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。     

基于全有限元模型的直齿轮动态响应特性研究

在直齿轮传动系统中，啮合刚度是最重要的内部激励源，其引起的加速度响应特征是对齿轮进行状态监测与故障诊断的重要依据。首先，针对传统集中参数法建立的动力学方程的不足之处，采用2节点梁单元建立了齿轮传动系统全有限元动力学模型；其次，考虑齿轮基圆与齿根圆不重合的情况，采用通用齿廓曲线方程获得完整齿廓曲线的描述模型，进而获得了不同失效形式下的齿轮啮合刚度曲线；最后，采用数值方法对动力学模型进行求解，并与实验观测结果进行对比分析。仿真结果表明，在齿轮局部故障的情况下，其时域图形出现了以主动轮旋转周期为间隔的冲击成分，频域中则在啮合频率附近出现了以主动轮转频为间隔的边频带，冲击成分在时域与频域中的强度与局部故障的程度呈正相关关系。实测加速度信号与理论仿真结果呈现了一致的特点，证明了文中所采用方法的正确性。     

内外激励下高速列车齿轮箱箱体动态响应分析

对高速列车齿轮箱箱体结构的动态响应特性进行分析。对齿轮传动系统内部和外部动态激励进行数值模拟,建立考虑轮齿啮合的高速列车动力车整车动力学模型,内部激励主要考虑齿轮的时变啮合刚度、轮齿啮合阻尼和传递误差,外部激励主要考虑异步电动机的谐波转矩和轨道激励,得到恒功率牵引工况下齿轮传动系统的动态载荷。建立齿轮箱箱体的有限元模型,利用直接积分法分析动态载荷作用下箱体的动态响应,并针对相关频率进行谐响应分析。结果表明,考虑轮齿啮合才能得到齿轮传动系统的高频振动,箱体结构能够满足正常的运营需求,异步电动机谐波转矩频率和齿轮啮合频率在箱体动态响应的主频中都有体现,在箱体结构设计时,应注意箱体自身模态频率与外界频率的错开,以免发生共振。     

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。     

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。     

基于多软件联合的齿轮箱振动仿真及试验分析

综合考虑齿轮误差、时变啮合刚度和啮合冲击等内部激励对齿轮箱振动的影响,通过MATLAB和ADAMS联合仿真计算齿轮啮合内部激励力,运用Pro/E、Hypermesh和ANSYS联合仿真计算激励力作用下齿轮箱箱体的振动响应,并与试验箱体振动信号进行对比,仿真结果与试验结果的振动加速度频域分布大致相同,验证了多软件联合仿真的正确性。最后,将此仿真方法应用于故障齿轮箱的仿真,进一步验证了仿真方法的正确性,可为齿轮箱的振动研究提供良好的参考。     

刚柔耦合的齿轮传动系统动力学特性分析

为了进行齿轮传动系统的振动分析,利用三维建模软件建立了齿轮传动系统的刚体模型;利用有限元分析软件,通过生成模态中性文件建立了系统的柔体模型;并借助机械系统的动力学分析软件,对两种不同的模型进行了动态特性分析。两种模型综合考虑了传动系统中传动轴和支撑轴承的弹性以及箱体的刚度和阻尼对系统动态特性的影响,比较了不同模型下啮合齿轮的速度、啮合力和加速度的动态响应特性。仿真分析结果表明柔性体模型的仿真结果与实际更加接近,因此,把齿轮传动系统中的轴和齿轮作柔性化处理后再进行虚拟分析的动力学仿真更具有实际意义。     

基于动态啮合力刚度的剥落齿轮动力学建模及动态特性研究

齿轮在啮合传动的过程中,常会产生齿轮轮齿表面剥落等故障,影响齿轮正常传动.而目前剥落齿轮动力学模型大多基于恒定载荷计算啮合刚度,未考虑啮合刚度与动态载荷之间的非线性关系,难以真实反映齿轮传动的啮合状态.针对该问题,构建了一种新的剥落齿轮动力学模型.该模型的啮合刚度通过动态载荷与齿轮动力学模型相互耦合,动态表达齿轮剥落啮...     

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。     

齿轮系统振动响应信号调制边频带产生机理

齿轮传动系统的振动频率成分复杂多变,许多频率成分难于进行力学解释。建立定轴齿轮系统啮合点处的单自由度动力学模型,并将模型激励划分为线性激励和非线性激励,分别推导正常状态和平稳型故障下的频率响应特性及诱导因素。正常状态下,齿轮振动响应频率成分为啮合频率及其倍频,由齿轮受载后产生的静弹性变形位移和啮合动刚度共同诱发,并由非线性反馈进一步形成更高阶啮合频率成分。平稳型故障下,响应频率成分除正常运行特有的频率成分外,还包括:故障齿轮转频及其倍频,由平稳型位移误差函数与系统参数作用产生的惯性激励力、阻尼激励力和弹性激励力共同诱发;啮合频率及其倍频两侧间隔为转频的调制边频带,是由位移误差函数与啮合动刚度产生的弹性激励力引起的,并经非线性反馈进一步形成更高阶啮合频率及调制边带。有限元仿真和试验均有效地验证了推导和分析的振动响应频率特征规律。     

齿轮故障状态下风电机组传动系统动力学建模及分析

针对齿轮故障造成的风电机组传动系统输出响应不稳定问题,对故障状态下的传动系统动态性能进行了研究。通过考虑斜齿轮时变啮合刚度和齿轮裂纹等因素的影响作用,分别建立正常状态和齿轮故障状态下的传动系统动力学模型,对比分析了两种状态下系统的输出响应。结果显示,齿轮故障状态下,输出啮合力、扭转振动位移和扭转振动速度均相对较大,且呈现出不规则的变化趋势,在某些仿真时间点处出现较大的冲击振动。研究结果可为风电机组传动系统故障诊断及早期故障预测提供理论参考。     

行星齿轮典型断齿故障的动力学仿真

基于一种改进的行星齿轮箱集总参数模型,将断齿故障等效到时变啮合刚度中,建立了直齿行星齿轮的太阳轮断齿故障、行星轮断齿故障和内齿圈断齿故障的动力学模型。以某单级行星齿轮为研究对象,考虑扭转方向外部激励,对其正常和各断齿故障状态下的动力学模型进行求解,对内齿圈垂直振动加速度信号进行分析。研究结果表明:只考虑扭转方向的外部激励时,正常状态下内齿圈最高点处的垂直振动加速度信号频谱中幅值最高的共振峰与模态能量分布相关;在各断齿故障状态下,内齿圈垂直振动加速度的有效值均大于正常值,时域波形中可看到不同形式的冲击,包络谱中可看到对应的故障特征频率及其倍频成分。     

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。     

齿轮磨损故障动态响应特征与诊断指标研究

齿轮磨损属于典型的早期故障,为监测齿轮磨损状态,开展齿轮磨损故障机理与诊断指标研究.采用解析建模的方法,定量研究了齿轮磨损对时变啮合刚度和无负载静态传递误差动力学参数的影响规律:采用Archard磨损模型计算齿轮齿面磨损深度,获得沿齿廓方向的非均匀磨损分布;采用势能法计算齿轮啮合刚度,揭示了齿轮磨损对啮合刚度幅值影响的定量规律;将齿轮磨损等效为轮齿齿廓偏差,揭示了齿轮磨损对无负载静态传递误差影响的定量规律.采用集中参数法建立齿轮传动的动力学模型,通过两级直齿轮疲劳寿命试验对比验证了齿轮磨损动态响应特征.结果 表明,齿轮磨损主要影响齿轮啮合频率及其谐波成分,同时啮合频率及其谐波的边频带以转频为主,且随磨损增加出现明显变化.基于获得的磨损动态响应特征,构造了四个基于振动信号啮合频率边带的诊断指标,该指标对磨损状态变化敏感,通过仿真和试验验证了指标的有效性和鲁棒性.     

真实啮合状态面齿轮副时变啮合刚度计算及系统振动特性分析

为了获得面齿轮传动系统真实啮合状态的时变啮合刚度,提出一种能够综合考虑齿面修形和安装误差,运用面齿轮轮齿接触分析(TCA)及承载接触分析(LTCA)技术的时变啮合刚度精确计算方法。构建了面齿轮副的TCA和LTCA模型,采用有限元和数学规划的方法获得轮齿接触变形及齿轮啮合力,计算得到面齿轮副精确时变啮合刚度,进而研究了修形参数对面齿轮系统时变啮合刚度的影响规律;在此基础上,建立了考虑时变啮合刚度以及综合传递误差等内部激励的面齿轮传动系统动力学模型,仿真了精确时变啮合刚度激励下的面齿轮传动系统振动响应,为面齿轮传动系统的动态设计提供了理论参考。     

弧齿锥齿轮箱动态特性分析及辐射噪声预估

以升船机同步系统用弧齿锥齿轮箱为研究对象,综合考虑锥齿轮副刚度激励、误差激励和啮合冲击激励等内部动态激励,建立了包含弧齿锥齿轮副、传动轴、轴承和箱体等的齿轮系统动力有限元模型,采用ANSYS对齿轮系统进行动态响应分析,得到齿轮箱的振动位移、振动速度及振动加速度;以箱体表面节点振动位移为边界激励条件,在SYSNOISE中建立箱体声学边界元模型,采用直接边界元法进行辐射噪声预估,得出箱体表面的声压云图及场点的辐射噪声。结果表明:齿轮箱动态响应及辐射噪声的峰值频率均出现在啮合频率及其倍频处。     

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。     

一种舰船用齿轮传动的动态优化设计方法

舰船用宽斜齿轮副的动态特性直接关系到舰船轮机系统的整体性能。本文考虑单自由度齿轮传动动态特性，以接触线长度的变化代替啮合刚度的变化，求解一对啮合齿轮副的综合啮合刚度及轮齿啮合刚度，以啮合线方向上加速度最小为优化目标函数，给出了基于动力学研究的舰船用齿轮副动态优化设计方法。     

多级行星齿轮系统耦合动力学分析与试验研究

基于齿轮啮合理论和Lagrange方程,考虑各级齿圈扭转支撑刚度,提出运用集中参数法建立多级行星齿轮—箱体耦合扭转动力学模型。在分析多级行星齿轮啮合相位关系的基础上,确定各齿轮对时变啮合刚度,并运用有限元法获取各齿圈扭转支撑刚度。行星齿轮传动误差表示为轴频和齿频叠加的谐波函数,分析多级行星齿轮传动的主要激励特征。针对盾构机三级行星减速器某施工地段的运行条件,求解行星齿轮系统的动态响应,并分析其时频特性。采用背靠背能量回馈试验台架测试方案,测量盾构机行星减速器的振动加速度,采用数值积分计算振动速度和位移,并分析其振动特性。研究表明盾构机行星减速器振动试验数据与计算结果具有良好的一致性,验证多级行星齿轮系统耦合动力学模型的准确性。     

齿轮传动系统的动态模拟

针对齿轮副非线性振动问题展开研究,综合分析了啮合冲击激励、时变啮合刚度和误差激励对齿轮系统振动的影响。根据扭转啮合刚度定义,分别建立了无齿面缺陷和有齿面缺陷的齿轮三维接触仿真分析模型。计算了两种运行状态下,不同接触位置上的扭转啮合刚度。在进行齿轮副非线性振动的分析时,综合考虑了啮合冲击激励、时变啮合刚度和误差激励等非线性因素,建立了齿轮副非线性动力学模型,采用变步长四阶Runge-Kutta数值积分方法求解了系统的动态响应。