考虑不确定性因素的齿轮系统动力学研究综述

齿轮系统应用广泛,并在风力发电、航空航天、汽车和盾构机等机械设备中发挥关键作用。其动力学特性的优劣将直接影响设备整机的工作性能。然而齿轮传动的结构形式多样、内外部激励和非线性因素丰富,同时工作环境复杂多变,这使其动力学分析相比较于其他机械系统更加复杂。另外,制造、加工、装配等的误差、磨损、润滑和运行环境等因素将导致齿轮系统的内外部激励和系统参数具有不确定性。齿轮系统动力学分析需要考虑这些不确定性因素。目前,针对齿轮系统动力学特性的不确定性分析,国内外学者已开展了广泛的研究工作。从不确定性因素的描述方式、动力学方程的求解方法、动力学特性分析、可靠性与优化设计、以及不确定性分析的试验研究等方面系统地评述国内外学者对齿轮传动系统不确定性动力学特性的研究现状,并给出需要进一步研究的问题。     

考虑热流固耦合的角接触滚动轴承动力学特性及打滑状态分析

轴承滚珠-滚道之间的打滑易使滚动体滚道划伤并导致明显的温升。为讨论打滑现象及其导致的问题,提出一种热流固耦合动力学模型。模型引入了轴承部件的热变形,打滑导致的温升,供油区的润滑油混合模型,保持架-引导圈之间的流体动压模型,以及作用在滚珠和保持架上的碰撞力和切向摩擦力,并考虑了保持架及滚珠的打滑程度、轴-轴承-轴承座组件的温升分布、热弹性变形等动静态参数的影响。通过对比7307AC轴承在一系列运行工况(运行速度,轴向载荷和润滑油量)下的打滑试验结果,验证了热流固耦合模型的准确性和有效性。结果表明,相同轴向预载时转速升高打滑程度显著加剧;最高温升及热变形也随之增加。乏油润滑下(0.4 L/min),保持架总体打滑率低于满油润滑(1.2 L/min),但轴承滚道的局部最大热变形达到滚珠-滚道径向游隙的4倍。基于润滑油混合模型发现,喷嘴水平对称布置相较于垂直布置冷却效果更好。     

变速旋转圆柱薄壳动力稳定性研究

本文开展了变速旋转圆柱薄壳动力稳定性研究.基于Donnell薄壳理论建立同时考虑变转速和周期 轴向力的圆柱壳体振动微分方程;采用多尺度方法,推导系统主参数不稳定区和组合不稳定区边界的解析 表达式;分别探讨仅考虑周期轴向力、仅考虑变转速以及同时考虑两种时变因素时,系统主参数不稳定区和 组合不稳定区的变化规律;通过与文献结果以及数值结果的对比,验证了解析结果的准确性.     

周期轴向力作用下旋转圆锥薄壳动力稳定性研究

本文开展了周期轴向力作用下旋转圆锥薄壳动力稳定性研究.基于Donnell薄壳理论推导了旋转锥壳的动力学方程,采用广义微分求积法和Hill法分析了系统在周期轴向载荷作用下的参数不稳定性,讨论了多个不稳定区随工况和几何参数的变化规律.结果表明:提高转速会导致不稳定区沿频率轴移动,但对不稳定宽度影响不大.增加恒定拉伸轴向载荷,不仅会显著增加失稳宽度,而且会导致失稳区域向更高的频率范围移动.锥角、厚径比或长径比的变化都会导致不稳定区沿频率轴移动.锥角和厚径比会增大失稳宽度(长径比会减小).随着周向波个数的增加,锥角对失稳区的影响逐渐减弱,而厚径比的影响则基本保持不变.     

考虑延长啮合时齿轮参数振动稳定性研究

考虑因轮齿受载弹性变形引起的轮齿延长啮合效应时,将使得啮合刚度随时间变化形式发生改变,而这一变化对于系统的动态特性产生重要影响.在考虑轮齿延长啮合时齿轮参数振动稳定性的变化情况,首先建立齿轮副参数振动分析模型,进而研究了系统稳定性分析方法,主要是状态转移矩阵的确定和稳定性判据;在此基础上,以实际应用的高速重载齿轮副为例讨论了延长啮合与否系统稳定区间的变化情况,同时还考虑了系统阻尼的影响.研究结果表明;轮齿延长啮合作用使得低转速和高转速范围内的各不稳定区减小,而对于中等转速范围内,考虑延长啮合使得不稳定区变大.     

基于简化Jones-Harris方法的球轴承接触角研究

作为球轴承重要的结构参数之一,接触角对轴承组件的载荷分布、运动关系、润滑、摩擦等都有重要的影响。将求解惯性力所涉及的变量耦合关系进行简化,提出了用于研究球轴承接触角特性的简化Jones-Harris方法(SJHM),通过预先给定内圈偏转角,克服了直接迭代法难以考虑内圈偏转角对接触角影响规律的不足。以b218轴承为对象,验证了SJHM方法的有效性;在此基础上,分析了多种因素对接触角的影响规律。研究结果表明：相比陀螺力矩的影响,离心力对内、外接触角的影响更加显著;接触角对轴承内圈偏转角的变化非常敏感,内圈偏转角会使同一个滚动体的内、外接触角同时增大或减小。     

参数振动系统频响特性研究

采用矩阵谱分解中常用的Sylvester理论和Fourier级数展开法,推导了单自由度参数振动系统的频响函数,并得到了系统外激励共振条件。在此基础上,以直齿轮副参数振动系统为例仿真了系统的频响特性,并讨论了系统参数稳定性、时变参数以及阻尼的影响。结果表明,参数振动系统的频响特性主要有以下一些特点:(1)系统具有多个频响函数,分别对应于多频响应中的各个频率成分;(2)系统存在多个外激励共振区。除了外激励频率等于系统固有频率的共振区外,当激励频率等于系统固有频率与参数激励频率的组合值时,同样存在共振现象;(3)参数振动系统共振响应时,主导频率成分为系统固有频率;(4)阻尼使得频响函数峰值有明显下降,而对非共振区的频响曲线影响不大。     

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。     

大型永磁直驱发电机磁固耦合特性研究EI北大核心CSCD

该文开展大型永磁直驱发电机磁固耦合特性研究。采用共形映射方法,计算考虑齿槽效应的气隙磁场标量磁势;基于离散电流元和磁等效电路模型,定量模拟发电机定转子局部的磁饱和效应,通过数值迭代得到气隙磁场强度分布;引入一系列均布的磁等效弹簧,模拟定转子之间的耦合作用,建立永磁直驱发电机磁固耦合有限元分析模型。以实际在役兆瓦级永磁直驱发电机为对象,通过电磁有限元计算结果验证所提出的气隙磁场强度分析方法;基于金风兆瓦级永磁发电机测试平台,开展转/定子耦合系统模态测试,与理论模型得到的固有频率和模态振型进行对比。在此基础上,分析气隙长度和转子转速对耦合系统固有频率的影响。研究结果对于准确评估发电机振动能量、规避危险共振点指导机组设计等均具有重要的参考价值。     

变速行星齿轮系统故障诊断方法

针对风力发电机行星齿轮系统变速非平稳工况,且故障信号耦合调制严重、传递路径复杂、噪声污染严重等特点,提出了基于阶次包络分析的故障诊断方法,详细阐述了方法原理和实现流程。通过对变速工况下的仿真加速度信号进行阶次包络分析,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阶次包络谱结构特性,总结了不同部件故障的特征阶次。在此基础上,通过对变速行星齿轮系统试验信号的分析表明:阶次包络分析方法能较好地抑制噪声干扰,反映故障特征清楚,且故障特征能作为变转速时行星齿轮系统故障诊断和定位的依据。