含裂纹故障齿轮的风力发电机传动系统动力学特性研究

为了更好地研究轮齿齿根裂纹对齿轮传动系统动态特性的影响,将风力发电机增速齿轮箱中一对啮合轮齿作为研究对象。运用改进能量法计算含有齿根裂纹齿轮的齿轮系统时变啮合刚度,考虑齿侧间隙、时变啮合刚度和传动误差影响,建立含有齿根裂纹故障的齿轮传动系统6自由度动力学模型。利用四阶Runge-Kutta法对建立的齿轮系统微分方程进行积分求解,得到齿轮系统动力学响应。通过幅频响应曲线、时域图及频域图,综合分析了含有不同深度裂纹故障的齿轮传动系统的动力学特性。最后,通过试验验证齿轮系统理论仿真的正确性,从而为风力发电机齿轮箱中的齿轮系统裂纹故障识别提供理论依据。     

齿面接触闪温对齿轮啮合特性的影响分析

齿轮啮合过程中能量损耗引起的齿廓形变改变了齿轮啮合状态,基于Bloke闪温理论,推导出了齿面接触闪温随齿轮啮合点位置变化的表达式,计算了齿面接触闪温引起的齿廓形变;通过Hertz接触理论,推导出齿面接触闪温对啮合刚度的影响表达式。对模型进行研究,分析了摩擦因素随啮合点位置的变化规律,载荷、转速对齿面最大接触闪温的影响,齿面接触闪温对齿廓形变和啮合刚度的影响。仿真结果显示,齿面接触闪温对轮齿啮合刚度的影响较大,在非线性动力学分析中应予以考虑。     

含裂纹故障齿轮系统的非线性动力学研究

考虑时变啮合刚度、间隙非线性及传动误差的影响,针对试验齿轮箱中的单对齿轮传动建立齿轮副扭转振动的参数化动力学模型,对裂纹故障的非线性动力学机理进行研究。采用平均法分析齿轮裂纹模型的主共振及1/2亚谐共振的动力学响应;给出裂纹演化过程对齿轮系统啮合刚度及动力学行为的影响;通过幅频特性曲线、时域图、相轨迹图、Poincaré截面图及频谱图综合分析含有裂纹故障齿轮的振动特征;通过奇异性理论分析裂纹程度及传动误差所产生的内部激励与系统动力学分岔的关系,从而揭示了不同裂纹程度和传动误差所引起的不同分岔模式;最后通过试验提取含有裂纹故障齿轮的振动特征,试验结果验证了理论分析的结果,从而为齿轮系统裂纹故障的识别提供理论依据。     

考虑齿面接触温度的齿轮系统非线性动力学建模及分析

为研究齿轮啮合过程中齿面接触温度对系统动力学的影响,基于Block闪温理论,计算主、从动轮的齿面闪温,推导齿面接触温度随时间变化的表达式,计算由齿面接触温度变化导致的齿廓形变;通过Hertz接触理论,推导随齿面接触温度变化的啮合刚度的表达式。建立综合考虑齿面接触温度、时变啮合刚度、齿面摩擦、齿侧间隙、综合啮合误差等因素的单级直齿圆柱齿轮系统非线性动力学模型。对该模型进行研究,分析摩擦因数、载荷对齿面闪温的影响及系统的动力学特性。计算结果显示,齿面闪温在齿根和齿顶啮合时达到最大,而在节点附近接近于零。这表明所提出的齿面闪温计算方法能在一定程度上反映齿轮啮合时的温度变化和滑动情况,该方法在计算齿面温度变化时其基本规律是正确的。对比考虑齿面接触温度与否的分岔图发现,齿面接触温度对系统动力学行为有明显的影响。     

齿轮系统非线性动力学特性分析

综合考虑齿侧间隙、时变啮合刚度、综合啮合误差等因素,建立了直齿轮副单自由度非线性动力学模型,并利用变步长Runge-Kutta法对单自由度运动微分方程进行了数值求解。结合系统的分岔图、相图、Poincaré映射图以及FFT频谱图,分析了系统在参数变化时的动力学特性,得到了系统的混沌运动规律。结合齿轮的动载荷历程,得到了齿轮啮合冲击状态在非冲击、单边冲击以及双边冲击状态之间变化时变化过程与系统参数之间的关系。     

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。     

含齿面闪温的齿轮副动力学建模与动力特性分析

为研究齿面闪温对齿轮系统动力学的影响,基于H. Blok闪温理论,推导出齿面闪温沿啮合线的分布规律。分析了转速、负载、重合度、中心距变动系数对闪温的影响;依据Hertz接触理论,推导出含闪温的啮合刚度、齿侧间隙和齿廓误差计算式,并建立含齿面闪温的直齿轮副非线性动力学模型。采用CPNF数值法获得系统的双参伪彩图,分析齿面闪温对系统分岔、齿面冲击、齿面脱啮和动载系数的影响。结果显示,负载和转速对闪温影响较大,在进入和退出啮合处闪温达到极值较易发生胶合,闪温对非线性参数的影响恶化了系统的非线性动力学特性,因此,设计中应控制其闪温值。     

含故障的齿轮系统非线性动力学特性分析

综合考虑轻微磨损故障和裂纹故障等因素,建立含故障的直齿轮副的非线性动力学模型,并利用4～5阶变步长Runge-Kutta法对含故障的直齿轮模型的动力学方程进行数值求解;得到了单级齿轮系统在无故障、轻微磨损故障和裂纹故障状态下系统的分岔图、相图和Poincaré映射图;研究了齿轮系统在无故障和故障时的动力学行为,研究结果为齿轮系统的故障诊断、动态设计和安全运行等提供了理论参考。     

齿根裂纹对直齿轮啮合刚度的影响研究

以渐开线直齿圆柱齿轮啮合副为研究对象,采用有限元法计算了含齿根裂纹的故障齿的啮合刚度,分析了齿面接触应力分布特性,载荷的齿向分配特征以及载荷在齿面上随裂纹深度与裂纹角度变化时的分配比例关系,对比研究了齿根裂纹深度和裂纹角度变化对齿轮啮合刚度的影响。计算结果表明:裂纹深度引起的啮合刚度变化相比裂纹角度引起的刚度变化明显,单齿啮合状态下刚度的变化更为突出;裂纹深度相比裂纹角度载荷分配系数变化剧烈;裂纹深度与裂纹角度引起的齿面应力变化相比正常齿显著;齿面间载荷分配呈非线性变化。     

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。     

行星轮系故障状态下分岔与混沌特性分析

为研究行星轮系的故障特性,分别建立了含行星轮断齿和磨损故障的行星轮系量纲一非线性动力学方程。利用数值方法对建立的非线性微分方程进行求解,获得系统的分岔图、相图及Poincaré截面,研究行星轮断齿故障、行星轮全齿磨损故障随激励频率变化的分岔特性及故障特性,并分析了啮合阻尼比及外部激励对系统的影响。研究发现,含断齿故障的行星轮系运动状态的变化规律;行星轮全齿磨损故障对系统分岔特性的影响;啮合阻尼比与外部激励对系统混沌特性的影响。     

齿面磨损对齿轮啮合刚度影响的计算与分析

不考虑润滑剂影响,针对理想渐开线直齿圆柱齿轮,研究存在齿面磨损时齿轮啮合刚度的计算方法。基于齿轮共轭啮合原理计算滚齿加工条件下的齿廓曲线。根据Timoshinko梁理论,考虑轮齿弯曲变形、剪切变形、压缩变形、齿轮基体变形和赫兹接触变形,计算齿轮啮合刚度。针对运行过程中的齿面磨损,提出轮齿等弧长离散方法,分析齿面磨损对离散微元短梁的截面面积、截面面积矩和实际接触齿宽的影响,计算分析存在均匀磨损、微点蚀和宏观点蚀等齿面磨损时的齿轮啮合刚度。结果表明,100μm深的均匀磨损导致的啮合刚度变化不到2‰;齿面产生15%的微点蚀时,啮合刚度变化在10%以内,啮合刚度对早期齿面磨损不敏感。本研究为计及齿面磨损的齿轮动力学建模提供了一条技术路径。     

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。     

含齿根裂纹故障的平行轴齿轮箱动力学特性研究

针对平行轴齿轮箱中齿轮裂纹故障问题,从动力学角度出发,对齿轮啮合刚度、扭振模型、刚柔耦合模型、齿轮啮合力、箱体输入轴节点角加速度及对应频谱等方面进行了研究。对带有齿根裂纹的齿轮箱的扭振与动力学进行了联合仿真,提出了一种基于Bartelmus的扭转振动模型,以及刚柔耦合动力学的分析方法;利用ADAMS、ANSYS建立了以箱体和带齿根裂纹的齿轮为主要研究对象的齿轮箱刚柔耦合模型;通过仿真得到了健康和齿根裂纹故障的轮齿啮合力和角加速度响应曲线,提取了箱体输入轴端节点1 s内垂直方向的加速度信号,将其导入传动系统动力学方程中,计算得到了目标齿轮的垂直方向加速度频谱,并通过实验进行了验证。研究结果表明:该方法能很好地模拟现实齿根裂纹存在齿轮箱体输入轴端的加速度时域频域响应,对齿轮齿根裂纹故障的动力学响应准确、可靠性高。     

不同Poincaré截面上齿轮扭振系统动力学特性分析

以典型的单自由度齿轮扭转振动系统为研究对象,对系统的非光滑动力学特性进行细致研究。定义瞬时接触面和零相位面为Poincaré截面,计算截面上系统的分岔图、最大Lyapunov指数谱和吸引域,得到多吸引子共存现象产生和消失过程中系统全局和局部响应的变化规律;计算截面上系统的分岔图,得到齿轮啮合-脱啮运动的周期性;计算系统的频谱瀑布图,得到系统啮合-脱啮运动频响特性。通过对比,发现齿轮系统在不同Poincaré截面上体现出更加丰富的动力学行为。     

考虑时变刚度与侧隙影响的非对称渐开线齿轮动力学特性研究

为获得更为准确的非对称渐开线齿轮动力学变化规律,将时变啮合刚度和齿轮侧隙两个因素引入传统齿轮副扭转振动模型,建立非对称渐开线齿轮的动力学模型;利用Runge-Kutta法求解该模型,获得时间历程图、相图、Poincaré映射图以及FFT频谱图,进而分析时变啮合刚度和齿轮侧隙变化时的齿轮动力学行为。研究发现,非对称渐开线齿轮的平均啮合刚度大于对称渐开线齿轮,具有更优的动力学性能;时变啮合刚度中的1阶谐波分量对动力学性能影响不大,但平均啮合刚度影响较大,且其与动力学性能之间呈现出非线性变化规律,即随着平均啮合刚度的增加,动力学特性由差变好,但继续增加后又变差,因此,需根据实际工况确定其最优值。随着齿轮侧隙的增加,动力学性能下降,与对称渐开线齿轮相同。该项研究对于扩充非对称渐开线齿轮动力学理论体系、提高其传动性能,具有一定的理论意义和应用价值。     

具有分形特性的齿侧间隙对齿轮-轴承系统动态特性的影响

主要研究具有分形特性的齿侧间隙对齿轮-轴承系统动态特性的影响。首先建立该系统的动力学模型,考虑转轴、轴承等重要部件对齿轮系统动态特性的影响。模型中计及滑动轴承非线性油膜力、综合传递误差及齿轮时变啮合刚度等非线性因素。在对系统的动力学分析中引入分形理论,讨论齿侧间隙表现出的分形行为,并使用W-M函数对其进行描述。通过Runge-Kutta法求解动力学方程并得到系统响应的相图,Poincaré截面图与分岔图。结果表明:当啮合刚度较大时,系统的分岔行为减少,1周期与混沌交替出现;当齿侧间隙在小范围内波动时,相比于固定齿侧间隙,使用具有分形特性的齿侧间隙时系统响应表现出了更多细节,可以更准确地描述系统的动态特性;随着啮合刚度的增大,系统可以在分形维数D较大的情况下依然保持准周期运动,即刚度较大时系统较稳定。     

三自由度齿轮传动系统的分岔与混沌研究

为研究齿轮传动系统中齿侧间隙等非线性因素对系统振动特性的影响,综合考虑齿侧间隙、时变啮合刚度、综合啮合误差和轴承纵向响应,建立了三自由度单级直齿轮副传动系统的扭转振动非线性动力学模型;采用变步长4-5阶Runge-kutta法,对系统运动的状态方程进行了数值求解;并构建了系统的Poincaré截面,得到了系统的分岔图。结合系统最大Lyapunov指数谱、Poincaré映射图及FFT频谱图,分析了系统在激励频率变化时的动力学特性,发现系统在不同激励频率下会发生Hopf分岔、鞍结分岔及倍化分岔,给出了系统的分岔值,分别得到了系统经Hopf分岔和鞍结分岔通向混沌运动的两种过程。     

基于有限元模型的裂纹故障齿轮系统动力学响应分析

为更好地揭示齿根裂纹故障对齿轮系统动力学特性的影响，开展了“故障机制分析—齿轮系统建模—裂纹故障试验”的全过程研究。首先，考虑更为真实的齿根过渡曲线和有效齿厚削减限制线，建立了更严格的裂纹轮齿模型，对传统势能法求解啮合刚度进行改进，研究了6种不同深度裂纹的刚度变化；其次，针对传统集中参数模型的不足之处，基于Timoshenko梁单元理论建立了齿轮-转子系统有限元动力学模型；最后，采用Newmark-β法求解正常/不同深度裂纹故障的齿轮系统的动力学响应，考虑转速的影响，并与实验结果进行了对比分析。结果表明，齿根存在裂纹时，加速度响应存在周期性冲击特征，频域中的边频带现象出现在啮合频率及其谐波附近；冲击成分在时域和频域中的强度与裂纹深度、转速均成正相关关系。仿真结果和实测信号表现出一致特征，验证了该方法的正确性。     

风电齿轮箱轮齿裂纹故障建模与仿真研究

为了理清1.5MW风电齿轮箱传动系统轮齿裂纹的故障动力学特性,在建立风电齿轮箱传动系统的三维实体模型的基础上,利用ADAMS动力学仿真软件分别研究了中间级齿轮和高速级齿轮的单一裂纹故障以及裂纹耦合故障对高速级齿轮位置的影响。中间级齿轮裂纹故障对于高速级齿轮的影响在频域中表现为:低频段不明显,在高速级啮合频率附近有较强的边频带;高速级齿轮裂纹故障时,在中间级啮合频率、2倍中间级啮合频率和高速级啮合频率都有比较明显的边频带;耦合故障时在高频尤其是在高速级啮合频率附近有更强的边频带。该研究结果可以为风电齿轮箱故障诊断和维护提供理论依据。