含故障传动系统齿轮-轴承耦合动力学特性研究

针对齿轮传动系统工作环境复杂,故障率高的问题,对传动系统进行动力学分析并探究其故障机理。根据Hertz接触理论考虑轴承钢球离心力的作用,建立深沟球轴承时变刚度模型。利用能量法得到正常与含裂纹故障齿轮的时变啮合刚度。利用集中参数法建立齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型。考虑齿轮传动系统传递误差、时变刚度等参数激励因素,对齿轮传动系统的动力学特性进行仿真分析,得到了传动系统的振动加速度,分析了裂纹故障对齿轮动态响应的影响;通过台架试验验证了模型的正确性。研究结果表明:建立的动力学模型能够很好地描述含故障齿轮传动系统的动力学特性,在时域波形图中,由于裂纹故障的存在会产生周期性的冲击信号,同时频谱图中在啮合频率的周围会产生边频带。     

基于参数反求的齿轮裂纹时变啮合刚度计算方法

基于齿根应变测试技术和优化理论提出了齿轮时变啮合刚度反求计算方法,并将其应用于齿轮故障机理研究。构建了齿根动态应力与时变啮合刚度反问题模型,并搭建齿轮裂纹故障应变测试实验台来采集齿根应变;建立了相对应的有限元模型并将计算应变与测量应变代入反问题模型,从而实现齿轮啮合刚度的反向求解。计算结果表明,相比解析法和有限元法,所提方法显著提高了求解精度并且具备更高的可靠性。建立了齿根裂纹故障的齿轮系统动力学模型,通过对动力学响应进行时域及频域分析来揭示齿轮裂纹故障机理。     

裂纹故障齿轮啮合内部动态激励分析

利用有限元分析方法,综合考虑齿轮副啮合时变刚度激励和误差激励,建立齿轮副内部动态激励曲线。结合裂纹故障对齿轮副啮合刚度的影响,建立含裂纹故障齿轮副内部动态激励曲线,分析不同部位和程度的裂纹故障对齿轮内部动态激励的影响。分析结果表明,裂纹的故障程度对内部动态激励的影响较大,故障程度深的要高于故障程度浅的。同时,齿根裂纹故障对内部动态激励的影响要强于分度圆裂纹故障对内部动态激励的影响。     

齿轮传动系统齿根裂纹故障的动力学仿真

以直齿圆柱齿轮副的耦合型动力学模型为研究对象,考虑了轮齿的时变啮合刚度及齿间的摩擦后,利用故障轮齿与完好轮齿啮合刚度的不同来实现故障模型的建立。用有限元法计算了无故障和有裂纹故障状态下齿轮的时变啮合刚度,结果表明,裂纹会降低齿轮的啮合刚度,裂纹越大,刚度越小。利用MATLAB求解模型的动力学微分方程组,得出了故障和无故障两种状态下齿轮的角速度和角加速度的仿真曲线,结果是当齿轮转过裂纹处时,从动轮的角速度和角加速度产生了明显的波动,计算结果与故障特征规律相符。     

变载荷激励下齿轮传动系统齿根裂纹故障动力学特性分析

根据齿轮裂纹会引起齿轮系统的时变啮合刚度变化这一特性,建立了含齿根裂纹故障单级齿轮传动系统的四自由度动力学模型,对裂纹故障的非线性动力学机理进行了研究。采用变步长的四阶龙格—库塔法对齿轮裂纹故障进行仿真分析,运用时频分析方法研究了裂纹信号特征,为齿轮裂纹故障诊断提供了理论支持。在此基础上,分析了齿轮裂纹在变载荷激励下的动力学特性。分析表明:在变载荷激励下,齿轮振动波形图与变载荷激励变化趋势极其相似,裂纹的存在引起波形图上出现冲击现象并且啮合频率及其倍频附近出现边频带,边频带为故障齿轮的转频;变载荷激励下,低频的边频成分明显只与外载荷激励有关,与齿轮故障无关。     

变载荷激励下故障半直驱风电行星齿轮传动系统的动力学特性

半直驱风力发电机凭借良好的综合性能,已得到较广泛的技术推广,前景广阔,其关键机械部件——传动系统的动力学问题依然突出。文中针对半直驱风力发电齿轮传动系统,在考虑时变外部激励、齿根裂纹、啮合误差等条件下,运用集中参数法建立了含故障的半直驱风电行星齿轮传动系统动力学模型,计算得到了齿轮传动系统的固有频率及振型。针对随机风场中,风速变化复杂的特点,采用线性滤波AR模型,模拟了脉动风速时程曲线,获得了半直驱风电行星齿轮传动系统的外部激励;利用改进能量法对含裂纹齿轮的啮合刚度进行了数值模拟,获得故障齿轮的时变啮合刚度;引入随机风载及故障动态参数激励,仿真分析了系统的动态响应,研究了时变载荷激励下含故障的行星齿轮系统的动力学特性,为风电齿轮传动系统的故障分析、诊断提供了理论依据。     

齿根裂纹与轮齿啮合刚度关联规律研究

齿轮的啮合刚度是齿轮动力学研究的基础,以圆柱直齿轮齿轮为研究对象,构建含齿根裂纹齿轮的有限元模型,并基于有限元准静态分析方法,提出精确计算含裂纹齿轮时变啮合刚度数值计算方法。通过分析得到裂纹参数对齿轮时变啮合刚度的影响规律,数值计算结果表明,裂纹会降低齿轮的啮合刚度;裂纹参数(裂纹长度、裂纹方向)对齿轮的啮合刚度的有着明显的影响,其中裂纹长度对刚度的影响较显著;齿轮啮合刚度的降低与齿轮的啮合位置相关,当齿轮在单齿啮合区最高点啮合时,啮合刚度降低率最大。     

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。     

含齿根裂纹齿轮副时变啮合刚度改进算法

齿轮轮齿局部缺陷故障会通过改变齿轮副的时变啮合刚度进而影响系统振动响应特征。在基于齿廓普遍方程的能量法框架下,结合修正的轮齿拉压刚度,对精确全齿廓齿根裂纹故障齿轮副时变啮合刚度的求解进行系统讨论;针对不同故障参数对应的故障模型,详细地分类讨论,得出了各情况下相应的啮合刚度计算公式。以齿条刀加工的标准直齿轮为对象,研究新模型中齿根裂纹故障对轮齿拉压刚度的影响,为齿轮齿根裂纹故障的诊断机理研究提供基础支撑。     

基于解析有限元的齿根裂纹时变啮合刚度计算方法

当齿轮发生故障时,时变啮合刚度的变化能够反映齿轮故障特征大小。因此,时变啮合刚度在齿轮传动过程中是一个重要的动力学参数。提出一种新的齿根裂纹啮合刚度计算方法,即解析有限元法（Analytical-finite element method,A-FM）。考虑到齿轮发生故障时,啮合刚度解析模型计算精度较低,将应力强度因子引入裂纹齿轮的啮合刚度计算过程。首先定义应力强度因子与啮合刚度之间的关系,通过建立齿轮接触模型计算裂纹尖端附近的应力强度因子,然后将计算结果替代解析模型中故障刚度部分。由于应力强度因子能够敏感地识别齿根裂纹的局部微小变化,故该方法相比于解析法具有更高的计算精度,相比于有限元法具备更快的计算效率。同时,建立6自由度动力学模型,通过对其振动响应进行分析,仿真结果验证了所提方法的可行性。     

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。     

基于ANSYS的齿轮根部裂痕故障诊断法

利用集总参数法建立了齿轮动力学模型,并以龙格-库塔数值法求解齿轮的振动响应。使用ANSYS软件建立了无缺陷齿轮组与带齿根裂纹齿轮组模型,分析了两种齿轮组在多种转速下的振动特性。研究表明,齿根处裂纹对齿轮啮合刚度等效弹簧的振动频率影响不明显,且随着齿轮转速增大,带裂纹齿轮组振幅的均方根值略高于无缺陷齿轮组;带裂纹齿轮组在最大振幅附近产生边频现象,且齿轮转速越高边频越明显,此特征可用来判断齿轮组是否存在故障。     

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。     

局部裂纹故障行星传动系统固有特性分析

建立2K—H行星传动纯扭转模型;运用韦伯法计算正常、太阳轮局部裂纹故障和行星轮局部裂纹故障的内外啮合刚度;对正常模型和裂纹故障模型进行固有特性分析,通过对比发现太阳轮故障对2、3、5阶固有频率影响较大,行星轮故障对2、3、6阶固有频率影响较大,且行星传动系统在裂纹故障影响下不存在振动模式划分规律。为行星轮系动力学分析奠定基础,对行星传动系统设计和故障齿轮系统进行诊断有重要的价值。     

不同齿根裂纹深度的啮合刚度与振动响应分析

针对裂纹对啮合刚度的影响,首先,利用裂纹尖端到单齿中线的距离(hc1,hc2)与1/2齿顶圆齿厚(hr)的关系把齿根裂纹模型分为3种情况,利用能量法原理分析啮合刚度随着裂纹深度增大的变化趋势;其次,通过有限元法分析不同深度的齿根裂纹齿轮啮合刚度,进而验证了模型的有效性;最后在啮合刚度的基础上,建立齿轮系统动力学模型,分析含不同齿根裂纹深度的齿轮系统振动响应。研究表明,啮合刚度随着裂纹深度的增大而减小,且减小幅度逐步增大,当裂纹深度大于50%时减小幅度加剧;振动响应随裂纹深度的增大而加剧且出现周期性冲击,啮合频率附近产生微小杂频,相位图和庞加莱图中轨迹和离散点聚集区逐步增大。     

基于刚柔耦合模型的行星齿轮机构裂纹故障研究

行星齿轮机构行星轮裂纹故障存在难以诊断的问题,为了对行星齿轮机构行星轮裂纹故障进行更好的诊断,以某型汽车行星齿轮机构为例,基于该机构刚柔耦合动力学模型,对其行星轮裂纹故障信号频谱图特点进行了研究。首先,采用SolidWorks软件,建立了行星齿轮机构行星轮裂纹故障三维模型,利用ANSYS APDL软件将模型中需要布置传感器的部位设置为柔性体;然后,在ADAMS软件中建立了行星齿轮机构刚柔耦合动力学仿真模型;之后,采用ANSYS Workbench软件,对齿轮裂纹故障进行了啮合静力学分析,建立了行星轮的裂纹故障模型;最后,通过对齿轮机构进行刚柔耦合动力学仿真分析,得出了该行星齿轮机构行星轮裂纹故障模型的信号特征。研究结果表明：在行星轮裂纹故障频谱图中,信号的峰值均与啮合频率或其倍频相对应,而啮合频率处的局部峰值均与行星轮故障频率有关。     

基于改进能量法的行星齿轮时变啮合刚度求解

时变啮合刚度是研究行星齿轮故障机理的重要参数。在考虑基圆与齿根圆之间关系的情况下,以齿数为参量,建立了一个改进的悬臂梁模型。对行星齿轮的各对齿轮啮合的时变啮合刚度进行分情况讨论,在考虑轮体刚度的基础上,应用能量法求解更加准确的轮齿时变啮合刚度。在该方法的基础上,分别求解太阳轮、行星轮、内齿圈存在裂纹时各对轮齿啮合的时变啮合刚度,并分别探究裂纹深度和裂纹角度对时变啮合刚度的影响。该研究为掌握行星齿轮故障机理提供了理论帮助。     

风机行星齿轮系统齿轮裂纹故障诊断

针对风力发电机实际行星齿轮系统,由于幅值及相位调制现象(各种制造误差不可避免等原因所导致)带来的故障诊断难题,搭建了含各种制造误差的动力学模型。模型考虑了出现裂纹故障以后,故障对时变啮合刚度以及传递误差的影响,通过数值求解,对比行星轮、太阳轮以及齿圈出现故障后与正常齿轮系统的包络谱结构特性,总结了故障特征频率。在风力发电机齿轮箱实验台上进行裂纹故障试验验证,结果表明所总结的故障特征频率可以作为风力发电机裂纹故障诊断及定位的依据。     

齿轮故障对直齿轮副时变啮合刚度的影响研究

提出了一种基于计算机仿真的解析法,用于量化齿轮副在不同齿轮故障情况下的时变啮合刚度。齿轮故障在影响齿轮副传动的同时往往也伴随着刚度的降低,时变啮合刚度是状态监测和啮合齿轮副动态特性描述的一项重要参数,势能法是计算时变啮合刚度最常用的分析方法之一。采用势能法研究了含裂纹齿轮、断齿和齿面剥落等3种故障情况对于齿轮啮合刚度的影响。结果表明,由于齿轮故障的存在,导致了时变啮合刚度的降低,进而影响了直齿轮副的振动响应。     

风电行星斜齿轮齿根裂纹对其时变啮合刚度的影响

以风电增速斜齿轮行星轮系为研究对象,运用非线性动力学理论和数值分析法计算齿根裂纹故障时斜齿轮副的时变啮合刚度。建立不同程度的齿根裂纹并分析其对斜齿轮时变啮合刚度的影响。经研究斜齿轮齿根裂纹分为贯穿性与非贯穿型,贯穿型裂纹在深度方向上用抛物线形式进行啮合,贯穿整个齿宽;非贯穿型裂纹在深度和齿宽方向上分别用抛物线拟合。共建立二十种不同形状的斜齿轮齿根裂纹。用刚度劣化率定量分析不同程度齿根裂纹对斜齿轮副啮合刚度的影响。分析表明：无裂纹斜齿轮副啮合时,时变啮合刚度是高低循环变化的,在高低变化之间刚度是线性递变。贯穿型裂纹比非贯穿型裂纹啮合刚度劣化更明显,单齿啮合时刚度劣化更为明显。裂纹在深度方向与宽度方向上延长相同百分比时,宽度方向上刚度劣化更明显。