疲劳点蚀斜齿轮动力学仿真预测与故障识别试验研究

斜齿轮是汽车变速器的核心传动零部件,齿面点蚀是影响汽车变速器传动平稳与可靠性的主要故障形式之一.通过冲击函数法,接触线百分比法和齿轮系统动力学理论,建立了不同点蚀类型的斜齿轮系统动力学模型,分析了点蚀斜齿轮系统的动态响应.同时,通过齿轮疲劳点蚀试验,获得了不同点蚀程度齿轮振动加速度信号,并通过快速傅里叶变换(Fast Fourier transformation,FFT)分析,得到了不同点蚀程度对齿轮振动加速度的时域和频域特征变化规律,验证了动力学模型的准确性.结果 表明,运用动力学方法分析斜齿轮系统动态响应可以对斜齿轮点蚀程度和点蚀形式进行预测和识别.     

点蚀故障对齿轮传动系统噪声的影响

针对不同数滚机床齿轮齿面点蚀故障严重程度对齿轮传动系统噪声的影响,基于赫兹理论力学模型,运用ABAQUS创建了齿轮副的应力仿真分析模型,求解在未点蚀及不同点蚀故障严重程度下齿面最大接触应力,并对比了传动扭矩对不同点蚀故模型最大接触应力的影响。开展了不同齿面点蚀故障齿轮模拟工况下的噪声测试实验,通过对比齿轮副试样噪声的敏感性分析不同点蚀故障严重程度的影响。有限元结果表明,传动扭矩与齿面最大接触应力呈线性关系,点蚀故障越严重,齿面点蚀区域接触冲击应力越大;齿轮故障噪声测试实验研究结果则表明,基于微点蚀、点蚀失效形式之间存在的竞争机制,点蚀故障越严重,对应的噪声曲线峰值越大;随着齿轮负载、转速的增大,点蚀故障齿轮噪声也逐渐增大。     

面齿轮传动系统点蚀故障动态响应分析

为揭示面齿轮传动系统在齿面点蚀条件下的动态特性，提出了基于面齿轮理论齿面的点蚀齿面表达方法，建立点蚀面齿轮有限元模型，采用有限元法计算面齿轮副啮合刚度，研究了点蚀面积对啮合刚度的影响规律。建立面齿轮传动系统动力学模型，从时域、频域及时频域角度分析了不同点蚀面积下传动系统的动态响应。结果表明：齿轮副啮合刚度随点蚀面积增大而减小，当多个轮齿出现点蚀，啮合刚度降低速率增大；圆柱齿轮加速度响应有明显的周期性冲击现象，故障振动信号的频谱中出现了以啮合频率为中心的调制边频带，通过时频谱推导出含点蚀轮齿的位置范围，信号的脉冲因子及裕度因子的增长速率较大，对点蚀故障敏感；研究结果为含早期微小点蚀面齿轮传动系统的故障诊断提供理论依据。     

基于有限元法的疲劳点蚀斜齿轮时变啮合刚度分析与试验研究

疲劳点蚀斜齿轮啮合刚度计算是齿轮故障动力学分析的重要基础.基于有限元的斜齿轮啮合刚度计算方法,建立了正常齿轮和疲劳点蚀齿轮的有限元模型.通过有限元模型计算,得到了齿面法向接触力和综合弹性变形量;并根据啮合刚度计算方法,得到了齿轮的单齿啮合刚度和多齿综合啮合刚度.分析不同点蚀剥落长度和宽度对齿轮啮合刚度的影响得知,剥落长度和宽度对齿轮啮合刚度影响较大;而且剥落长度会影响齿轮啮合刚度的变化区域.通过疲劳点蚀试验证明,齿轮啮合刚度的减小使得齿轮振动冲击响应增大.     

基于动力学的齿轮齿面故障模拟方法的研究

当齿面产生剥落时,其啮合刚度变化引起的振动响应特征是实现剥落故障诊断的重要依据。基于动力学研究,建立直齿圆柱齿轮副啮合振动分析模型,简要分析其动力学特性。以有限元软件为基础,运用ANSYS/LS-DYNA分别建立完整齿面齿轮(以下简称正常齿轮)副和齿面有剥落齿轮(以下简称故障齿轮)副的冲击特性有限元仿真模型,对其进行动力学仿真,得到相同加载和初始条件下,正常齿轮和故障齿轮的相关参数随时间变化曲线。通过对比,分析得到故障齿轮的故障特征,齿面剥落的存在使得齿轮综合啮合刚度明显减小,加上系统时域信号中存在周期性冲击响应,使得故障信号更加明显和具有周期性。通过对正常齿轮和故障齿轮不同位置的振动信号进行仿真,并和试验结果进行对比,验证仿真的正确性,从而为齿面故障诊断和嵌入式传感器的优化布置提供参考。     

故障参数下齿轮系统非线性动力学行为

为分析齿轮系统在故障条件下的非线性动力学变化机理,对不同故障参数下非线性齿轮系统的动力学行为进行了研究;建立了单齿冲击、单齿刚度、单齿磨损及全齿磨损的非线性动力学模型,采用齿轮混沌振子方法对其进行了分析;探讨了上述4种故障激励产生后齿轮系统吸引子的变化.研究表明,利用齿轮混沌振子能够较好地区分故障信号的大小,为更好地进行故障诊断提供了理论支持,也为旋转机械的故障诊断提供了一种新方法.     

基于多特征融合的行星齿轮箱点蚀故障诊断研究

为了识别行星齿轮箱的齿面点蚀故障,通过刚柔耦合仿真获得健康和 3 种不同点蚀程度行星齿轮箱的箱体振动信号。对获得的 4 种状态的箱体振动信号进行变分模态分解后,计算每个本征模态函数分量的能量值、峭度因子和信息熵,基于能量值、峭度因子和信息熵多特征融合构建高维特征向量,采用支持向量机分类器对 4 种状态的行星齿轮箱进行识别。结果表明,基于变分模态分解的本征模态函数分量的能量值、峭度因子和信息熵构建的 15 维特征向量,采用支持向量机分类器能够准确识别健康和 3 种不同点蚀程度齿轮的类型。     

齿轮点蚀破坏中磨损与振动关系的试验研究

利用铁谱分析技术和振动分析技术中的时频分析方法研究了模拟点蚀故障齿轮磨损与振动的关系。分析结果表明点蚀齿轮磨损和4个时域特征值从一面一点、一面三点到多面多点依次变大,多面多点蚀齿轮磨损严重,磨粒数量最多;点蚀齿轮出现以输入输出端的啮合频率为中心,以转频为调制频率的边频带。齿轮磨损与振动相互关联,磨损量的变化率与振动方差变化率在3种点蚀齿轮中表现明显;但磨损量的增长率不仅与齿面点蚀的程度有关,还与点蚀的齿数有关;而齿轮的振动强度与齿轮齿面点蚀的程度最相关,即齿面点蚀破坏越厉害,振动越剧烈。     

齿轮故障演化的非线性动力学机理与实验研究

由于齿轮传动存在间隙、摩擦以及时变刚度,其动力学特性具有强烈的非线性。当齿轮发生故障时,如点蚀、剥落以及断齿,振动信号往往伴随有超谐波、次谐波等非线性特征,给齿轮故障诊断带来一定困难,因此有必要研究齿轮不同故障程度时的非线性振动机理。通过应用傅里叶级数来描述齿轮时变刚度,一定程度上避免了分段函数刚度突变问题;通过引入齿轮故障程度因子来描述齿轮故障程度,建立了齿轮故障程度的非线性动力学模型;并搭建齿轮故障演化实验台进行相关实验。仿真和实验结果表明,在一定摩擦因数以及转速时,齿轮非线性振动与转速以及齿面摩擦因数有关,与故障程度没有直接关系。     

基于全齿廓的行星齿轮点蚀故障时变啮合刚度计算模型

当齿轮产生点蚀故障时,其时变啮合刚度变化导致的振动响应特征是实现点蚀故障诊断的重要依据,而准确的齿轮几何模型对于齿轮时变啮合刚度的计算精度具有重大意义.推导了内、外啮合齿轮的齿廓方程,提出了基于全齿廓的行星齿轮点蚀故障时变啮合刚度计算模型,有效解决了简化模型中需要齿数判断和精度较差的问题,提高了行星齿轮时变啮合刚度计算精度,为行星齿轮点蚀故障的动力学建模、故障机理分析及疲劳寿命分析奠定了理论基础.     

斜齿轮齿面剥落故障动力学建模与动态特征研究

斜齿轮存在移动载荷及空间结构复杂等因素,导致斜齿轮齿面剥落故障振动特征的提取非常困难。为了分析斜齿轮齿面剥落故障引起的振动响应特征,提出了基于切片法和势能法的斜齿轮齿面剥落故障啮合刚度的计算方法,考虑斜齿轮齿面剥落故障接触线长度的变化,分析了齿面剥落在长度和宽度两个方向扩展对时变啮合刚度的影响。同时,建立了6自由度斜齿轮系统动力学模型,获得了不同长度齿面剥落的动态响应特征及不同转速和负载对其的影响。研究结果表明,新的计算方法能够准确计算斜齿轮齿面剥落故障对啮合刚度、动态响应等特性的影响,可为齿轮系统状态监测提供依据。     

点蚀缺陷对直齿圆柱齿轮齿面接触应力的影响研究

齿面点蚀是闭式齿轮传动常见的一类失效形式。采用ANSYS Workbench 17.0的瞬态动力学模块对含有不同数量点蚀缺陷的直齿圆柱齿轮进行了齿面接触应力有限元模拟,研究了含有不同数量点蚀缺陷的齿面接触应力分布规律,分析了点蚀缺陷对齿轮齿面最大接触应力发生位置及大小的影响规律,得出了一些有意义的研究结果。     

点蚀缺陷对齿轮接触应力的影响研究

齿面点蚀是闭式齿轮传动常见的一类失效形式。采用ANSYS Workbench 17.0瞬态动力学模块对含有不同直径点蚀缺陷的直齿圆柱齿轮进行了齿面接触应力有限元模拟,研究了随着点蚀直径的增大齿面最大接触应力的变化规律,得出了一些有意义的研究结果。     

用声测法诊断自行火炮变速箱齿轮故障的研究

本文以自行火炮变速箱齿轮某齿面点蚀为典型故障,分析了声学测试原理.通过倒频谱分析方法,提取信号的故障特征,探索利用声学信号进行故障识别的方法.     

单级齿轮箱的振动监测

从裂纹齿局部刚度变弱的情况出发，研究裂纺故障对齿轮合振动的影响。分析了裂纹故障引起的相位调制信息的分布规律及传递特性，并分别研究了单齿裂故障的相位诊断。通过在单级齿轮箱上进行的裂纹齿轮故障诊断实验研究行知，裂纹齿局部刚度变弱，反映出相位周期性跃方向和测点与故障在传动系统中的相对位置有关，以识别局部故障所在位置。     

EEMD与HMM在齿轮故障诊断方法中的研究

为了解决EMD方法存在的模态混叠的问题,更加精确有效的利用振动信号进行齿轮的故障识别和诊断,提出一种将总体平均经验模态分解(EEMD)和隐马尔科夫模型(HMM)结合的齿轮故障诊断方法。首先对采集到的原始齿轮振动信号进行EEMD处理,获得包含主要故障信息的各阶固有模态函数(IMF)分量,以能量为元素,提取并构造特征向量,对特征向量进行HMM模型训练和诊断测试,来识别齿轮的工作状态和故障类型,实验结果表明,该方法可以有效提高齿轮的故障诊断准确率和精度。     

故障参数下地铁齿轮传动系统的非线性动力学分析

斜齿轮传动是地铁传动系统中一种非常重要的形式,而且斜齿轮故障对地铁运行具有重要影响,为了探究故障参数对地铁齿轮系统非线性动力学的影响,建立了刚度故障和齿面故障参数地铁斜齿六自由度齿轮弯-扭-轴耦合模型,使用变步长四阶Runge-Kutta数值积分法对含有故障参数的齿轮动力学模型进行数值分析,得到系统的动态响应过程。借助速度-时间历程图、相平面图、庞加莱截面图、分叉图等系统状态判断标准,定性分析系统激励频率、故障参数变化下系统周期运动、拟周期运动和混沌运动的演化过程。结果表明,地铁斜齿轮故障参数在不同转速时影响不同。     

基于EEMD能量熵的齿轮接触疲劳试验点蚀分析

为了研究大模数合金钢齿轮采用单齿表面感应淬火热处理工艺后的接触疲劳特性,进行了相应的齿轮接触疲劳试验。采用总体平均经验模态分解(EEMD)将采集的振动信号分解,并计算其能量熵,进而分析试验过程中能量熵值变化情况,以及其与齿面点蚀情况的对应关系;从而可以将能量熵值作为一个辅助性指标来判断齿轮是否点蚀失效,完善齿轮接触疲劳试验点蚀失效的判据,为齿轮疲劳寿命预测提供基础试验数据。     

非线性齿轮系统单齿故障动力学特性

针对齿轮系统运行过程中具有非线性动力学特性,借鉴混沌振子检测理论中根据系统相轨变化检测信号的原理,分析了齿轮单齿故障冲击信号出现的成因及其出现故障后非线性动力学特性的变化,建立了基于冲击分析的非线性齿轮系统单齿故障动力学模型。通过分析发现,齿轮系统模型在一定的参数条件下,其动力学特性会进入混沌状态。而在相同参数条件下,出现单齿冲击故障并达到一定程度后,齿轮系统会在故障冲击的激励下进入大周期运动,从而表现出明显异于无故障条件下齿轮系统的动力学特性。仿真结果表明,该方法能有效区别齿轮系统单齿故障状态。     

点蚀作用下变位行星齿轮系统动态特性研究

以某行星齿轮系统为研究对象,考虑实际工况下的齿轮安装变位特征,建立点蚀作用下故障齿面的啮合刚度有限元分析模型。分析不同点蚀位置、点蚀尺寸对行星变位齿轮啮合刚度影响,并以时变啮合刚度和传动误差作为综合输入激励,对行星齿轮系统进行动力学响应求解,研究点蚀特征对变位行星齿轮系统振动特性的影响。研究结果表明:点蚀显著降低啮合刚度,在啮合周期内,点蚀在齿根位置的啮合刚度变化最显著,且点蚀坑尺寸越大,啮合刚度减小越多;各点蚀区尺寸下的平均啮合刚度,都随正变位增大而减小,负变位增大而增大;点蚀对系统振动响应的影响主要表现为频谱上的故障频率及其倍频成分,且故障频率及其倍频的幅值随点蚀坑尺寸增加而增大,随正变位增大而增大,负变位增大而减小。此外,随着点蚀坑尺寸增大,Kurtosis值和RMS值均增大,但Kurtosis值对点蚀故障更灵敏。