变位系数及齿根圆角半径。并基于30°切线法,准确求出轮齿断裂位置处的力臂与齿厚,设定相同的弯曲应力,计算出不同条件下齿轮测试的载荷压力,使用岛津液压伺候动态疲劳试验机,完成动态疲劳试验。2.为讨论注塑成型工艺参数对聚甲醛齿轮疲劳强度的影响,使用Moldflow优化成型窗口,设计动态疲劳正交实验,对正交结果进行极差和方差分析,得到工艺参数对聚甲醛齿轮单齿动态疲劳影响程度依次为模具温度、保压压力、注射速度、冷却时间、保压速度、熔体温度。3.考虑到齿轮特征的复杂性和正交工艺的交互作用,对影响程度最大的两个工艺参数进行单因素实验,详细分析模温与保压对聚甲醛齿轮疲劳强度的影响趋势,得到优化组合并进行试验验证,结果显示,优化齿轮动态疲劳强度明显高于单因素试验齿轮。4.对单因素实验齿轮及优化齿轮取同一位置做DSC和偏光分析,从微观层面分析了优化工艺齿轮强度优于不同模温和保压齿轮的内在原因,讨论了模具温度和保压压力参数对聚甲醛齿轮微观特征的影响机理。

关键词： 齿轮泵   轴套   齿轮轴轴颈损伤   泵体扫膛  

摘要： 在齿轮泵新制开发过程中,发现聚醚醚酮类型的滑动轴承会损伤齿轮轴轴颈,泵体出现扫膛量偏大的现象。经过对3组不同组合类型轴套的试制泵总成进行对比测试试验,并对轴套的材料和齿轮轴尺寸进行详细检测分析,得出聚醚醚酮复合材料的轴套比聚四氟乙烯复合材料的轴套更容易导致齿轮轴损伤,建议选用聚四氟乙烯复合材料的轴套,并提出缩小齿轮轴齿顶圆直径和泵体采用偏心工艺的方法减少泵体扫膛量。

关键词： 飞秒激光   面齿轮   烧蚀能量模型   形貌特征   粗糙度  

摘要： 面齿轮在机械空间交错传动中起决定性作用,传输动力过程重合度大、可承受较大载荷、高速运转稳定等优点,广泛应用于大型装备机械、航天领域等。面齿轮的齿形复杂,技术要求高,制造困难,目前国外的面齿轮生产技术和设备都处于封闭状态,国内在面齿轮精密加工精度要比国外低二级左右。为克服这些技术问题,本文采用飞秒激光精修技术来实现面齿轮材料的微纳加工。飞秒激光切割工艺实现了微小零件的精确切割,灵活性极强,通过适当的工艺参数,可实现结构复杂零件的精确切削。本文将基本理论和模型仿真与加工实验相结合,展开了飞秒激光精修齿面烧蚀能量耦合模型与齿面形貌的研究,研究的核心内容如下:研究了单脉冲与多脉冲烧蚀面齿轮材料的区别。调节飞秒激光能量密度与功率的数值,获得了面齿轮材料18Cr2Ni4WA的烧蚀临界点;将单脉冲激光与多脉冲激光进行烧蚀齿面凹坑对比,得出了多脉冲能量累积效应会使得凹坑表面材料发生二次烧蚀从而在凹坑表面形成较小的凸起结构影响并阻碍后续材料的烧蚀效果。飞秒激光烧蚀面齿轮时材料间效应与建模仿真研究。本文考虑面齿轮材料动态效应中的成分互温感应效应以及多脉冲烧蚀材料的能量累积效应。材料成分互温感应效应是在飞秒激光烧蚀面齿轮材料时基于非傅里叶传热现象和双温方程的基础上,建立飞秒激光烧蚀面齿轮材料的能量传热模型。研究多脉冲能量累积效应得出了飞秒激光进行多脉冲烧蚀面齿轮时的临界能量密度值。将烧蚀面齿轮材料时的成分互温感应效应和多脉冲能量累积效应与双温方程进行耦合,得到了飞秒激光烧蚀面齿轮的能量耦合传热模型。用COMSOL软件对两个传热模型分别进行仿真,得出了飞秒激光不同能量密度对烧蚀面齿轮时的温度场变化规律,得出烧蚀齿面材料的参数范围。飞秒激光烧蚀面齿轮材料的齿面形貌实验研究。进行了飞秒激光烧蚀面齿轮材料的实验,结合仿真模拟的参数范围对面齿轮进行烧蚀实验研究。对烧蚀凹坑直径、深度检测;对烧蚀线深度、宽度、粗糙度检测;对烧蚀面深度、粗糙度检测。分析不同激光能量密度和脉冲数量对烧蚀凹坑尺寸大小、烧蚀面的深度粗糙度的影响规律。通过实验,分析了激光能量密度和功率对烧蚀线深度与粗糙度的关系。结果显示,随着激光能量密度和功率降低,飞秒激光加工质量明显上升,粗糙度明显得到了优化。且烧蚀凹坑、线、面内部没有明显的熔融物残留,烧蚀形貌平整基本无热影响区域。根据对齿面形貌的影响规律,得到了飞秒激光精修齿面的最优参数范围。

关键词： 直齿锥齿轮   多状态啮合   时变参量   非线性动力学   微元法   动态特性分析  

摘要： 锥齿轮传动系统是车辆传动装置的重要组成部分,其工作性能直接影响车辆行驶的舒适性、稳定性和安全性。随着家用轿车的普及,对锥齿轮传动精度、振动和噪声等提出了更高的要求。研究锥齿轮传动系统的振动机理及其影响规律,不仅对系统参数设计和动态特性控制提供理论依据,而且对工程中减振降噪等提供数据支撑,具有一定的理论研究价值和实际工程意义。本文以轿车差速器中直齿锥齿轮参数为例,综合考虑时变啮合刚度、载荷分配率、齿侧间隙、啮合阻尼和综合传递误差等动态啮合因子,建立含多状态啮合的直齿锥齿轮传动系统扭转-弯曲-轴向非线性动力学模型,并研究其多状态啮合特性和非线性振动特性。主要内容如下:1.基于势能法、微元法和齿轮啮合原理,建立直齿锥齿轮传动系统时变载荷分配率和啮合刚度的计算模型,分析其在沿啮合线方向的演变规律,为系统动力学精准建模提供基础。2.综合考虑齿侧间隙和重合度的耦合影响,判断直齿锥齿轮系统在啮合时存在的单/双齿面啮合、轮齿脱啮、单/双齿背接触等五种运动状态,建立含多状态啮合的直齿锥齿轮传动系统扭转-弯曲-轴向非线性动力学模型。模型中考虑时变啮合刚度、载荷分配率、齿侧间隙、啮合阻尼、综合传递误差和轴承支撑等多种动态啮合因子的共同作用,为研究系统的多状态啮合特性和非线性振动特性提供基础。3.根据系统的多状态啮合特性,利用变步长四阶Runge-Kutta法数值求解系统非线性动力学方程。借助相图、Poincaré映射图和沿啮合线方向的正压力与载荷分配率图,研究锥齿轮传动系统多状态啮合发生机理。4.定义三种Poincaré截面,通过正压力时间历程图、相图、Poincaré映射图、分岔图和相应的Top Lyapunov指数图(TLE),研究外部激励(啮合频率、载荷系数和轴承刚度等)和内部激励(齿侧间隙、啮合阻尼和综合传递误差等)对系统非线性动力学特性的影响。