为提高人字齿行星减速器的均载性能,提出了一种新型膜片式柔性行星架的设计思路,并通过有限元分析,对比了不同参数方案。通过ADAMS虚拟样机技术对人字齿行星减速器进行了动力学仿真,提取各齿轮副啮合力,并由此计算出各行星轮均载系数,验证采用膜片式柔性行星架对两级行星轮系均载性能的影响。分析结果证明,采用新型膜片式柔性行星架可以有效提高均载性能。

以典型风电机组主轴传动系统构型为例,根据轴系的结构特点构建了轴系的力学模型。选择轴承的体积、寿命作为优化指标,构建多目标优化函数;综合考虑轴承内部及轴承之间的几何结构约束与性能要求,建立优化约束函数;确定优化设计变量,建立了主轴轴承优化模型。将建立的优化模型应用于某型号主轴轴系的优化设计,对比了不同优化目标下的体积、寿命的优化结果,通过RomaxDesigner进行验算,验证了模型与算法的有效性与合理性。

针对如何设计出既满足轴承主要性能要求且体积最优的双列圆锥滚子轴承这一实际工程问题,提出了一种以轴承体积为优化目标的双列圆锥滚子轴承优化设计方法。该方法将轴承的主参数作为优化变量,将轴承结构的几何关系、许用接触应力和期望寿命作为优化约束,并采用遗传算法对该模型进行了求解。分析了该模型中不同交叉率对优化目标值的影响,找到了最佳交叉率。通过该优化方法,对某风机主轴承进行了设计,得到了体积最小且满足应力和寿命要求的双列圆锥滚子轴承的设计参数。将优化出的轴承体积与先前使用的轴承进行了对比,发现轴承空间体积减少22%。

变桨轴承是风力发电机组中重要的部件之一,在发电过程中起着重要作用。基于MATLAB实现了变桨轴承结构参数的自动化设计。首先在输入界面输入已知条件,之后程序开始对数据进行处理,接着基于遗传算法对轴承进行优化设计,最后自动输出设计结果,从而实现变桨轴承的自动化设计,并建立了变桨轴承知识库,将轴承的数学模型和材料属性等存储在知识库,设计时直接调用即可,每次的设计结果也储存在知识库。以某型号的变桨轴承为设计算例,验证了此自动设计方法的可行性和有效性。

提出了轴系结构方案正向设计数字化方法,实现轴系由机构简图展开成结构方案的自动化设计过程。通过定义支撑点、载荷点之间的相对位置关系,实现轴系布局设计;根据轴承的定位和受载特性给出可行的轴承组合方式和配置方式,实现轴系支点结构化;针对不同的轴系方案形成统一的轴系力学模型,并建立计算机可识别的轴系方案数字模型;以轴系体积最小化为目标优化轴承型号、轴结构和载荷点位置。由此归纳出可以形成具有不同布局、结构、尺寸参数的多种轴系结构方案的数字化设计方法,为运动副结构的展开提供了数字化解决方案。

为了分析研究大型三排滚子轴承的工作可靠性,提出了考虑滚动体修形与轴承游隙的三排滚子轴承承载分析模型。采用组合单元引入轴承游隙与滚动体修形曲线,修形曲线通过离散成组合单元初始间隙体现滚动体与滚道之间的非线性几何关系;采用非线性刚度弹簧组模拟滚动体受力变形,通过赫兹线接触理论计算非线性弹簧组的刚度,体现滚动体与滚道之间的非线性接触力学关系;通过与实体单元模型对比,证明所提出模型的有效性及优势;实现了在考虑轴承结构刚度基础上,分析考虑滚动体修形与轴承游隙的三排滚子轴承承载性能。最后采用所提出的模型对某型号风电机组主轴承进行承载性能分析,为风电机组主轴承的游隙与滚动体修形的设计或轴承整体校核提供了理论依据。

针对小型深沟球轴承装配中的合套工序,提出了一种以游隙和回转精度为目标的轴承元件选配优化方法。首先,从深沟球轴承内部几何关系入手,建立了轴承回转精度数值模型;然后在此基础上,研究了以轴承径向游隙及回转精度为约束条件的轴承元件选配方法。结果表明,轴承元件的不同组合方式对轴承性能具有不同的影响,与传统的轴承合套方法相比,所提出的轴承元件选配方法能够有效提高轴承合套率以及轴承回转精度。

以轴系的模块化知识模型为基础,提出了综合结构设计和性能设计的轴系数字化设计方法。综合考虑轴系的结构组成及性能分析类型,对轴系进行了模块化划分,并从功能属性、工作性能、经济性和结构合理性4个方面建立了轴系结构评价指标模型,通过模糊层次分析法建立评价模块,实现了轴系设计方案评价和最优方案选择。最后通过案例说明了轴系结构设计流程,证实了其可行性,为机械结构设计提供了数字化解决方案。

为了培养新工科背景下的高端复合型人才,文中调研机械基础课程的现状,探索实验教学创新模式,以课程教学互动APP、物联网实验教学系统、教学轨迹数据分析与评价系统为基础,打造一个集互动学习、实验台设计、虚拟仿真分析、实验台实物搭建、实验台控制与测试为一体的“虚拟—现实”场景,让学生在学习课程内容、开展实验的过程中,充分理解现代数字化设计、智能制造、工业物联网、工业大数据分析等在工程实践过程中的应用。

针对MW级风电机组变桨轴承静强度与疲劳强度分析的问题,建立了考虑轴承支撑结构刚度及螺栓连接的＂叶片-轴承-轮毂＂整体等效有限元模型。变桨轴承等效模型中滚球与滚道接触采用非线性弹簧等效,弹簧刚度利用Herz理论进行计算,并将弹簧节点与滚道曲面采用刚性联接,模拟滚球与滚道的接触边界条件;轴承与叶片、轮毂的螺栓连接采用梁单元进行等效,两端分别与被联接零件刚性联接,模拟轮毂-轴承-叶片螺栓联接接触边界条件;模型中弹簧载荷即为滚球载荷,基于Herz接触理论将得到的滚球载荷转化为接触应力,并可以分析滚球接触角变化与套圈变形及应力。采用此模型并结合ISO标准可以在考虑支撑结构及螺栓连接的基础上有效地分析变桨轴承静强度及疲劳强度,并且减少大规模接触计算,提高了计算效率。