高性能齿轮传动数据库软件设计与开发 (1).pdf

第2 9卷第8期计算机集成制造系统V o l.2 9N o.82023年8月C o m p u t e r I n t e g r a t e dM a n u f a c t u r i n gS y s t e m sA u g.2 0 2 3D O I:1 0.1 3 1 9 6/j.c i m s.2 0 2 3.0 8.0 0 1收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 0;修订日期:2 0 2 3-0 2-2 1。R e c e i v e d2 0O c t.2 0 2 2;a c c e p t e d2 1F e b.2 0 2 3.基金项 目:国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目(2 0 2 2 Y F B 3 4 0 2 8 0 1)。F o u n d a t i o ni t e m:P r o j e c ts u p p o r t e db yt h e N a t i o n a lK e y R e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tP r o g r a m,C h i n a(N o.2 0 2 2 Y F B 3 4 0 2 8 0 1).高性能齿轮传动数据库软件设计与开发刘怀举+,张洪春,魏沛堂,贾晨帆,李 扬(重庆大学 机械传动国家重点实验室,重庆 4 0 0 0 4 4)摘 要:针对我国高性能齿轮传动基础数据管理不规范,齿轮传动数据库和设计软件功能欠缺等问题,设计了高性能齿轮传动数据库软件框架和数据库结构,基于C+语言、Q t应用程序框架和轻量化数据库引擎S Q L i t e开发了高性能齿轮传动数据库软件,并应用于齿轮行业设计分析和生产管理。该软件实现了齿轮材料、工艺、结构、性能等基础数据的高效流程管理和科学数据分析;开发了包括工况分析、寿命预测、轴承选型、结构优化等齿轮传动系统设计模块,实现复杂可变边界条件下齿轮传动系统设计和多目标优化;成功应用于同向平双齿轮传动系统减重、特种车辆重载齿轮数据整理分析等,为高性能齿轮传动行业提供自主可控的有效工具支撑。关键词:齿轮传动;数据库;软件开发;多目标优化中图分类号:TH 1 3 2.4 1 文献标识码:AD e s i g na n dd e v e l o p m e n t o fh i g hp e r f o r m a n c eg e a r t r a n s m i s s i o nd a t a b a s e s o f t w a r eL I U H u a i j u+,ZHANG H o n g c h u n,WE IP e i t a n g,J I AC h e n f a n,L IY a n g(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM e c h a n i c a lT r a n s m i s s i o n s,C h o n g q i n gU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g4 0 0 0 4 4,C h i n a)A b s t r a c t:T os o l v et h en o n s t a n d a r dm a n a g e m e n to fg e a rb a s i cd a t aa n df u n c t i o nd e f i c i e n c i e s i nd o m e s t i cg e a rs o f t-w a r e,aH i g h-P e r f o r m a n c eG e a rT r a n s m i s s i o nD a t a b a s ea n dD e s i g nS o f t w a r e(H P G T D S)w a sd e v e l o p e db yu s i n gt h eC+p r o g r a mm i n gl a n g u a g e,t h eQ ta p p l i c a t i o nf r a m e w o r k,a n dt h eS Q L i t ed a t a b a s ee n g i n e.H P G T D Sw a sa p p l i e d i n t h eg e a r i n d u s t r y f o r d e s i g n,a n a l y s i s,a n dp r o d u c t i o nm a n a g e m e n t,e n a b l i n gh i g h-e f f i c i e n c y f l o wm a n a g e-m e n t a n ds c i e n t i f i cd a t aa n a l y s i so fg e a rm a t e r i a l s,m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s,g e a rs t r u c t u r e s,a n do p e r a t i n gp e r-f o r m a n c e.T h eg e a r t r a n s m i s s i o ns y s t e md e s i g nm o d u l e i n c l u d i n gw o r k i n g-c o n d i t i o na n a l y s i s,c y c l e-l i f ep r e d i c t i o n,b e a r i n gs e l e c t i o n a n d s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n f u n c t i o n s w a s d e v e l o p e d,t h u s t h e d e s i g n a n d m u l t i-o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no fg e a rt r a n s m i s s i o ns y s t e m sw i t hc o m p l i c a t e dv a r i a b l eb o u n d a r yc o n d i t i o n sw e r er e a l i z e d.HP G T D Sw a ss u c c e s s f u l l ya p p l i e d i nt h ew e i g h t r e d u c t i o no fac o-r o t a t i n gt w i n-s c r e wg e a r t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dah e a v y-d u t yg e a rd a t a b a s eo fv e h i c l e s,p r o v i d i n ge f f e c t i v es u p p o r t f o r t h eh i g h-p e r f o r m a n c eg e a r i n d u s t r y.K e y w o r d s:g e a r t r a n s m i s s i o n;d a t a b a s e;s o f t w a r ed e v e l o p m e n t;m u l t i-o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n0 引言高性能齿轮是机械传动系统中的关键基础零部件,广泛应用于航空、航天、风电、舰船、车辆和机器人等重要工业领域,直接决定了装备和系统的服役性能和可靠性1-2。工业4.0的发展趋势亟需推进信息化和工业化的深度融合,“制造强国”和制造业的转型升级对高性能齿轮的设计制造及数据库提出了迫切需求3-4。目前,我国齿轮行业存在基础数据管理不规范、设计效率低下、国产齿轮传动设计系统软件功能欠缺等问题,极大地限制了高性能齿轮传动的功率密度和可靠性等技术水平。因此,开发具有齿轮基础数据流程管理、高效数据分析处理方法、传动系统主动设计和多目标参数优化功能的高性能计算机集成制造系统第2 9卷齿轮传动数据库软件,是助力我国齿轮传动行业高质量发展的重要途径。从齿轮行业信息化来看,发达国家的齿轮设计、制造和数据库软件较为成熟。德国慕尼黑工业大学F Z G齿轮研究中心从2 0世纪中叶持续开展齿轮基础数据建设,主导开发了软件F VA-W o r k b e n c h5,可对圆柱齿轮、伞齿轮、轴、轴承等传动件进行几何参数和承载能力计算,所建设的齿轮疲劳强度等基础数据支撑了I S O和D I N齿轮标准的制订;美国G l e a s o n公司通过并购K I S S s o f t软件6完成了高端与中低端齿轮设计软件的有机结合,实现了圆柱齿轮、圆锥齿轮、行星轮系齿轮及其轴系零件标准计算、3 D建模、运动学分析等全流程设计分析功能;美国俄亥 俄州立大学 齿轮实验室 开发的W i n d o w sL D P软件7可以对渐开线圆柱齿轮传动副的载荷分布、齿根应力、传动误差、油膜厚度和轮齿修形进行精确分析;英国R o m a x和MA S T A系列软件8-1 1可完成齿轮传动系统的设计分析、动力学分析、动力学仿真和结构优化工作,广泛应用于风电、航空航天、汽车 等领域齿轮 传动系统的 设计分析;德 国MD E S I GN系列软件1 2-1 3可实现多级圆柱齿轮传动系统的载荷分析、修形优化、传动轮系的快速布置及有限元求解行星传动系统的变形情况;L I1 4开发的摆线齿轮减速器设计软件可快速计算齿轮参数和结构尺寸,有效优化并降低齿轮的载荷和接触应力;A R S L AN等1 5开发的汽车齿轮变速箱分析软件通过汽车变速箱齿轮传动系统运行仿真,能计算出变速箱传动比、行程、拖动力等参数,实现变速箱齿轮传动系统的信息化设计。国内齿轮行业信息化也有了一些发展,针对齿轮设计、制造、测试等各流程环节已形成了一系列设计和生产专用系统或软件。针对齿轮加工设备,苏丹1 6研究并开发了滚齿机刀夹具智能选配与管理系统,为滚齿机刀夹具智能选配提供了理论和技术支持;白雪等1 7基于W e bs e r v i c e s设计开发了齿轮加工数字化车间刀夹具管理系统,实现齿轮加工刀夹具计划、置办、使用和维护的全寿命周期数字化管理。针对齿轮工艺开发,张宇等1 8设计开发了弧齿锥齿轮高速切削数据库,可以快速获取弧齿锥齿轮机床、夹具、工件、加工等技术参数;文献1 9-2 2 开发了A RM(a d v a n c e dr i s cm a c h i n e)+D S P(d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r)+F P GA(f i e l dp r o g r a mm a b l eg a t ea r r a y)硬件平台下的嵌入式滚齿加工工艺数据库数控系统和珩齿工艺数据库系统,一定程度上提高了齿轮制造的自动化及信息化。针对齿轮设计分析,郑州机械研究所开发的齿轮传动C A D集成系统软件Z G C A D2 3,囊括了常见的齿轮传动设计计算方法,包含圆柱齿轮、锥齿轮、双圆弧齿轮等齿轮等参数化计算和绘图功能;陈家乐2 4通过.N E T丰富的应 用 程 序 接 口(A p p l i c a t i o n P r o g r a mm i n gI n t e r f a c e,A P I)将MAT L A B、M y S Q L、E x c e l等软件集成一体,设计开发了齿轮参数化设计软件,促进了减速器齿轮智能优化设计;Z HU等2 5编写了齿廓计算软件,并二次开发了基于S o l i d W o r k s的渐开线直齿圆柱齿轮的精度模型,实现修形齿轮的参数化精确建模、动态模拟和干涉检查。尽管国内出现了一系列齿轮建模设计、生产制造及数据管理软件,但是与R o m a x、MA S T A、K I S S s o f t等国外先进齿轮设计分析软件依然存在巨大差距,导致国外齿轮传动设计软件占据国内绝大多数市场份额。国内齿轮行业基础数据匮乏、数据管理不规范,齿轮设计、工艺、试验等基础数据难以得到有效管理和分析利用;设计制造试验多流程协同开发场景缺失,国内软件大多是面向齿轮单个流程开发,只适合齿轮设计制造全流程中特定的场景。国内齿轮传动系统设计和优化软件少,功能欠缺,目前对于齿轮参数优化往往都是基于单一目标函数,缺乏传动系统的多目标全局优化;软件及功能模块难以有效支撑高性能齿轮设计、制造、试验全流程数字化与智能化,明显制约了我国高性能齿轮行业的发展水平和齿轮传动装置的技术指标。本文研究开发了一款面向我国设计、材料、工艺和服役环境的高性能齿轮传动数据库软件,实现了高性能齿轮基础数据流程管理、数据分析处理、传动系统主动设计及多目标优化等模块功能创新,在齿轮行业设计分析和生产管理中得到应用,为高性能齿轮传动研发提供了有效的工具支撑。1 软件总体设计高性能齿轮传动数据库软件是实现齿轮传动系统高效设计、数据科学管理、试验规范操作和构建正向研发体系的重要技术平台。高性能齿轮传动类型多、要求高、工况复杂,设计和制造流程长,涵盖齿轮几何结构、疲劳性能、材料工艺等参数,类型众多、数量庞大2 6。因此,分析高性能齿轮传动设计需求和流程,开发的高性能齿轮传动数据库软件应实现以4152第8期刘怀举 等:高性能齿轮传动数据库软件设计与开发下功能:齿轮材料、工艺、结构、试验、设备等参数的高效流程管理和数据分析;齿轮、轴、轴承等传动件参数精确计算和标准件选型;高性能齿轮传动系统结构设计、寿命校核和多目标优化。高性能齿轮传动设计与数据库软件基于客户端/服务器(C l i e n t/S e r v e r,C/S)形式的二层架构进行搭建,采用C+编程语言编写内核程序,利用Q t程序框架进行软件人机交互界面的设计,基于轻量型数据库引擎S Q L i t e实现底层数据库表的设计、管理和数据存储。同时,应用P y t h o n语言开发疲劳寿命数据分析、齿轮参数相关性和贡献度等算法模型,并将算法模型、M a t-p l o t l i b等第三方库及运行依赖环境打包封装,通过C+程序预留的A P I进行算法模型调用。1.1 软件框架设计分析高性能齿轮传动设计和数据库软件的功能需求,并充分考虑软件后续完善与A P I接入需求,采用自顶向下的设计方法,从软件整体结构到各个局部结构逐级进行设计,得到完整的软件框架结构。如图1所示为软件框架结构图,软件框架分为系统平台层、数据层和应用层。其中,系统平台层主要包括操作系统、数据库和服务器引擎;数据层主要包括齿轮试验、齿轮几何、齿轮工艺、齿轮标准等数据库表;应用层是用户在屏幕上能直接看到和操作的部分,是软件功能模块的直接呈现。软件应用层共分为试验与数据管理、齿轮设计与分析、传动系统设计与优化、系统后台管理4个模块。应用层中,试验与数据管理模块包括试验管理、基础数据库、数据分析3个子模块;齿轮设计与分析包括金属齿轮和塑料齿轮2个子模块;传动系统设计与优化模块包括工况输入、传动方案、齿轮设计校核、轴系设计校核和轴承选型设计5个子模块;系统后台管理包括个人中心、用户管理和权限管理3个子模块。以上4个模块相互关联,系统后台管理模块用于设置用户对另外3个功能模块的访问和操作权限;试验与数据管理模块为齿轮设计与分析模块、传动系统设计与优化模块提供数据支撑;齿轮设计与分析模块将数据库中的数据应用起来,并可将新设计的齿轮参数存储在试验与数据管理模块中;传动系统设计与优化模块和前两个模块关联,其中齿轮、材料等数据来源于试验与数据管理模块,齿轮设计、校核等部分功能通过调用齿轮设计与分析模块实现。1.2 数据库设计数据库是该齿轮传动设计软件功能模块的基础,需要满足齿轮基础信息、齿轮试验参数等大量数据的存取、查询、删改等管理功能需求。根据软件功能框架,首先确定齿轮软件的整体概念模型,然后逐级分析并确定齿轮几何参数、齿轮材料参数、齿轮工艺参数等局部概念模型。齿轮传动设计中主要包含的实体集有试件、试件材料、试件工艺、加工试验设备、试验参数、润滑剂实体集等。实体集的属性主要包含齿轮齿数、模数、压力角、加载力、失效形式、疲5152计算机集成制造系统第2 9卷劳寿命、磨削速度、磨削深度等。根据上述描述建立齿轮复杂数据间的实体关系和映射关系,绘制出如图2所示的高性能齿轮传动数据库软件的实体关系(E n t i t y-R e l a t i o n s h i p,E-R)图。根据概念模型向关系模型的转换规则,将概念模型图转换为齿轮传动数据信息表格及逻辑结构,根据关系规范化理论对关系模型进行减小冗余处理,为齿轮传动每一类数据创建数据表。以数据库概念模型图为基础,为齿轮传动中的实体建立相关数据表,建立了用户表、角色表、权限表、齿轮表、材料表、工艺表、试验表等齿轮传动软件包含的2 1张表。为了保证数据表项的完整性,邀请专业人员根据标准、规范对数据表项严格把关,反复核对和修改表项,并对数据表中每个字段进行开会讨论和敲定。分析各表之间的相互关联关系以及表中的参数类型,设置各个数据表的数据类型、主键以及外键。在数据表中使用各表主键区别各个数据信息在数据库中的唯一性,并使用外键将各个表相互关联起来,建立了数据间的逻辑关系。2 功能模块开发2.1 系统后台管理模块系统后台管理模块用于提高软件的数据完备性,实现不同角色用户访问和操作权限分级管理,防止用户访问未授权数据或误操作删改数据库中数据,该模块包括个人中心、用户管理和权限管理3个子模块。如图3所示为软件的系统后台管理模块流程图,在用户进行登录并且身份验证成功后,系统会自动根据用户名在数据库中查询并返回当前用户对应的角色映射关系,根据返回的分配角色加载显示对应的功能菜单,以及根据角色授予当前用户对应的操作权限,实现用户的多级权限管理。多级权限管理系统实现不同角色用户不同的浏览和操作权限,如弯曲疲劳试验组、接触疲劳试验组人员只能够查看和修改自己试验组的数据,在未授权的情况下无法查看和修改其他试验组的试验数据,加强了数据完备性保护。2.2 试验与数据管理模块试验与数据管理模块用于高效管理和分析处理齿轮传动设计、制造、试验、检测过程中的基础数据。我国自2 0世纪七十年代陆续开展过齿轮疲劳性能试验,但由于缺乏规范的数据管理方法,大量数据难以得到妥善存储和充分利用。适合我国新材料、新工艺环境基础数据的缺乏,导致目前我国齿轮疲劳强度设计方法仍移植于几十年前的国外标准,高性能齿轮正向设计体系无法形成闭环。针对上述问题,遵循如图4所示的“数据建设数据存储数据管理数据分析”研究思路,重庆大学课题组开展了大量 齿 轮 疲 劳、胶 合 试 验 和 表 面 完 整 性 表 征 测试2 6-2 9,积累了丰富的现代齿轮基础数据,并针对数据存储管理、科学分析等迫切需求,设计和开发了试验与数据管理模块。该模块包含试验管理、基础数据库和数据分析3个子模块,以齿轮试验数据为中心,扩展到基础材料、制造工艺、加工试验设备及试验工况等参数,实现齿轮基础数据流程化管理,有效规范数据的存储和挖掘利用。6152第8期刘怀举 等:高性能齿轮传动数据库软件设计与开发 如图5所示为试验管理子模块界面,该子模块参考G B/T1 4 2 3 0等标准和重庆大学高性能齿轮弯曲、接触、胶合等疲劳试验方案开发,目前共包含齿轮接触疲劳试验、齿轮弯曲疲劳试验、齿轮胶合试验、滚子滚动接触疲劳试验、摩擦磨损试验等5个试验部分。该模块是将高性能齿轮试验的经验知识积累沉淀并且软件化,便于试验人员在试验过程中对齿轮参数、试验参数和试验失效前后图片等数据进行有效管理,以及进行名义弯曲应力、接触应力和胶合极限温度等关键数据的准确计算。如图6所示为基础数据库子模块界面,该模块对齿轮传动包含的基础材料、制造工艺、服役性能等基础数据进行梳理分类,形成了包含材料库、设备库、工艺库、试验库和其他库等在内的1 5个子数据库。其中,材料库包括金属材料数据库、粉末冶金材料数据库和塑料与复合材料数据库;工艺库包含磨削工艺库、常规喷丸工艺库、滚磨光整工艺库和激光冲击强化工艺库;试验库包含齿轮弯曲疲劳试验库、齿轮接触疲劳试验库、齿轮胶合试验库、滚动接触疲劳试验库和摩擦磨损试验库;其他库包括润滑油库和润滑脂库。该子模块支持数据库中数据的增删改、模糊查询、数据排序、数据统计和数据导出等功能,为数据分析、齿轮设计和传动系统设计提供数据支撑。7152计算机集成制造系统第2 9卷2.3 齿轮设计与分析模块齿轮设计与分析模块用于计算齿轮接触应力、弯曲应力、安全系数以及寿命等参数,包含金属齿轮、塑料齿轮2大子模块,每个子模块中包含齿轮弯曲强度、接触强度等若干个子功能模块。该模块参考I S O、V D I、G B等国内外标准进行开发,将1 0余项齿轮设计标准软件化,将大量公式和图表数据进行程序化处理。包括金属齿轮弯曲疲劳、接触疲劳、胶合强度,以及塑料齿轮承载能力校核、温度与闪温计算、磨损与变形等计算设计模块,涵盖了如表1所示的G B/T3 4 8 0、G B/T6 4 1 3、H B/Z8 9等金属齿轮标准以及V D I 2 7 3 6等塑料齿轮服役性能分析标准。表1 齿轮设计与分析模块主要的参考标准子功能模块主要参考标准金属齿轮圆柱齿轮圆锥齿轮弯曲强度G B/T3 4 8 0.1-3、I S O6 3 3 6.3接触强度I S O6 3 3 6.2、I S O6 3 3 6.6胶合强度G B/Z6 4 1 3.1-2、HB/Z8 4.1-4、H B/Z8 9.1-4弯曲强度G B/T1 0 0 6 2.3接触强度G B/T1 0 0 6 2.2胶合强度G B/T1 0 0 6 2.1、G B/Z6 4 1 3.1-28152第8期刘怀举 等:高性能齿轮传动数据库软件设计与开发塑料齿轮圆柱齿轮副交错轴蜗杆与斜齿轮承载能力校核温度及闪温磨损与变形承载能力校核效率计算V D I 2 7 3 6B l a t t 1-3 如图7所示为齿轮设计与分析模块的圆柱齿轮胶合强度分析界面,该功能界面可以对不同加载工况和润滑环境下的圆柱齿轮的本体温度、平均温度、积分温度等参数进行快速求解,并提供目标齿轮的结构简图。该界面中齿轮材料与润滑油参数可直接从试验与数据管理模块中的材料数据库中调用,也可以自定义材料弹性模量、泊松比、密度等属性参数。2.4 传动系统设计与优化模块传动系统设计与优化模块主要用于实现高性能齿轮传动系统的正向设计和优化。如图8所示为传动系统设计与优化模块流程图,将齿轮传动系统设计与优化分为工况输入、传动方案、齿轮设计校核、轴系设计校核和轴承选型计算5个步骤,并相应开发了5个子功能模块。工况输入子模块用于输入齿轮传动系统所需参数,包括输入功率、输入转速、输出转矩、输出转速、安全系数和运行寿命等设计和工况参数,软件可根据输入参数给出提示信息,引导用户确定满足传动9152续表1计算机集成制造系统第2 9卷系统技术要求的工况参数;在传动方案子模块中,根据输入参数可以自动对各级齿轮传动比进行分配,对转轴功率、转速和扭矩进行计算,并绘制齿轮传动简图;在齿轮设计校核子模块中,该模块自动获取工况参数与齿轮材料、工艺参数作为输入参数,根据内置的齿轮传动结构参数设计优化模型,基于启发式搜索算法自动设计啮合齿轮的模数、齿数和变位系数等几何参数,计算校核主、从动齿轮的接触应力、弯曲应力和安全系数,并基于N S GA-遗传算法对设计齿轮参数进行适应度评价、选择、交叉和变异计算,最终计算得到满足齿轮传动系统轻量化、等强度等多目标优化的齿轮结构参数;在轴系设计校核子模块中,软件可计算出齿轮轴的各个轴段长度和直径参数,同时提供轴的结构简图和弯矩图,完成轴系受力分析和安全系数校核;在轴承选型计算子模块中,该模块通过前置模块自动获取系统工况、齿轮结构参数和轴系结构参数,并根据轴系强度校核参数计算和选择满足该轴设计条件的圆柱滚子、圆锥滚子等多种型号轴承。该模块根据多级齿轮传动系统设计流程,采用从工况输入至轴承选型设计的线性设计方式,可以完成可变边界条件下齿轮传动系统的一体化设计。3 软件应用实例开发的高性能齿轮传动数据库软件已经在齿轮行业设计分析和生产管理中得到成功应用,下面主要介绍特种车辆重载齿轮数据库、齿轮疲劳试验数据分析、同向平双齿轮传动系统设计等应用案例。3.1 特种车辆重载齿轮数据库系统应用应用本软件中的试验与数据管理模块对特种车辆中的重载齿轮弯曲、接触疲劳试验数据进行整理分析,探索重载齿轮“材料工艺性能”参数之间的关联规律,实现特种车辆重载齿轮基础数据的有效管理和分析利用。以重载齿轮疲劳试验数据为中心,扩展到齿轮材料、齿轮工艺等数据,将繁杂的重载齿轮数据分为齿轮材料、齿轮设计、齿轮工艺、加工试验设备、齿轮试验等5类。结合企业实际生产需求,建立齿轮多元异构数据管理分析的概念模型,设计了1 2个特种车辆重载齿轮参数表,分别为:齿轮参数表、锻造工艺参数表、磨削工艺表、热处理工艺表、表面强化工艺表、传统金属材料表、粉末冶金材料表、设备表、弯曲疲劳试验点表、弯曲疲劳试验组表、接触疲劳试验点表和接触疲劳试验组表。如图9所示为应用得到的特种车辆重载齿轮数据库系统,涵盖材料库、工艺库、试验库等1 0个数据子库,支持齿轮数据增删改、模糊查询、数据导出等基本功能,实现对空缺和异常数据值进行丢弃、填充,同时能够按照齿轮弯曲疲劳、齿轮接触疲劳试验组数据实现齿轮试验寿命数据分析,绘制齿轮应力寿命(S t r e s s-N u m b e r o fC y c l e s,S-N)曲线等功能,有效支撑了某企业新一代特种车辆重载齿轮主动设计。0252第8期刘怀举 等:高性能齿轮传动数据库软件设计与开发3.2 齿轮疲劳试验数据分析应用齿轮试验基础数据是高性能齿轮正向研发的基础,齿轮基础数据建设耗时耗力,采用科学良好的数据统计分析方法,将齿轮基础数据挖掘利用起来,是实现高性能齿轮正向设计的有效手段。基于齿轮弯曲、接触疲劳试验数据,采用软件中包含的疲劳试验数据处理子功能模块,实现对齿轮疲劳试验数据进行分析处理。以课题组提供的包含2 2个样本点的齿轮弯曲疲劳极限试验数据集为算例,将2 2个样本点从弯曲疲劳试验数据库中导入到图1 0 a所示的小样本升降法子模块,统计分析加载力、失效个数和越出个数后,可以得到D i x o n-M o o d法下齿轮弯曲疲劳极限分布参数的期望和标准差。利用B o o t s t r a p进行1 00 0 0次样本扩充,得到样本扩充后的期望和标准差,并生成图1 0 d所示的期望和标准差分布图。采用S v e n s s o n-L o r n法和C QU b o o t法3 0对标准差进 行 修 正,分 别 得 到S v e n s s o n-L o r n法 和C QU b o o t法修正后的标准差值,并生成图1 0 e所示的标准差分布对比图,并进一步得到5 0%、9 0%、9 9%等不同可靠度下的齿轮弯曲疲劳极限值。在用小样本升降法处理数据得到不同可靠度下齿轮弯曲疲劳极限后,进一步对采用成组法对该试验组数据进行分析处理。图1 0 b所示为成组法疲劳极限分析处理界面,首先对导入的2 2个样本点数据进行各应力级及寿命集的统计,再对数据集进行对数正态和三参数威布尔分布参数计算,根据计算结果选取三参数威布尔分布进行曲线拟合,最后得到图1 0 f所示的S-N曲线。该软件模块的大幅提高了齿轮疲劳基础数据建设和分析效率,齿轮试验成本降低了近一半,在航空、风电、汽车等行业得到良好应用。3.3 同向平双齿轮传动系统设计优化应用以某工业齿轮传动企业提供的“8 5”型号挤出机同向平双齿轮传动系统参数为例,在本软件中设计的齿轮传动方案如图1 1所示。该型号传动系统被分为三级齿轮传动,共包含3对啮合齿轮、7根传动轴、1 4个轴承,承载能力系数比扭矩达到1 1.4 9Nm/c m3,满足传动系统高扭矩输出要求。在等可靠性、等寿命的条件下,采用本软件中融入的遗传算法对分层搜索获取的初始解集进行迭代寻优,与原有的挤出机齿轮传动系统设计方案相比,挤出机传动系统整体减重7.9 8%。与K I S S s o f t软件强度校核结果对比发现,齿轮接触安全系数偏差率在5%以内,弯曲安全系数S F在显著高于强度约束1.5的条件下,偏差率在1 0%以内,保证在本软件中计算校核结果具有较高准确度和可靠性,显著提高了该型式不同型号的齿轮箱开发效率与精益设计水平。1252计算机集成制造系统第2 9卷4 结束语本文针对国内齿轮传动基础数据管理不规范、传动系统设计和优化软件功能欠缺等问题,开展了高性能齿轮数据流程管理、数据分析处理、传动系统主动设计和多目标优化等方面的研究,开发了面向我国材料、工艺和服役环境的高性能齿轮传动数据库软件,并在行业进行了应用验证。主要工作如下:(1)分析了高性能齿轮传动数据库软件的整体功能需求,梳理了齿轮材料、工艺、结构、性能的数据关系,设计了软件的总体框架和数据库的概念结构、逻辑结构,建立了数据库的逻辑关系和E-R模型。(2)开发了C/S架构的高性能齿轮传动数据库软件,包含试验与数据管理、齿轮设计与分析、传动系统设计与优化和系统后台管理等模块,实现了高性能齿轮设计-制造-试验全流程数据管理、齿轮设计校核、传动系统设计与多目标优化等模块功能创新。(3)开发的高性能齿轮传动数据库软件在齿轮行业设计分析和生产管理中得到应用,采用本软件的小样本分析方法处理齿轮疲劳试验数据降低试验成本近一半;采用本软件的传动系统多目标遗传优化模块实现了同向平双齿轮传动减重7.9 8%;特种车辆重载齿轮基础数据库模块应用于我国某特种车辆齿轮企业数据管理;有效支撑了我国高性能齿轮传动数据建设、技术更新与装备研发。本文所开发软件实现了齿轮基础数据流程管理、数据分析处理、齿轮传动系统主动设计和多目标优化等功能。但目前在数据安全存储、数据实时交互上仍有提升空间,未来会在提高数据安全性、数据实时交互性等方面开展进一步研究。参考文献:1 L I U H u a i j u,Z HAN GB o y u,Z HUC a i c h a o,e t a l.S t a t eo f a r t o fg e a rc o n t a c tf a t i g u et h e o r i e sJ.J o u r n a lo fM e c h a n i c a lE n g i-n e e r i n g,2 0 2 2,5 8(3):9 5-1 2 0(i nC h i n e s e).刘怀举,张博宇,朱才朝,等.齿轮接触疲劳理论研究进展J.机械工 程学报,2 0 2 2,5 8(3):9 5-1 2 0.2 L I U H u a i j u,L I U H e l i,Z HU C a i c h a o,e ta l.R e v i e wo ng e a rt o o t hf l a n kf r a c t u r eJ.J o u r n a l o fB e i j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h-n o l o g y,2 0 1 8,4 4(7):9 6 1-9 6 8(i nC h i n e s e).刘怀举,刘鹤立,朱才朝,等.轮齿齿面断裂失效研究综述J.北京工业大学学报,2 0 1 8,4 4(7):9 6 1-9 6 8.3 HEY u a n j u n.R o a dt or e s t a r td o m e s t i c C A D s o f t w a r eJ.C o m p u t e rI n t e g r a t e d M a n u f a c t u r i n gS y s t e m s,2 0 2 1,2 7(1 1):3 0 5 7-3 0 7 5(i nC h i n e s e).何援军.国产C A D软件重启之路J.计算机集成制造系统,2 0 2 1,2 7(1 1):3 0 5 7-3 0 7 5.4 L US h a o j u n,C U IL o n g q i n g,Z HAO T i n g,e ta l.R e v i e wa n dp r o s p e c to f a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c em e t h o d s f o r c o l l a b o r a t i v e o p t i-m i z a t i o no fh i g h-e n de q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gJ.C o m p u t e rI n t e g r a t e dM a n u f a c t u r i n gS y s t e m s,2 0 2 2,2 8(7):1 9 4 0-1 9 5 2(i nC h i n e s e).陆少军,崔龙庆,赵 婷,等.面向高端装备制造协同优化的人工智能方法研究综述与展望J.计算机集成制造系统,2 0 2 2,2 8(7):1 9 4 0-1 9 5 2.5 GO L D S T E I N M.F V A-w o r k b e n c h5.5:O f f e r s d e t a i l e d t r a n s m i s-s i o nc a l c u l a t i o nr e s u l t sJ.G e a rT e c h n o l o g y,2 0 1 9(5):3 6.6 K I S S S O F T.K I S S s o f t r e l e a s e2 0 1 9u s e rm a n u a l:K I S S s o f tA GZ.N e wY o r k,N.Y.,U S A:G l e a s o nC o m p a n yB u b i k o n,2 0 1 9.7 R AOBR,T I WA R IR.D e t e c t i o no fa s y mm e t r i ct r a n s m i s s i o ne r r o r i ng e a r e dr o t o r s y s t e mt h r o u g ht r a n s v e r s ev i b r a t i o na n a l-y s i su s i n gf u l l s p e c t r u mJ.P r o p u l s i o na n dP o w e rR e s e a r c h,2 0 2 0,9(3):2 5 5-2 8 0.8 Z HE N GB i b o.D e s i g na n da n a l y s i so fR 1 0 1a u t o m o b i l ed r i v ea x l e g e a r b a s e d o n R OMA X s o f t w a r eD.C h e n g d u:U n i v e r s i t yo fE l e c t r o n i cS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y o fC h i n a,2 0 1 4(i nC h i n e s e).郑碧波.基于ROMA X软件的R 1 0 1汽车驱动桥齿轮设计与分析D.成都:电子科技大学,2 0 1 4.9 S E ANG,S E AN M,R O B E R T C.A n a l y s i s o f l a r g e-s c a l eh y b r i da e r o s p a c es p u r