摘要:【目的】针对当前缺乏统一的多故障类型建模与刚度求解方法、无法实现多故障对比分析的问题,提出一种统一的建模与刚度求解方法。【方法】首先,建立了适用于多种典型齿轮故障的统一建模与刚度计算方法;然后,系统分析了不同故障类型下的动态传递误差响应,并通过多体动力学仿真进行了验证。【结果】研究发现,各典型故障的动态传递误差响应中存在明显的故障特征频率及其谐波、边频带。相比振动响应,动态传递误差对轻微故障的损伤程度更敏感,频谱干扰较少,诊断效果更好。多体动力学仿真验证了分析结果的有效性。
摘要:【目的】为了明确NASA LCTR2项目中复合行星轮系变转速传动系统高、低速挡位下的共振特性及动载、均载规律,弥补现有双挡位行星传动动态特性耦合分析的不足,针对该系统的动力学性能评估需求开展了相关研究。【方法】首先,采用集中质量法建立了多自由度平移-扭转动力学模型;其次,推导了动力学方程,并通过Matlab/Simulink软件仿真求解,获取了动态响应数据;再次,计算了固有模态并结合模态试验(振型置信度值≥0.7)验证了模型准确性;最后,引入了综合啮合误差,分析了输入转速与负载转矩对动载及均载系数的影响。【结果】研究结果明确了低速挡(231.7~10723.9 Hz)与高速挡(556.8~10723.1 Hz)的固有频率及共振转速。随输入转速增大,动载及均载系数均增大,且高速挡动载系数受转速影响更显著;随负载转矩增大,两者均减小,内啮合副动载系数受转矩影响更大。适当降低输入转速、提高负载转矩可改善系统动力学特性。
摘要:【目的】复合材料混合齿轮因具有减重和振动噪声控制方面的优势,得到了国内外学者的广泛关注。然而,基于试验分析混合齿轮的啮合特性通常费时、费力。因此,提出一种适用于具有正弦波形腹板的混合齿轮的啮合刚度计算方法。【方法】首先,基于多尺度分析方法,结合细观碳纤维纱线的力学性能、细观结构和宏观结构,对复合材料层合板的力学性能进行预测,得到复合材料的等效工程弹性常数;其次,从能量法的角度,利用有限元法计算基体刚度,并计算了混合齿轮的啮合刚度;最后,对比分析了复合材料铺层角度、腹板形状对齿轮啮合刚度的影响。【结果】结果表明,铺层角度对混合齿轮啮合刚度具有耦合效应;准各向异性铺层不仅有利于降低复合材料的各向异性对齿轮啮合的影响,还可以增大混合齿轮的啮合刚度;腹板波形参数中,正弦幅值和正弦周期数的增加亦有助于增大混合齿轮啮合刚度。
摘要:【目的】分析轨道交通列车牵引斜齿轮副异侧齿面几何差异对接触线长度与啮合性能的影响,揭示列车上、下行工况下牵引齿轮箱传动性能差异的形成机制,弥补现有研究未考虑斜齿轮异侧齿面几何差异的不足。【方法】首先,定义异侧齿面几何差异角并推导其计算式,为齿背接触线长度的定量分析提供参数基础;其次,结合齿背接触面特性与异侧齿面几何差异,建立齿背接触线长度计算式,探究异侧齿面几何差异和齿侧间隙对其耦合影响规律;然后,构建计入异侧齿面几何差异的斜齿轮副多状态啮合动力学模型,完成模型的无量纲归一化处理;最后,通过数值计算开展系统动力学特性分析,明确不同啮合频率下的系统运动特征。【结果】结果表明,异侧齿面几何差异使齿面与齿背的接触线长度存在显著相位差,且齿侧间隙对齿背接触线长度的影响随间隙值增大而增大;无量纲啮合频率 ω<0.33 时,系统保持稳定单周期运动,无轮齿脱啮现象; 0.33?ω?0.37 时,系统出现短暂齿背接触现象;啮合频率升高后,齿背接触现象完全消失,系统出现齿面碰撞与轮齿脱啮现象。异侧齿面几何差异对频繁换向的斜齿轮副动态特性存在显著影响,相关分析结果可为轨道交通列车牵引齿轮副的设计优化提供参考。
摘要:【目的】混合润滑作为齿轮传动的典型服役状态,对齿面摩擦特性及啮合应力场分布具有显著调控作用。然而,现有研究对二者耦合效应的快速解析与评估尚不充分。为此,构建一种计入混合润滑摩擦效应的轮齿应力场高效计算模型,以支撑齿轮传动失效风险的精确化预测。【方法】首先,基于啮合线运动学关系,结合粗糙峰承载比例效应,推导混合润滑摩擦因数计算方法,为应力场分析提供精确界面参量;其次,将该摩擦因数集成至齿轮接触力学模型,构建应力场分布与失效风险预测的计算框架;然后,系统分析转速、粗糙度、齿廓修形及负载等特征参数对摩擦因数与应力场的影响规律;最后,通过齿轮接触疲劳试验台开展不同粗糙度齿面的微点蚀试验,对模型分析结果进行验证。【结果】结果表明,转速由250 r/min提升至4 000 r/min时,膜厚比由0.5增至1.0以上,润滑状态由边界润滑转变为弹流润滑,摩擦因数降低约22%;齿面粗糙度由0.8 μm降至0.4 μm时,膜厚比提升至接近或超过1,微点蚀初期寿命延迟率达200%;适宜的齿廓修形可有效减小单双齿啮合区过渡点的应力落差;摩擦因数由0.06增至0.15时,次表面最大切应力尖点向表面迁移,裂纹萌生风险显著加剧。
摘要:【目的】针对高速涡轮起动机用双联行星增速齿轮箱在极端高速工况下振动特性研究匮乏、双联行星轮结构内部激励复杂、箱体振动贡献机制不明、动态响应峰值与共振规律不清等问题,以高速涡轮起动机转子强度测试试验中的双联行星增速齿轮箱为研究对象,分析其振动特性。【方法】首先,利用仿真软件建立了包含柔性箱体的传动系统刚柔耦合动力学模型;其次,对系统进行模态分析,获取了前15阶固有频率与振型,并通过坎贝尔图判定了工作转速下的共振风险;最后,分析了系统的动态传动误差、动态接触载荷及箱体表面振动加速度。【结果】研究结果表明,该增速箱在工作转速与最高转速下均能有效避开共振区;动态传动误差与动态接触载荷在输入轴转速12 000~13 500 r/min区间内出现峰值;箱体在Y方向的振动最为显著。通过振动测试试验验证了仿真模型的准确性,试验与仿真结果的相对误差小于5%,表明所建模型能够有效预测系统的振动行为,可为同类高速行星齿轮箱的动力学设计与优化提供依据与实践参考。
摘要:【目的】行星齿轮箱是风电机组传动链上的重要设备。为提高对齿轮箱不同工作状态下振动信号的识别精度,提出基于时移多尺度注意斜率熵(Time-Shift Multi-scale Attention Slope Entropy, TSMASE)和改进随机配置网络(Stochastic Configuration Network, SCN)的故障诊断方法。【方法】首先,针对斜率熵需要依据先验知识调整参数、难以实现最优设定的问题,提出注意斜率熵方法;然后,针对传统多尺度熵粗粒化不足的问题,比较了多种改进的多尺度方法,提出时移多尺度注意斜率熵,通过仿真平台上的数据,证明了所提振动信号特征提取方法的有效性、抗噪性和在短时序长度上的鲁棒性;最后,将TSMASE提取的特征输入利用正余弦算法(Sine Cosine Algorithm, SCA)改进的随机配置网络模型中,完成TSMASE-SCA-SCN模型的构建。【结果】结果表明,所提模型具有良好的分类效果,在齿轮箱数据集上的诊断准确率达99.80%。
摘要:【目的】针对风电齿轮箱服役环境恶劣、早期故障特征易被强背景噪声掩盖,传统信号处理算法难以自适应提取故障特征的问题,提出一种改进的矩阵分解方法,实现复杂工况下风电齿轮箱早期故障的精准识别。【方法】首先,利用旋转机械故障的时域周期冲击特性,构造多层周期循环矩阵,强化故障周期特征并分散非周期噪声;其次,对矩阵进行多层辛矩阵分解,分离信号中的故障成分与干扰成分;然后,设计周期约束的核映射诱导算子,定向筛选各层级中的故障相关主分量;最后,对筛选后的主分量进行加权平均,重构得到高信噪比的故障特征信号,并通过仿真信号、试验台信号及风电机组实测信号开展验证。【结果】所提方法无需人工设置参数,自适应性能优异;仿真、试验台及实测信号的周期谱能量比指标分别低至1.84、2.12、1.56,显著优于经验模态分解、变分模态分解、辛几何模态分解等对比算法,可有效抑制背景噪声与离散频率干扰,故障特征提取精度提升明显。研究可为风电齿轮箱早期故障诊断提供参考。
摘要:【目的】良好的润滑条件是降低机械运动副金属元件表面摩擦和减少磨损的最有效方法之一。针对差速器总成中行星齿轮轴的摩擦磨损失效过快问题,研究富勒烯C60纳米碳球润滑油对行星齿轮轴的抗磨减摩作用。【方法】首先,进行了富勒烯C60润滑油作用下的摩擦磨损试验,分析C60纳米碳球浓度对摩擦因数和磨痕表面形貌的影响;随后,使用差速器总成疲劳寿命试验台,开展差速器行星齿轮轴疲劳磨损试验,并观测了C60纳米碳球对齿轮轴的减摩效果。【结果】分析结果表明,富勒烯C60纳米碳球润滑油作用下的平均摩擦因数最低为0.0801,比基础润滑油降低了71.1%;行星齿轮轴销两端磨损量均降低约60%。
摘要:【目的】面齿轮小端齿根根切、大端齿顶变尖缺陷,直接限制齿宽并降低传动承载能力。对此,构建了插齿刀曲线刀刃双自由度展成面齿轮齿面的数学模型,并研究了变位对齿宽的影响。【方法】首先,基于建立的数学模型,根据产生根切与齿顶变尖的条件,得出面齿轮齿宽计算式,并通过面齿轮加工试验及对滚试验,对曲线刀刃双自由度展成面齿轮方法进行验证;其次,研究了变位系数与面齿轮齿宽变化的规律,并对比了两种变位情况(不变位和变位系数为0.3)的面齿轮齿面承载能力。【结果】结果表明,合理的变位能增加面齿轮的齿宽并增加齿轮的承载能力。利用软件仿真进行齿轮承载能力的分析比较,得到不变位面齿轮的最大弯曲应力为442.08 MPa、变位系数为0.3的面齿轮的最大弯曲应力为129.35 MPa。该研究可为小传动比面齿轮设计提供参考。
摘要:【目的】为分析面齿轮副的啮合性能,提出一种面齿轮齿面啮合区域面积的计算方法;在此基础上,揭示了安装误差对啮合区域面积的影响规律。【方法】首先,建立面齿轮副啮合坐标系,基于齿轮啮合原理推导了面齿轮齿面方程;其次,建立面齿轮副的接触分析模型,基于数值积分和曲线插补推导了面齿轮副啮合区域面积的计算模型;然后,分析了轴偏移误差、轴交角误差和轴交错误差对面齿轮副啮合区域面积的影响规律;最后,通过有限元法验证了啮合区域面积计算方法及安装误差影响规律的正确性。【结果】研究结果表明,安装误差对啮合区域面积有影响,且影响规律与接触轨迹的偏移方向有关。其中,轴交角误差对啮合区域面积的影响最大,轴偏移误差次之,轴交错误差影响最小。
摘要:【目的】针对由锥齿轮齿面复杂、加工技术局限导致的啮合误差问题,提出一种基于球面渐开线的锥齿轮齿面设计方法。【方法】首先,将任意平面曲线转化为基锥齿线,结合球面渐开线构建齿面,实现对任意齿廓锥齿轮的快速建模,并以抛物线锥齿轮为例,进行验证分析;其次,对抛物线锥齿轮进行干涉检查,利用Unigraphics(UG)运动仿真查看锥齿轮的啮合状态,验证抛物线锥齿轮在空载时的啮合状态是否与完全共轭齿面相
摘要:【目的】探究啮合冲击对电动汽车二级斜齿轮传动系统动力学特性的影响规律,为该类传动系统的优化设计提供参考。【方法】首先,推导斜齿轮副啮入冲击力计算式,为动力学激励精准量化提供依据;其次,基于集中质量法建立16自由度动力学模型,构建弯曲-扭转-轴向耦合的动力学微分方程组,表征系统多维度耦合振动特性;然后,采用龙格-库塔法求解方程组,获取不同转速工况下的系统动力学响应;最后,分析各级齿轮副振动加速度与动态啮合力变化规律,明确啮合冲击的影响机制。【结果】结果表明,随输入转速从3 000 r/min升至12 000 r/min,输入端、输出端齿轮副啮入冲击加速度峰值分别从686.21、223.35 m/s2升至2 291.61、1 131.77 m/s2;转速升高显著放大了啮入冲击对系统的影响,加剧了系统的不稳定性,且输入端齿轮副的影响大于输出端;相同转速下,输入端对输出端啮入冲击的影响更强,二者互扰频率与自身啮合频率一致。
摘要:【目的】针对风电四点支撑传动链按纯扭设计、忽略弯矩传递的问题,深入探究液压弹性支撑受载机制及系统微变形导致的额外弯矩传递规律,为传动链部件设计优化提供参考。【方法】首先,分析液压弹性支撑的刚度组成与弯矩传递机制,明确弯扭耦合叠加特性,为建模提供依据;其次,基于SIMPACK软件建立传动链动力学模型,提出等效扭转刚度计算方法,实现垂向与扭转刚度解耦,保障模型真实性;然后,在6自由度试验台开展弯扭耦合测试,通过控制变量法施加不同工况载荷,获取轮毂中心与齿轮箱输入端载荷数据;最后,对比仿真与测试结果,分析偏差原因并修正模型,验证方法可靠性。【结果】结果表明,仿真与测试在弯矩传递趋势及定量上高度一致,齿轮箱输入端弯矩最大偏差≤7.71%;轮毂中心弯矩部分传递至齿轮箱,大载荷区间传递比例<3%,小载荷区间<4%。该结果对传动链相关部件设计具有实际指导意义。
摘要:【目的】针对传统隔振器刚度和阻尼参数固定、难以满足复杂振动工况多样化需求的问题,设计一种刚度与阻尼均可灵活调节的变刚度变阻尼磁流变隔振器。【方法】首先,系统设计了隔振器的结构与磁路,并建立了输出阻尼力、电磁刚度数学模型;然后,利用COMSOL软件开展了电磁场及磁流耦合仿真,分析了内部磁场分布规律及外部激励下的等效刚度、等效阻尼特性变化关系。【结果】仿真结果表明,在0~2A励磁电流下,电磁弹簧力可调范围为0~387N,最大输出阻尼力达1500N;系统等效刚度可调范围为124~450N/mm,等效阻尼可调范围为7.7~79.8N·s/mm,具备良好的双参量调节性能。
摘要:【目的】针对现有管道机器人在弯管、倾斜管道及台阶式障碍处通过性不佳的问题,设计一款新型变形履带式管道检测机器人,探究其管内通过机制,验证机器人结构设计的合理性,提升其对复杂管道环境的适配能力。【方法】首先,设计以中心变径机构为核心、配置3个周向均匀分布可变形履带足模块的机器人整体结构,实现DN180~DN220管径的自适应适配;其次,建立机器人弯管通过的几何约束与速度模型,提出差速控制策略以优化机器人管内运行稳定性;然后,搭建机器人虚拟样机,开展弯管及复杂管道运动仿真,验证机器人管内通过性能的提升效果;最后,研制机器人实物样机并搭建试验平台,开展垂直管道、障碍管道及弯管环境的通过性试验,完成仿真与试验的交叉验证。【结果】该机器人可平稳通过90°垂直管道,最大越障高度达15 mm;所提差速过弯策略可使机器人在0°~90°全位姿角下稳定通过弯管,相较于等速过弯模式平均过弯速度提升15%~28%,且过弯全程无卡顿、无扭曲;在复杂管道环境中机器人履带足与管壁的接触力无归零现象,管内通过性能显著提升,完全满足设计指标要求。研究可为履带式管道机器人的结构优化与运动控制提供参考。
摘要:【目的】针对恒流静压推力轴承油腔结构优化的多维度、非线性特征,为实现油膜刚度、承载倾覆力矩提升与温升降低的协同优化,开展油腔结构多目标优化研究,为静压轴承结构设计提供参考。【方法】首先,以多垫恒流静压双向推力轴承为研究对象,选取油膜刚度、最大承载倾覆力矩和温升为目标函数,建立油腔结构多目标优化数学模型;其次,改进多目标粒子群算法的惯性权重与学习因子,通过余弦递减策略和非线性调整实现算法全局与局部搜索能力的平衡,完成轴承油腔结构参数的优化设计;然后,在SolidWorks软件中建立轴承单油腔简化模型,通过ICEM软件手动划分高质量结构化网格,构建流场有限元模型;最后,采用Fluent软件开展油腔流场稳态仿真分析,对比验证优化后轴承承载能力的提升效果。【结果】经改进算法优化后,轴承油膜刚度提升22.5%,最大承载能力理论计算值提升11.9%,最大承载倾覆力矩提升21.2%,温升降低2.13%;流场仿真结果显示,轴承最大承载能力提升12.8%,与理论计算值高度吻合,验证了改进多目标粒子群算法在静压轴承油腔结构多目标优化中应用的可行性。
摘要:【目的】为了实现自主化缠绕包装工作,提出一种全新工作模式的自行走式缠绕包装机器人:以自动导引车(Automated Guided Vehicle, AGV)为移动平台,搭载6自由度机械臂构建移动机械臂主体,并配套装载包装膜固定装置、拉膜架等。【方法】在缠绕包装机器人整体结构的基础上,对移动机械臂缠绕包装典型物件的工作过程进行了分析与仿真研究;缠绕包装机器人工作时,机械臂的运动轨迹需满足缠绕包
摘要:【目的】针对在复杂装配场景中机器人的装配效率与装配质量相互制约的问题,将天牛须搜索(Beetle Antennae Search, BAS)策略与粒子群优化(Particle Swarm Optimization, PSO)算法相结合,提出一种基于BAS-改进粒子群优化(Improved Particle Swarm Optimization, IPSO)算法(BAS-IPSO算法)的最优轨迹求解方法。【方法】首先,采用4-5-4多项式插值方法建立轨迹规划模型,以时间-脉动冲击最优建立目标函数;其次,采用将动态学习因子与自适应权重相结合的方式改进传统的PSO算法,克服了PSO算法容易陷入局部最优与收敛速度慢的问题;最后,将BAS策略与IPSO算法相融合,增强全局搜索和局部搜索的并行计算能力。【结果】结果表明,与改进前相比,利用所提BAS-IPSO算法得到的各关节的平均运行时间、冲击分别减少了26.5%和24.2%,说明了所提算法在装配机器人控制方面的有效性和优越性。
摘要:【目的】铰链间隙与柔性构件对机械系统动力学特性具有重要影响,但相关的优化研究相对较少。为此,提出一种改进的自适应Kriging代理模型,并结合人工鱼群算法,对含铰链间隙和柔性构件的曲柄摇杆机构进行动力学优化,旨在提升机构的运动稳定性和整体性能。【方法】首先,构建了铰链间隙的数学模型与柔性杆单元模型,并基于Lagrange法建立了含铰链间隙曲柄摇杆机构的动力学模型;其次,通过核函数加权组合与局部非线性增强两项改进策略,开发了一种改进的自适应Kriging模型,以提高模型对复杂非线性系统的预测能力;最后,以间隙处最大接触力最小化为优化目标,基于改进的自适应Kriging模型构建质量参数与最大接触力之间的代理模型,并利用人工鱼群算法优化质量参数,获得了机构的最优参数组合。【结果】研究表明,所提出的优化方法有效降低了铰链间隙的最大接触力,改进的Kriging模型在预测精度和计算效率方面均优于传统方法。
摘要:【目的】针对新能源汽车驱动电动机轴承在高速工况下的温升问题,研究不同润滑脂技术指标对轴承温升特性的影响,为驱动电动机轴承润滑脂的选择提供参考。【方法】首先,以6206深沟球轴承为研究对象,基于传热学理论建立了轴承系统热传递模型;然后,利用新能源汽车轴承高温高速耐久试验机,对采用3种不同技术指标润滑脂的轴承进行了温升试验对比。【结果】结果表明,在相同工况下,由于安装位置不同,轴承温升存在差异;基础油黏度是影响温升的主导因素,黏度越低则温升越低;润滑脂滴点在轴承平稳工作阶段影响较小,但在高温阶段对轴承性能有显著影响。驱动电动机轴承润滑脂选型应优先考虑基础油黏度,兼顾滴点要求。
摘要:【目的】针对滚动轴承故障振动信号混杂谐波、强噪声等干扰引起的多类型故障诊断准确率低、效率不足的问题,提出基于改进天鹰优化算法(Improved Aquila Optimizer, IAO)优化变分模态分解(Variational Mode Decomposition, VMD)与深度混合核极限学习机(Deep Hybrid Kernel Extreme Learning Machine, DHKELM)的滚动轴承故障诊断方法。【方法】首先,采用混沌反向学习策略、正弦搜索策略与基于惯性权重的自适应t分布变异改进天鹰优化算法(Aquila Optimizer, AO),提升算法收敛精度与速度,规避易陷入局部最优的缺陷;其次,通过IAO优化VMD核心参数,对故障振动信号自适应分解与重构,剔除干扰,提取有效故障特征;最后,构建IAO优化的DHKELM诊断模型,对重构信号开展故障模式识别。【结果】结果表明,该故障诊断方法的诊断准确率达99.33%,耗时低至1.9827s;相较于ELM、AO-VMD-DHKELM等对比模型,该方法的诊断准确率最高提升30.13%,诊断时间最大缩短30.60%。研究可为滚动轴承故障诊断提供参考。