一种适应卫星姿态侧摆机动的混合轮系控制方法

针对高稳定度轮控大型卫星因动量轮力矩小而难以满足侧摆成像任务需求问题,开展了混合轮系配置方案及控制方法研究。首先,提出常规轮系配置卫星滚动轴方向串联大力矩飞轮的混合配置方案,并设计飞轮开环前馈与常规动量轮闭环反馈相结合的控制策略;其次,设计以容许角动量最大量为权重的飞轮组前馈力矩分配律和具有角动量反馈的飞轮力矩跟踪控制方法,实现飞轮力矩合理分配及其模型不确定性导致输出力矩偏差抑制;然后,设计估计器对星体内外扰动力矩进行估计与补偿,以确保卫星高稳定度性能实现;最后,给出在轨应用情况,验证所提出方案及方法的有效性。在轨应用表明,采用该控制方法,有效缩短了整星侧摆稳定时间达100 s以上,且非机动期间姿态稳定度优于3.75×10-5(°)/s。

应用滑动轴承的风电齿轮箱行星轮系动力学建模及解耦方法

在行星轮系动力学建模中,常以非线性油膜力或线性刚度-阻尼形式考虑其对系统动力学特性的影响,前者仿真精度高但计算成本也高,后者计算效率高却忽略了油膜力和轴颈-轴套偏心量的时变性,仿真精度有限。为此,以2MW级风电齿轮箱为研究对象,建立滑动轴承时变线性刚度-阻尼模型,提出计入轴颈-轴套时变偏心量的滑动轴承附加偏心修正力计算方法;利用行星架销轴-行星轮变形协调关系,将时变线性刚度-阻尼模型与附加偏心修正力进行耦合;建立应用滑动轴承的风电齿轮箱行星轮系动力学模型,对比了工况和轴承参数对模型计算精度与系统动态响应的影响,并通过试验加以验证。研究结果表明,齿轮副动态啮合力波动会使滑动轴承刚度-阻尼系数和附加偏心修正力产生周期性变化;在稳定和瞬态工况下,提出的模型可以很好地预测系统响应,尤其是行星轮振动响应;减小滑动轴承宽径比与间隙、增大输入转矩可以改善系统均载性能。

高接低栽式差速变姿态行星轮系栽植机构设计与试验

针对目前旱地蔬菜钵苗移栽机大多适用于大株距(大于260 mm)移栽且投接苗与栽植位置作业高度差大、移栽性能不佳等问题,本文提出一种高接低栽式差速变姿态行星轮系栽植机构。根据中小株距蔬菜钵苗移栽农艺指导与机构设计要求,解析双行星架差速行星轮系栽植机构工作原理并建立其运动学理论模型;结合所提出优化目标构建目标函数,开发了基于Matlab GUI的栽植机构计算机辅助分析优化设计软件,通过人机交互方式获得1组较优的机构设计参数组合。通过三维建模与装配以及ADAMS软件虚拟仿真,初步验证了机构正确性与合理性。开展栽植机构物理样机试制与试验台架系统开发研究,通过空转试验测试,验证了栽植机构实际作业轨迹、姿态与虚拟仿真及理论设计的一致性;开展栽植机构接苗与栽植性能试验,试验结果表明,栽植机构在接苗与栽植各项试验指标均较为优秀,能够满足栽植机构预期设计要求与旱地移栽机械标准,验证了该机构的可行性与实用性。

基于ANSYS Workbench的行星轮系高楼逃生器动力学研究

为进一步提高行星轮系高楼逃生器的使用性能,开展了行星轮系高楼逃生器的动力学研究。首先,采用Solidworks三维软件对行星轮系进行建模;其次,采用ANSYS Workbench对模型进行仿真,分析其受力情况;然后,探讨行星轮系高楼逃生器在传动过程中的动力学、动态力矩平衡等问题;最后,根据分析结果对设备进行优化。实验结果表明,优化后设备的受力情况得到明显改善,使用性能得到大幅提升。

行星轮系取栽一体化蔬菜移栽机构优化设计及试验

为简化蔬菜毯苗移栽机构、提高移栽效率,提出了一种非圆齿轮行星轮系和变形椭圆行星轮系组合的取苗挖穴一体化移栽机构,可完成蔬菜毯苗切块、取苗、送苗、挖穴、投苗的工作过程。首先,根据蔬菜毯苗的农艺要求,选取合适的移栽轨迹,设定精确位姿点,采用运动生成机构综合方法建立取苗机构运动学模型;根据取苗机构的运动轨迹要求,基于求解参数拟合优化,获得输入轴与输出轴转角关系曲线,计算非圆齿轮行星轮系总传动比和非圆齿轮节曲线参数。其次,确定挖穴机构优化目标,获得挖穴机构参数。最后,完成整套机构组合与三维模型装配,并进行仿真和样机试验。结果表明,理论轨迹、仿真轨迹和试验轨迹基本一致,幼苗移栽平均漏栽率为2%,平均倒伏率、伤苗率、埋苗率均为1.5%,均满足农艺要求,验证了机构设计方法的准确性。

齿面粗糙度对风电齿轮箱行星轮系动力学特性影响

为研究齿面粗糙度对行星轮系动力学特性的影响,提出行星轮系齿轮副动态承载接触分析与系统振动位移耦合方法。以某型兆瓦级风电齿轮箱行星轮系为研究对象,基于分形理论对轮齿粗糙表面进行分形表征,通过齿轮副啮合变形协调条件,构建齿面动态承载接触状态与构件振动位移、粗糙齿面啮合误差以及摩擦力的关联关系,建立风电齿轮箱行星轮系动力学模型,分析粗糙齿面啮合误差与摩擦力对系统动态特性的影响。结果表明:随着粗糙度的增大,齿面载荷峰值与波动幅值增大,动态啮合刚度幅值出现明显波动,均载性能降低;增大粗糙度会降低行星轮系临界转速,在低转速区域内,其具有激励增振作用,而在临界转速区域附近,其具有阻尼减振作用;摩擦力主要影响行星轮系各构件振动位移,可改变动态啮合力在少齿啮合区的幅值。

行星轮系力学超材料及其连续可调力学性能

针对高可靠性复杂工况需求的连续可调力学特性,分别研究基于双层行星轮系和拉式行星轮系的连续刚度可调及振动传递率可调的力学超材料;应用空间梁单元建立弯曲梁的变径向载荷下刚度连续可调理论力学模型及模态分析模型,研究基于行星轮系的超材料刚度连续可调理论及模态振型特点,为基于行星轮系连续刚度可调及振动传递率可调的力学超材料提供理论支撑;建立基于双层行星轮系和拉式行星轮系单胞及2×2胞的力学超材料有限元模型,分别计算分析压缩弹性模量、剪切模量和振动传递率与控制变量的作用关系。研究结果表明:基于双层行星轮系和拉式行星轮系力学超材料的压缩弹性模量和剪切模量分别具有9~15倍和1~2.5倍连续可调范围,其振动传递率亦可通过控制变量进行调控;理论计算和仿真分析结果一致性较好。

随机误差对光伏组件安装设备行星轮系影响机理研究

光伏组件安装设备作为新型特种设备,为减小系统振动、保证光伏组件稳定精确安装,针对动力传动系统中行星轮系双功率输入的微调工况,采用集中质量法,考虑时变啮合刚度、齿侧间隙等非线性因素,建立平移-扭转非线性动力学模型,在此基础上研究各轮齿的制造、安装误差对轮系的振动及均载特性影响。研究表明:当存在制造安装误差时,太阳轮浮动可自动定心适应误差影响,在行星架误差下太阳轮偏离理论原点最远;行星轮误差对系统响应影响最为显著,相较于其他部件误差产生的振动位移存在量级差异;所有行星轮均产生相同误差时系统的均载特性优于仅有单一行星轮误差。

非圆齿轮行星轮系非线性动力学特性分析

为解决非圆齿轮行星轮系动力学模型不完善、非线性动力学特性难以获取等问题,提出了一种非圆齿轮行星轮系动力学建模方法,并聚焦于时变参数激励下系统的动态响应机制,对非圆齿轮行星轮系非线性动力学特性进行研究。为精确分析系统非线性振动,对非圆齿轮齿侧间隙函数进行了拟合,在综合考虑齿面摩擦、时变啮合刚度、黏弹性阻尼、静态传递误差的基础上,通过引入相对位移坐标消除非线性方程的变量耦合。在此基础上,建立非圆齿轮行星轮系传动系统的动力学模型,并利用四阶变步长Runge-Kutta数值方法对系统非线性动力学方程组进行求解。获取了分岔图、时域图、相轨迹以及Poincaré映射,得到阻尼、齿面摩擦、时变啮合刚度等控制参数激励下系统的动态响应分布规律。结果表明:随各激励参数取值不同,系统呈现出混沌和周期运动相互过渡状态;合理选取激励参数,可减小系统在混沌与周期运动之间的时间间隔,快速进入稳定运动状态。研究成果可为抑制非圆齿轮行星轮系传动系统非线性振动、预测系统的动力学行为提供理论依据。

行星轮系周转运动过程中的润滑油液分布与搅油损耗研究

为探究行星齿轮传动系统飞溅润滑行为,基于移动粒子半隐式(Moving Particle Semi-implicit,MPS)方法建立了行星轮系飞溅润滑仿真模型,并对其进行了试验验证;研究了行星轮系周转运动过程中的减速器内部油液分布特征、轮齿啮合区润滑油液粒子数量以及各旋转部件搅油损耗的变化规律。研究结果表明,行星轮系周转运动过程中,减速器内部可划分为油池区、拖拽区和贫油区3个区间;行星轮渐次通过各区间过程中,不同啮合区域内油液粒子数量以及各部件搅油损耗力矩值均呈现周期性变化规律。其中,内啮合区与外啮合区润滑油液粒子数量在行星轮运行至油池区时达到峰值,并均在进入贫油区后迅速下降至最小值;行星轮搅油损耗力矩在进入油池区后急剧上升至峰值,在进入拖拽区后持续下降直至进入贫油区后稳定在极低水平;而行星架搅油力矩在某一行星轮进入油池区域时急剧下降,在该行星轮进入拖拽区且下一行星轮未进入油池区时快速回升。在整个周转周期内,太阳轮搅油损耗较小且变化趋势较为平缓。行星轮系总的搅油损耗功率中,3个行星轮总搅油损耗功率占比约为60%,其次是行星架,太阳轮占比最少。

基于传动比法3K(Ⅲ)型行星轮系自锁及效率最大化研究

行星轮系结构紧凑、传动效率高,在工业制造领域中运用广泛;对于具有自锁特性的机构,行星轮系存在广阔的运用空间。基于传动比法分析了3K(Ⅲ)型行星轮系的功率流向及效率公式,通过对该种行星轮系自锁时的效率进行优化处理,改善其运行性能,从而得到提高传动效率后的行星齿轮组反向自锁的传动比设置以及相应的效率大小。首先,利用基本公式求解周转轮系的传动比;其次,针对不同的情况分析周转轮系的功率流向;然后,综合上述条件绘制出效率曲线,并结合实例分析轮系自锁时的传动比状况;最后,通过具体案例验证了该方案的准确性和有效性。该方法能够得出存在反向自锁现象、行星轮系效率最大化时的传动比参数。

裂纹故障下的行星轮系唯象建模及其故障诊断

故障机制是故障诊断的基础,动态建模是研究故障机制的重要手段。现有的行星轮系动态建模主要包括动力学建模和唯象建模两方面。动力学建模难度大,且更多关注单个零部件的动力学特性;唯象建模则从宏观层面对系统特性进行描述。因此,建立行星轮系振动唯象模型,对行星轮系故障机制研究大有裨益。齿根裂纹是行星轮系中常见的故障类型之一。为此,建立了行星轮系正常与裂纹故障下的振动唯象模型,基于冲击动力学理论,计算了轮齿进入啮合时的啮合冲击力及其对动载因数的影响;在此基础上,建立了考虑啮合冲击影响的行星轮系振动唯象模型,得到了正常、太阳轮裂纹、行星轮裂纹等不同健康状态下的振动唯象模型响应;采用均方根、峭度等统计指标对模型响应进行分析,对比了各项统计指标在反映裂纹故障状态时的敏感性。结果表明,峭度可以作为有效反映行星轮系裂纹故障的指标之一。

考虑误差下的变位齿轮行星轮系载荷特性研究

针对制造误差和安装误差使得变位齿轮行星轮系行星轮在径向和周向的安装位置与无偏移值存在偏差,进而使行星轮间所受载荷不均匀的问题,开展了变位齿轮行星轮系载荷特性研究。基于转子动力学理论,考虑时变刚度和行星轮的径向与周向偏移,建立了变位齿轮行星传动系统5自由度动力学模型;采用龙格库塔法求解了系统的响应和频域图,研究了变位齿轮行星轮系的载荷特性,分析了在不同径向偏移量、周向偏移量、复合偏移量情况下的行星轮间载荷分布特性,探讨了行星轮的径向与周向偏移对行星轮系载荷分配的影响,得到了变位齿轮行星轮系载荷振动幅值在时间和频率下的变化规律。仿真结果表明,考虑误差的行星轮系载荷特性与无偏移情况下的载荷特性有较大的差异,其幅值受径向偏移的影响较大,其中,径向偏移量大对行星轮所受载荷的影响最大;在安装过程中,行星轮的微小偏移都可能导致载荷特性的巨大变化。搭建了行星传动系统振动测试试验平台,测试了行星减速机壳体的倍频振动响应信号,得到了行星传动系统载荷与振动响应之间的关系。试验结果的振幅变化趋势与仿真分析结果中的振幅变化趋势相似,证明所建立的动力学模型及理论计算比较准确。

刚度变化对行星轮系均载特性的影响分析

建立直齿圆柱齿轮行星齿轮传动系统的三维模型,并利用动力学仿真软件构建虚拟样机模型;通过动力学分析,验证了虚拟样机仿真模型的准确性和可行性。研究表明,传动系统中各零部件的支承刚度对均载特性均有明显影响,行星轮的支承刚度变化对均载特性的影响最为敏感;传动系统均载特性对太阳轮柔性支承刚度变化并不敏感,但对行星轮柔性支承刚度变化敏感性较强,均载系数有明显变化;轮齿啮合刚度变化对传动系统均载特性的影响具有独立性,同时减小内、外啮合刚度比单独降低啮合刚度的均载效果更为明显。

裂纹-点蚀耦合的人字齿轮行星轮系时变啮合刚度研究

为深入研究裂纹-点蚀耦合作用对人字齿轮行星轮系时变啮合刚度的影响,提出一种具有裂纹-点蚀耦合作用影响下的人字齿轮行星轮系时变啮合刚度的计算模型,采用势能法和积分法进行求解。分别研究了内、外啮合副含裂纹-点蚀耦合故障对人字齿轮行星轮系的时变啮合刚度的影响。结果表明,行星轮系内、外啮合副的时变啮合刚度随着裂纹-点蚀耦合故障程度增加而减小;当裂纹影响区未超过点蚀影响区时,裂纹和点蚀故障共同影响时变啮合刚度;当裂纹影响区超过点蚀影响区时,时变啮合刚度的变化由裂纹故障主导,其值减小量最大;同时,外啮合相对内啮合对裂纹-点蚀耦合故障更敏感。研究结果为人字齿轮行星轮系的动态振动特性提供理论依据。

行星齿轮系统剥落故障动力学建模及状态监测

针对行星轮系中剥落故障对啮合刚度及动力学特性的影响,采用能量法分析健康与剥落齿轮的时变啮合刚度,可知:随着剥落长度的增大,刚度显著下降。通过行星齿轮系统动力学模型仿真不同剥落故障程度齿轮的动力学振动响应,发现:剥落故障导致周期性冲击,幅值随剥落程度增大;在频谱中,故障频率及其倍频与边频成分明显。引入改进的时变滤波EEMD方法,有效识别故障特征频率,通过对比试验信号与仿真信号,验证了动力学模型与诊断方法的有效性。

风电齿轮箱行星轮系齿轮修形研究

前集成式传动链已经成为风电机组的主要技术路线,主轴系对第一级行星轮系耦合影响突出。以某中速永磁风电机组传动链为研究对象,建立了轮毂、主轴系和第一级行星轮系的一体化模型。轮毂中心施加载荷,进行仿真分析,研究了主轴系变形对第一级行星轮系啮合的影响,并进一步开展了齿轮微观修形设计和试验研究。研究显示,本文轮齿的微观修形方案能显著改善第一级行星轮系偏载现象,降低主轴系变形对第一级行星轮系啮合的影响,为风电齿轮箱行星轮系的参数设计和轮齿微观修形提供了参考依据。

考虑温度影响下行星轮系的均载特性分析

为分析行星齿轮传动系统在温度变化影响下均载特性的变化情况,采用集中参数法建立直齿圆柱齿轮行星轮系纯扭转多自由度动力学模型;并在模型中考虑了齿侧间隙、轮系综合误差以及时变啮合刚度的影响,推导出该行星轮系的动力学方程;分析了受温度效应影响下齿轮相关参数的变化情况;同时以动态均载系数作为评价指标,研究了在温度效应下行星齿轮传动系统均载特性的变化情况。结果说明,行星传动系统工作环境温度的升高会使偏载情况发生恶化,不利于传动系统的平稳运行。

自动变速器行星轮系疲劳点蚀故障诊断

随着新能源汽车、航空航天和工业机器人等行星轮系传动系统对疲劳寿命要求的提高,齿轮的疲劳点蚀的接触疲劳失效成为限制服役性能和可靠性的重要瓶颈。以某款国内汽车无极自动变速器的斜齿行星轮系为研究对象,提出基于粒子群优化算法自适应优化最大相关峭度解卷积参数的斜齿行星轮系点蚀故障诊断方法;通过优化周期性冲击信号时间和滤波器长度,利用无量纲的包络谱峰值因子评价函数自适应提取齿轮点蚀特征,对行星齿轮和太阳轮疲劳点蚀故障实验振动加速度信号进行特征提取与诊断。结果表明:该方法有效过滤外部噪声激励,突出故障特征,实现单一和复合故障特征的有效提取与识别,包络谱幅值因子寻优最大值、迭代次数和寻优速度均明显优于其他算法。

人字齿功率分流轮系均载仿真研究

均载设计技术是人字齿轮功率分流轮系发挥构型优势的关键技术。为提高人字齿功率分流轮系的均载特性,构建考虑支承刚度、扭转刚度以及齿轮副啮合刚度的静力学模型,剖析出在误差及载荷作用下影响均载特性的主要因素;利用Romax软件建立了含浮动构件、柔性构件、人字齿等结构特征并同时考虑误差、传动系统变形的有限元仿真模型,求解了传动系统的均载系数;研究了偏心误差、同步角、弹性轴扭转刚度、人字齿对称度误差等因素单独作用对均载特性的影响规律,基于正交试验法获得了多因素交互作用对均载特性的影响规律和显著性程度。结果表明,同步角和人字齿对称度误差对均载特性影响显著,弹性轴扭转刚度对均载特性影响次之,偏心误差对均载特性有一定影响。为获得较优的均载特性,设计中应采用较小的弹性轴扭转刚度;传动轴与齿轮连接花键套需采用参数匹配的设计方法,以获得较小的同步角。