课程文献中心 更多>>

关键词： 直升机   传动比   变距摇臂   总距操纵   安装平台  

摘要： 背景随着航空航天领域的加速发展，飞行训练模拟器在仿真训练领域的作用日益凸显，利用模拟器进行训练不仅可以节约经费，节省时间成本，还可以进行正常真机训练无法复现的特殊科目训练，因此飞行训练模拟器的价值也在不断攀升。

关键词： 航空发动机   附件传动系统   中央传动齿轮  

摘要： 目前,传统的航空发动机附件传动系统主要是靠一对锥齿轮副构成的中央传动系统从主轴提取功率到附件。为了提高航空发动机附件传动系统的效率和可靠性,需要寻找一种更加先进的传动方式。本文将从航空发动机附件传动系统新型中央传动齿轮概述及设计要求出发,通过对其进行动力学分析,并结合实际应用情况,提出一种新型的中央传动齿轮方案。该方案采用了72°轴交角的传动方式,具有较高的承载力和耐久性,为促进航空发动机附件传动系统的发展提供参考。

关键词： GTF星型传动齿轮箱   多体动力学   集中质量法   Westgard评价图  

摘要： 作为下一代航空发动机主要发展方向的齿轮传动涡扇发动机(GTF,Geared Turbo Fan),由于其使用了星型传动齿轮箱这一装置,使得之前很多无法使用的技术在应用上变为可能。人字齿星型齿轮传动自身具有传动比大、传动平稳等诸多优点,但星型传动齿轮箱工作条件恶劣,不仅功率密度大、散热条件差,同时还受到系统基础运动引发的附加效应,所以激励丰富,动力学特性复杂。因此,开展星型传动齿轮箱动力学特性分析,对改善传动系统可靠性、提高发动机整体稳定性显得尤为重要。本文针对某型GTF航空发动机星型传动齿轮箱,分别基于多体动力学和集中质量法开展建模、动力学特性分析等工作,形成了一种分析GTF齿轮箱系统振动响应的有效方法,对类似问题同样适用,因此具有工程实用价值和指导意义。主要研究内容如下:(1)分别基于多体动力学理论和集中质量法建立星型传动齿轮箱的多刚体动力学模型和集中质量理论动力学模型,在相同工况条件下对两种模型的输入、输出转速及轮齿啮合力响应结果进行对比验证,以保证建模的正确性。(2)将星型传动齿轮箱中各构件柔性化处理并分别基于ADAMS和ANSYS对各构件及组合件进行模态分析。将ADAMS、ANSYS以及模态试验数据进行对比分析,以验证模型建立的正确性。(3)在保证建模正确性的前提下,基于多体动力学理论构建多种刚柔耦合的虚拟样机模型,引入医学检验中常用的Westgard评价图并根据“转速、传动比、啮合力相对误差距离法”对虚拟样机进行筛选,确保模型兼顾仿真效率与精度。(4)使用筛选出的虚拟样机模型提取星型传动齿轮箱振动敏感参数。基于提取出的振动敏感参数,分别对多体动力学模型及集中质量模型在健康和考虑安装误差、轴承偏心误差工况条件下轴承处的振动响应进行对比分析。

关键词： 直齿锥齿轮   安装误差   啮合刚度   载荷分布   修形优化  

摘要： 直齿锥齿轮作为机械传动的关键部件，广泛的应用于汽车、精密机床、航空航天等领域。在锥齿轮实际运行过程中，由于安装误差的存在会导致偏载，产生振动和噪声。因此分析安装误差对其传动性能的影响并通过修形降低其对安装误差的敏感性有十分重要的意义。因此本文以直齿锥齿轮副为研究对象，建立了误差齿廓锥齿轮副弹性接触模型，研究了安装误差对锥齿轮传动性能影响并基于建立的模型对齿轮修形参数进行了优化。主要研究内容如下：　　（1）进行锥齿轮啮合仿真与边缘接触分析：阐述了锥齿轮球面渐开线齿廓生成原理，建立了理想与修形条件下齿面数学模型;给出了确定接触椭圆的大小和方向的两种方法;分析了锥齿轮在理想、安装误差及齿轮修形状态下的齿面接触状态。　　（2）提出考虑齿对耦合效应的直齿锥齿轮啮合刚度切片计算方法：基于背锥等效原理，将锥齿轮等效为一系列直齿圆柱齿轮薄片，利用能量法计算各薄片啮合刚度，建立了锥齿轮时变啮合刚度半解析切片模型;在双齿啮合刚度计算中引入轮体刚度修正系数，将双齿啮合刚度计算误差降低了95.1%;通过对比有限元方法，验证了方法的高效性和准确性。　　（3）建立误差齿廓锥齿轮副弹性接触模型：分别给出了基于几何关系与基于数值搜索的由误差引起的齿面间隙计算方法，并基于力平衡原理建立了变形协调方程;通过对比有限元方法，验证了模型的准确性;基于模型分别分析了安装误差、齿廓修形以及齿向修形对锥齿轮时变啮合刚度、传动误差以及齿面载荷分布的影响。　　（4）应用弹性接触模型进行修形参数智能优化：以齿向修形参数为设计变量，以啮合刚度与载荷分布为优化目标，利用粒子群优化算法确定最佳修形参数;分别计算了单一误差与综合误差条件下的齿向修形最佳修形参数;在各工况下，啮合刚度平均值平均提高了21.63%，承担最大载荷平均降低了19.39%。

关键词： 谐波齿轮传动机构   综合啮合刚度   系统刚度   刚度失效评价方法   一次性机械  

摘要： 应用在特殊场合且仅使用一次后便弃之不用的机械设备称为“一次性机械”。与需要长期稳定运行并反复使用的“常规机械”不同,一次性机械使用寿命极短,以承受近满载荷为运行常态,在航天和武器装备领域应用广泛。目前一次性机械的设计,通常以材料的疲劳弹性失效作为理论依据。但是,该研究不足以支撑对刚度敏感的一次性机械传动机构的失效评价。因此,为了进一步丰富一次性机械理论体系,本文以一次性谐波齿轮传动机构为典型对象开展研究。本文的主要研究内容分为以下几部分: 研究了一次性谐波齿轮传动机构的极限承载能力和失效形式。首先,在忽略高周疲劳、磨损且不考虑刚度失效的前提下,仅依据近满载荷进行一次性谐波齿轮传动机构设计。针对杯形和环形两种柔轮结构,基于变形协调条件和平衡方程分析了两种柔轮结构带来的齿间载荷分布与齿面接触强度的差异,进而选择具有更高极限承载能力的环形柔轮,作为以满足极限承载能力为目标的一次性谐波齿轮传动机构的核心结构形式。然后,搭建一次性谐波齿轮传动机构性能测试平台,试验结果表明,一次性谐波齿轮传动机构的失效形式为系统刚度失效。在此基础上,提出了对刚度敏感的一次性机械传动机构应优先考虑刚度作为设计与失效评价依据,而不能仅考虑近满载荷,为开展一次性谐波齿轮传动机构的刚度研究提供了必要性基础。 建立了一次性谐波齿轮传动机构的轮齿综合啮合刚度模型和系统刚度模型。首先,分别建立了一次性谐波齿轮传动中柔轮和刚轮的单齿刚度模型,在考虑齿面接触刚度和多齿啮合影响的基础上,分析了一次性谐波齿轮传动在啮合区内的轮齿综合啮合刚度。然后,结合波发生器和输出端的刚度模型,建立了一次性谐波齿轮传动机构的系统刚度模型,对比研究了常规谐波齿轮传动机构和一次性谐波齿轮传动机构在系统刚度组成上存在的差异,分析了啮合轮齿、波发生器和输出端等构件刚度对系统刚度的贡献,揭示了一次性谐波齿轮传动机构系统刚度失效的主要来源是轮齿综合啮合刚度失效,为一次性谐波齿轮传动机构的刚度失效评价提供了理论基础。 提出了一次性谐波齿轮传动机构的刚度失效评价方法。首先,分析了影响轮齿综合啮合刚度的主要因素,建立了一次性谐波齿轮传动机构含裂纹时的轮齿刚度模型,研究了裂纹参数对柔轮单齿刚度和综合啮合刚度的影响。然后,在此基础上采用非线性动力学分析方法,建立了一次性谐波齿轮传动系统的非线性动力学模型,研究了一次性谐波齿轮传动机构的系统刚度失效对输出轴角速度的影响,将输出轴角速度变化作为一次性谐波齿轮传动机构是否发生刚度失效的判据。定义了系统刚度比和输出轴角速度比参数,阐明了输出轴角速度比与系统刚度比间的关系,提出了一次性谐波齿轮传动机构的刚度失效评价方法。 设计了一次性谐波齿轮传动机构并进行了试验研究。分析了柔轮模数、齿高和轮缘厚度对一次性谐波齿轮传动中柔轮刚度和轮齿综合啮合刚度的影响,进行了一次性谐波齿轮传动机构样机设计。搭建了一次性谐波齿轮传动机构性能测试系统,针对测试系统内非线性因素引起的输出轴角速度误差问题,采用了针对迟滞刚度和摩擦的补偿控制方案,提高了一次性谐波齿轮传动机构的输出轴角速度测量精度。通过系统刚度失效测试试验,验证了本文提出的一次性谐波齿轮传动机构刚度失效评价方法的正确性与有效性。

关键词： 滚动轴承   船用齿轮箱   故障诊断   应力波   卷积神经网络  

摘要： 船舶动力系统是一个复杂的综合系统,其中滚动轴承作为基础支撑零件,具有结构简单,启动性能好且在中等转速下承载力较高等优点,多用于齿轮箱、船舶电机等结构中。而齿轮作为传动单元,在动力传递过程中起着分配动力、调整力矩、改变轴转速或转动方向等作用,两者在维持系统稳定运行中都起着不可或缺的作用。但船舶动力装置往往处于较为复杂的噪声干扰环境中,这就导致所采集的故障信号有背景噪声大、特征复杂等缺点。另外经典共振解调法在对轴承与齿轮的故障诊断时存在故障峰值削减的现象,这对诊断结果是非常不利的。本文针对在船用传动齿轮及滚动轴承故障诊断时所存在的上述问题,建立了滚动轴承与齿轮的质量-弹簧二维简化模型,分析其运动状态下的动力学故障特征。通过对滚动轴承及齿轮有限元仿真模型的分析,以故障缺陷对运行过程中模型运动的三个阶段内部应力变化规律的影响为研究对象,故障冲击接触时间为依据,提出一种针对应力波峰值提取的故障特征提取算法。再将其作为信号预处理方式与卷积神经网络算法相结合,使算法实现故障特征提取与故障类型自判定的功能。最后通过对滚动轴承和齿轮箱故障诊断实验台的实验数据进行分析,以算法诊断准确率及故障特征削减比例为对比指标,说明应力波特征提取算法相较于共振解调算法在滚动轴承与齿轮故障诊断上的优势。研究结果表明:在故障运行的三个阶段,滚动轴承与齿轮故障点处应力变化符合低波峰-波谷-高波峰的规律,第三阶段的高波峰值包含目标故障特征;应力波特征提取算法与共振解调法相比,其故障峰值提取能力在多种重采样频率下均对峰值削弱现象有抑制作用,抑制峰值占故障峰值的13.26%以上,且随着重采样频率降低,抑制作用更明显;基于应力波信号的故障特征提取算法在船用传动齿轮及滚动轴承故障诊断中相较于共振解调法,在故障诊断效率及诊断正确性上均有明显优势。

关键词： 机车传动齿轮   轮轨激励   热-力耦合   温度场   应力场  

摘要： 机车传动齿轮是机车动力传输过程中的核心部件,其结构的可靠性将直接影响机车的运行安全。随着近年来铁路运输的速度与承载要求提高,长时间服役的机车齿轮将处于较高的工作环境中,过高的温度可能会带来齿面胶合等齿轮损伤。因此,探究机车齿轮温度场分布及大小情况及考虑不同工况下的热-力耦合特性对机车齿轮的可靠性评估及监测维护有重要工程意义。本文以某型电力机车传动齿轮为研究对象,利用多体动力学仿真软件建立机车整车模型并进行模型验证,导出由波幅为0.05mm、波长为150mm的钢轨波磨与车轮诱发的轮轨激励下机车传动齿轮振动位移图,并分析在不同速度下机车传动齿轮振动情况,研究发现,随着机车运行速度的增加,从动齿轮垂向位移激励振动频率与振动幅值加剧;结合机车传动齿轮的几何与物理参数,利用齿轮传热学、摩擦学等基本理论计算出机车传动齿轮的热流密度及不同区域的对流换热系数等边界条件,并探究在不同牵引电机转速及润滑油油温下,对机车传动齿轮的热流密度及不同区域的对流换热系数等边界条件的影响,分析发现,机车传动齿轮的热流密度随着机车运行速度的增加而增大,牵引电机转速及润滑油油温对齿轮不同区域的对流换热系数影响程度不同;利用ABAQUS有限元软件将齿轮边界条件加载在到机车传动齿轮模型上,得出在不同牵引电机转速及润滑油油温下对温度场、热变形的大小及分布情况影响,发现最高温度位于齿轮齿根处,呈细长椭圆状分布;最大变形量出现两端面与啮合面相交角处,变形量由齿顶向齿轮内壁面依次递减。采用结构场及热-力耦合场探究有、无考虑轮轨激励影响下,机车传动齿轮的温度场和应力场分布及疲劳寿命情况,其中热-力耦合场采用直接耦合法,使得温度与应力相互作用;结合疲劳损伤理论及应力分析结果,利用疲劳分析软件fe-safe对有无考虑温度影响下,对某一载荷谱服役时的寿命进行预测,研究发现,考虑温度效应影响后机车传动齿轮疲劳寿命明显降低。

关键词： 行星齿轮传动机构   三维模型构建   平移-扭转耦合动力学模型   虚拟样机仿真技术   配重块   惯性力  

摘要： 行星齿轮传动机构得益于体积小、效率高、齿轮比大以及能承受大负荷等突出优点,在航空航天领域、农用机械设备、风力发电领域以及起重机械设备等行业都有着广泛的应用前景。冷轧管机作为无缝钢管冷轧工艺的一种重要设备,由于社会的发展,人们对无缝管的产品精度以及质量要求提出了更为严格的要求,促使冷轧机需要在高速运作时能够平稳运行,而其传动系统是保证冷轧管机能够进行高速平稳工作的关键部分。针对传统曲轴传动轧机在垂直方向因受拉力作用而产生不规则的震荡,造成磨损加剧,噪声增大的问题,设计了一款输出轴可往复直线运动的行星齿轮减速机。本文通过对所设计的行星齿轮减速机进行运动学相关的理论分析计算以及构建动力学理论模型,推导动力学微分方程并求解得出系统各部件受力情况,结合虚拟样机仿真模拟技术对系统运动规律和动力学特性进行仿真分析。此外,探究配重块对系统输出轴惯性力和惯性扭矩的影响规律,以及主动轮不同转速对系统输出轴惯性力的影响规律,解决了由于振动引起的冷轧管机的质量问题,减小了噪声,延长了使用寿命,进而实现绿色高效生产。文章主要研究内容和结果如下:(1)研究减速机输出轴往复直线运动的工作原理,对行星齿轮传动系统进行结构设计,构建行星齿轮传动系统三维实体模型。对系统传动比以及传动效率进行分析计算,对行星齿轮传动系统中各构件角速度关系以及各构件受力与扭矩等运动学相关的理论进行计算分析。(2)以行星齿轮传动机构为研究模型,根据机械振动理论,采用“集中参数”法,计入每个构件沿径向以及沿轴向的三个自由度,构建系统平移-扭转耦合动力学理论模型,推导系统相关的动力学微分方程,对行星齿轮传动系统动力学性能进行理论研究。(3)基于Adams虚拟样机仿真技术,构建行星齿轮传动系统动力学仿真模型,对系统运动学规律以及动力学性能进行仿真分析。结果表明:主动轮转速稳定在157.00rad/s,与理论计算值吻合,大齿轮与行星轮转速呈现上下波动的趋势,但均基本稳定在26.00rad/s和26.10rad/s,与理论值相比,相对误差分别为0.12%和0.50%,均较小。高速级与行星级啮合齿轮对间的啮合力分别在7939.63N和343.40N附近上下波动,与理论值相比,相对误差分别为0.20%和0.05%,相对误差均较小,验证了仿真的合理性。(4)研究了有无配重块以及不同厚度配重块对行星齿轮传动系统输出轴惯性力与惯性扭矩的影响。结果表明:增加1、2号配重块后,系统输出轴惯性力与惯性扭矩均方根值分别为26140.38N和25885.70N·m,相比无配重分别减小了26.59%和39.56%,平衡效果较明显;同时不同厚度配重块对惯性力与惯性扭矩的平衡效果也不同,当1、2号配重块厚度分别为125.00mm、130.00mm时,已经达到很好的平衡效果,继续增加配重块厚度会使系统总重量明显增大,占用空间较大,同时也影响了整个传动机构的协调性,因此应合理选择配重块厚度。

关键词： 弧面分度凸轮机构   NURBS凸轮曲线   多目标优化   廓面曲率连续自适应   参数化设计   五轴数控加工  

摘要： 随着现代工业的飞速发展,人们对分度凸轮机构的要求不断提高。弧面分度凸轮机构作为最理想的分度凸轮机构,因其高速下运转平稳且分度精度高的优点,被广泛应用在各种自动化机械上。为适应现代工业对弧面分度凸轮机构高精度、高速化的要求,本课题从弧面凸轮曲线优化、弧面分度凸轮轮廓曲面构型、弧面分度凸轮五轴数控加工和弧面分度凸轮参数化设计四个方面对弧面分度凸轮机构进行研究,旨在研究出性能更好的凸轮曲线、遵循原型的弧面分度凸轮曲面和加工精度更高的五轴数控加工弧面凸轮程序,以加快弧面分度凸轮装置的国产化和自主知识产权化。本文归纳了33种经典凸轮曲线的运动特性值,重点研究其中的简谐梯形组合曲线、富氏级数曲线和多项式曲线等广泛应用的凸轮曲线,总结出凸轮曲线的选择原则。基于非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines,NURBS)理论提出一种弧面分度凸轮曲线的设计方法,在弧面分度凸轮6个边界条件下建立了NURBS弧面分度凸轮曲线表达式。以凸轮曲线的最大速度、最大加速度、最大动载转矩、最大跃度和最大跳度等5个特性参数为目标,基于多目标优化方法创建优化模型,以NURBS曲线阶数和控制点为变量对弧面分度凸轮曲线进行多目标优化,由此获得更优的凸轮曲线。对比分析了经典凸轮曲线中综合性能最优的修正正弦曲线,采用上述的多目标优化方法得到了一种性能更优的NURBS凸轮曲线。依据空间共轭曲面理论,利用齐次坐标转换法推导了弧面分度凸轮轮廓曲面方程。提出一种弧面凸轮轮廓曲面曲率自适应构型方法,根据多目标优化所得的NURBS凸轮曲线,进行弧面分度凸轮轮廓面UV双向曲线簇构型。U向曲线和V向曲线分别代表凸轮与滚子接触点的轨迹线和共轭接触线,以V向第一条曲线进行曲率自适应间距测量,所得间距作为U向曲线簇间距,V向曲线簇以相同方式构型。将构建的曲线簇以合适的方式导入NX软件并生成凸轮廓面,实现弧面分度凸轮的三维建模。对比了弧面分度凸轮等价加工与非等价加工方法,最终以非等价加工的自由曲面法进行弧面分度凸轮的五轴数控加工。依托GROB五轴加工中心,分析了弧面分度凸轮加工工艺,并对弧面分度凸轮轮廓面刀路轨迹的数值计算进行了研究,通过等参数直线段逼近廓面曲线获得了刀路轨迹,并进行了刀轨仿真。为了进一步研究弧面凸轮的多轴数控加工,基于三维软件CAM加工模块生成了弧面分度凸轮加工的刀路轨迹,并定制了GROB五轴加工中心的后置处理器,生成了数控(Numerical Control,NC)加工代码。由于弧面分度凸轮机构实际设计时往往因为设计参数不同而需要重复编写。因此,基于NX开发弧面分度凸轮机构参数化设计系统,在C++环境下自动实现凸轮曲线设计、廓面方程表达、凸轮实体建模及数控加工。该系统有较好的用户交互界面,只需输入弧面分度机构的设计参数,系统就能自动完成弧面分度凸轮机构的三维建模。可根据用户需求进行弧面分度凸轮机构的多轴数控加工,提高了弧面分度凸轮机构的设计效率。

关键词： 颗粒阻尼技术   弧齿锥齿轮   耗能减振   离散元素法  

摘要： 振动是影响齿轮传动精度和稳定性的重要原因。在齿轮传动过程中,时变啮合刚度、齿轮啮合误差、齿侧间隙以及偏心误差均是导致齿轮产生振动的重要原因。颗粒阻尼技术是通过颗粒间、颗粒与阻尼器间的摩擦作用和碰撞冲击作用耗能。颗粒阻尼器具有结构简单、效果明显、环境适应性强等优势。针对齿轮振动问题,本文以一对弧齿锥齿轮为分析对象,采用颗粒阻尼技术对其进行减振研究。目前颗粒阻尼技术主要应用于稳态场中,而本文将该技术应用在离心场中并分析其耗能机理,这对颗粒阻尼技术在离心场中的实际应用具有重要意义。本文主要内容如下:1、利用集中参数法,分别建立了考虑齿侧间隙和偏心距的弧齿锥齿轮传动系统动力学模型和动力学方程,模型中考虑了时变啮合刚度、轴承支撑刚度以及齿轮啮合误差。数值求解分析了不同齿侧间隙和偏心距下弧齿锥齿轮传动系统的振动位移响应。2、介绍了离散元素法求解颗粒阻尼的耗能过程以及利用瑞利波法确定了时间步长,建立了颗粒间、颗粒与颗粒阻尼器间的碰撞力学模型,阐述了采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型时颗粒接触参数的计算方法,讨论了影响颗粒阻尼耗能的因素并根据所得结论设计了颗粒阻尼器。3、利用EDEM和Adams联合仿真,分析了颗粒填充率、颗粒粒径、颗粒材料以及输入转速和负载对颗粒阻尼耗能的影响规律。在最佳颗粒参数条件下,得到了同时考虑齿侧间隙和偏心距的弧齿锥齿轮传动系统振动位移响应,并将其与无颗粒阻尼的振动位移响应进行对比,结果表明颗粒阻尼具有一定的减振效果。4、搭建了弧齿锥齿轮传动振动试验台,分别进行了不同输入转速和负载下以及不同偏心质量两种工况下的颗粒阻尼耗能减振试验。通过改变颗粒填充率、颗粒粒径以及颗粒材料,测量得到了不同条件下弧齿锥齿轮振动响应,获得了不同颗粒条件下颗粒阻尼耗能规律。通过对比有无颗粒阻尼的齿轮振动位移响应,验证了颗粒阻尼耗能减振的有效性。