时变速度和阻尼激励下地铁齿轮传动系统的动力学响应分析

为探究地铁不同车速阻尼对传动系统非线性动力学响应的影响,建立地铁斜齿轮弯-扭-轴动力学模型,模型考虑了齿轮副啮合过程中产生的时变啮合刚度、啮合误差以及间隙非线性等系统参数,以及地铁运行工况下的外部参数。通过对六自由度系统微分方程的无量刚处理以及方程归一化,运用变步长四阶Runge-Kutta数值积分法对齿轮动力学模型进行数值分析,获得齿轮系统动态响应状态图。借助时间历程图、相平面图、庞加莱截面图和分岔图等系统状态判定标准,定性分析系统激励频率、啮合阻尼比变化下系统周期运动、拟周期运动、分岔和混沌运动等的演化历程。结果表明,当地铁高速运转、啮合阻尼比大时斜齿轮传动系统运动稳定。最后通过实验验证了其正确性。     

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。     

含摩擦的汇流传动齿轮非线性动力学分析

针对齿轮系统运行过程中具有非线性动力学特性，为研究齿面摩擦因数对系统动力学的影响，建立了一种考虑齿侧间隙，齿面摩擦力和时变啮合刚度等因素的三齿轮扭转振动模型。分析了布局参数对齿面摩擦力和时变啮合刚度的影响，研究了不同摩擦因数对系统动态响应的影响以及有无摩擦因数对系统混沌运动的影响，通过幅频曲线研究了系统的跳跃滞后现象和齿轮碰撞运动并分析了摩擦因数对它们的影响。结果表明，随着摩擦因数的变化，系统表现出同周期运动并存、不同周期并存和混沌等动力学现象，摩擦能导致混沌运动和跳跃现象提前并加大齿轮之间的碰撞运动。该结果可为汇流传动齿轮系统的非线性动态设计提供准确合理的理论参考。     

内外激励作用下地铁齿轮传动系统振动特性研究

地铁齿轮系统作为关键的传动装置,其振动特性对地铁的安全运行具有重要的影响。为研究转速、内部机理啮合误差对地铁齿轮传动系统非线性振动的影响,本文在同时考虑时变啮合刚度、时变啮合阻尼、综合传递误差、外部激励波动的基础上,建立了具有2自由度的齿轮扭转动力学模型,推导了齿轮传动系统的动力学微分方程,并运用RungeKutta数值积分法对其进行分析。本文借助于分叉图来说明齿轮传动系统在不同参数下周期、逆周期和混沌运动的变化情况,进而揭示传动系统的稳定性。研究结果表明,在较低或较高转速下,齿轮传动系统表现出简单的周期运动,进而表明转速对齿轮系统的动态特性有一定的控制作用。当内部激励啮合误差增大时,系统的逆周期和混沌运动逐渐消失,主要表现出简单的周期运动,但相应的幅值明显增大。本文的研究为地铁齿轮传动系统的减振降噪提供一定的理论基础。     

考虑啮合刚度随机扰动的斜齿轮系统分岔特性研究

为了研究时变啮合刚度的随机扰动对斜齿轮传动系统动力学的影响,基于牛顿定律,建立单对6自由度斜齿轮传动系统的随机动力学模型并进行无量纲化处理。结合系统的分岔图、庞加莱映射图、李雅普诺夫指数图、相图和时间历程曲线图,对考虑啮合刚度随机扰动的斜齿轮传动系统的分岔特性进行分析。数值仿真分析结果表明,斜齿轮的时变啮合刚度在不断增大时,斜齿轮传动系统逐渐从周期运动通过倍化分岔变为混沌运动;随机扰动的增大使系统分岔特性发生变化,提前分岔进入混沌,对系统产生本质影响,故在设计时需选择合理参数,保证系统稳定性。     

混合轮系扭转非线性振动建模与分岔特性分析

考虑齿轮副间的时变刚度、齿侧间隙及综合传递误差等因素,建立了风力发电机行星轮系-平行轴混合轮系的齿轮-转子系统扭转非线性振动模型;推导出了系统的量纲一化动力学方程,采用数值积分法对方程进行求解,得到了系统的非线性动态响应结果。综合运用分岔图、位移-映像图、功率谱线图研究了系统转速、啮合阻尼和齿侧间隙对系统分岔特性的影响。结果发现,系统在低速重载工况下具有复杂的非线性动力学特性;系统随转速的变化出现了单周期运动、拟周期运动和混沌等多种运动状态,系统通过Hopf分岔、阵发性激变途径进入混沌运动;阻尼过小将会导致系统的稳态运动由短周期运动向复杂的混沌运动转变。齿侧间隙是影响系统分岔特性的重要因素。     

斜齿轮柔性转子轴承系统非线性动力学分析

考虑齿侧间隙、轴承径向间隙、齿轮不平衡力,使用有限元法建立质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵并组装成整体参数矩阵,建立了适用于斜齿轮柔性转子滚动轴承系统的非线性动力学模型。采用Runge-Kutta法求解,并分析系统的动力学行为。研究了转速、转轴刚度、不平衡力对斜齿轮系统非线性动力学行为的影响规律。结果表明:随着转速的变化,系统将经历周期、拟周期、混沌等多种运动状态;随着转轴刚度的减小,混沌运动的区间减小,振幅大小发生改变;不平衡力增大后,系统混沌区间增大,混沌运动的区间也发生改变。     

斜齿轮柔性转子轴承系统非线性动力学分析

考虑齿侧间隙、轴承径向间隙、齿轮不平衡力,使用有限元法建立质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵并组装成整体参数矩阵,建立了适用于斜齿轮柔性转子滚动轴承系统的非线性动力学模型。采用Runge-Kutta法求解,并分析系统的动力学行为。研究了转速、转轴刚度、不平衡力对斜齿轮系统非线性动力学行为的影响规律。结果表明：随着转速的变化,系统将经历周期、拟周期、混沌等多种运动状态;随着转轴刚度的减小,混沌运动的区间减小,振幅大小发生改变;不平衡力增大后,系统混沌区间增大,混沌运动的区间也发生改变。     

斜齿轮疲劳点蚀故障动力学仿真与诊断研究

齿面点蚀是斜齿轮的主要故障之一。不同齿面及不同程度的点蚀故障诊断需要大量的实验数据支撑。提出一种仿真与实验相结合的方法，对斜齿轮齿面点蚀程度和数量进行故障识别。建立了单齿面点蚀和多齿面点蚀等不同点蚀故障类型的斜齿轮动力学模型，对动态响应信号进行包络谱分析，得到了不同点蚀故障类型时域和频域的特征响应规律。对齿轮接触疲劳实验振动信号进行特性分析，验证了斜齿轮点蚀故障动力学模型的准确性。结果表明，齿轮点蚀故障动力学模型可以对单齿面不同点蚀程度和多齿面点蚀进行诊断识别，为传动齿轮故障诊断与健康预测提供诊断依据。     

齿面摩擦对齿轮传动系统分岔与混沌特性的影响分析

为研究齿面摩擦对直齿圆柱齿轮传动系统振动特性的影响,建立了包含齿面摩擦在内的六自由度齿轮啮合耦合型动力学模型。模型采用能量法计算齿轮啮合的时变啮合刚度,同时考虑了啮合误差、间隙非线性以及负载扭矩等因素。通过四阶变步长Runge-Kutta积分法对模型进行数值分析,得到齿轮系统随齿面摩擦系数变化下的时间历程图、相位图、Poincare截面图、分岔图等,定性分析了齿轮系统对齿面摩擦变化下的动力学周期、拟周期、分叉和混沌的运动演化历程,并通过实验进行了验证。结果表明,随着齿面摩擦系数的增大,齿轮系统动态特性响应逐渐复杂。     

考虑齿面摩擦的斜齿轮系统建模及动力学特性分析

为研究斜齿轮传动系统的动力学特性,根据单级斜齿轮副传动情况,建立考虑齿面时变摩擦的5自由度弯—扭—轴耦合传动系统动力学模型。依据重合度对啮合时间进行划分,由Buckingham半经验公式得到齿面摩擦因数随啮合点位置的变化规律。采用变步长Runge-kutta法对系统运动微分方程组进行数值求解,得到系统分岔图、最大Lyapunov指数、最大幅值云图和幅频特性叠加图,分析系统随激励变化的动力学特性。研究发现,系统在特定参数下发生强共振响应及幅值跳跃现象。     

基于温度效应的多自由度齿轮系统的非线性动力学分析

齿轮在工作时,由于功率损耗和环境温度等原因,引起齿轮轮体及箱体的温度发生变化,影响齿轮传动性能。以直齿圆柱齿轮传动系统为研究对象,考虑齿面摩擦、齿侧间隙和时变啮合刚度等非线性因素,引入温度变化的影响,建立六自由度的齿轮系统非线性动力学模型,并采用4~5阶龙格-库塔算法对模型进行求解,结合分岔图、相图和Poincare映射图,分析温度变化和激励频率对齿轮系统动力学的影响。结果表明,温度变化对系统的影响与激励频率取值有关;系统随着激励频率的变化会表现出不同的动态特性响应,包括单周期响应、多周期响应以及分岔和混沌响应。相关结论为进一步改善齿轮系统的设计和安装提供了参考。     

啮合参数对分扭-并车齿轮传动系统分岔特性的影响

为研究分扭-并车齿轮传动系统非线性分岔特性,建立了含多间隙的分扭-并车齿轮系统非线性动力学模型,引入高斯消元技术和广义相对位移变量消除了系统的刚体位移,并对动力学方程组实施了量纲一化处理。综合考虑啮合频率、齿侧间隙、综合传动误差和阻尼比等激励下的分岔通道,借助分岔图、Poincaré截面和Lyapunov指数等手段对系统的分岔行为进行了定性和定量表征。结果表明啮合频率增大时系统发生逆向倍周期分岔,分岔点位置受齿侧间隙影响显著;齿侧间隙和综合传动误差变化下混沌域内均出现短暂周期窗口;阻尼对倍周期分岔运动存在抑制作用,其结果对该类齿轮系统动力学设计具有参考价值。     

载荷激励下齿轮-转子系统断齿故障的机理研究

以一级齿轮箱及其连接的双跨转子系统为研究对象,研究其载荷激励和断齿故障下的动力学机理。针对齿轮啮合刚度的时变性及其所连接的转子系统的不平衡,以转子系统动力学、齿轮系统动力学以及拉格朗日方程为基础,构建了齿轮-转子系统的弯扭耦合数学模型,并在Matlab/Simulink环境下建立其仿真模型。数值仿真了断齿故障信号,并通过信号发生器模拟不同的载荷激励,通过观察其时频图解析了不同载荷激励和断齿故障所引起的系统动力学响应。最后,通过不同载荷激励下的齿轮断齿故障试验,得到实测信号的时域图并进行频谱分析,验证了齿轮-转子系统模型的合理性,可为齿轮-转子系统的故障诊断提供重要的理论依据。     

复杂齿轮耦合转子-轴承系统动力学的规范建模方法

由于齿轮的耦合作用,齿轮-转子-轴承系统中各个转子的振动是相互耦合、相互影响的,研究齿轮-转子-轴承系统动力学,必须基于系统的、整体的观念进行分析。因此,齿轮-转子-轴承耦合系统动力学建模和模型降阶一直是人们普遍关注的问题。基于齿廓啮合基本定理,给出了直齿轮、斜齿轮、直齿锥齿轮、弧齿锥齿轮共4种齿轮的几何耦合模型（或称运动耦合模型）;利用耦合模型矩阵,给出了含以上4种齿轮副的复杂齿轮转子-轴承系统纵-弯-扭耦合动力学研究的统一、方便、规范的建模方法。为复杂齿轮-转子-轴承耦合系统动力学分析研究提供了方便。     

变载荷激励下齿轮削齿故障动力学特性研究

为了掌握变载荷激励下齿轮削齿故障动力学特性,考虑削齿故障引起齿轮质量不平衡和对齿轮系统啮合刚度的影响,建立了含削齿故障的四自由度齿轮动力学模型。在此基础上,采用变步长的四阶Runge-Kutta法对齿轮削齿模型进行数值仿真求解,研究了含削齿齿轮故障的动力学机理。通过空载和变载荷激励下齿轮削齿动力学特性对比,分析了齿轮削齿故障下的动力学特性。结果表明,变载荷激励下,齿轮削齿系统具有明显的低频成分,并且变载荷幅值越大,低频成分越明显;齿轮的振动位移与变载荷激励有相似的变化趋势。变载荷激励大小对齿轮削齿动力学特性也有影响,变载荷幅值越大,齿轮的时域图中的冲击现象和调制现象越不明显。此外,随着变载荷激励幅值变大,频谱图中边频带由削齿齿轮的转频变为外部载荷变化的频率。因此,对于齿轮故障诊断,应尽量在稳定负载工况下进行故障诊断。     

刚度变化下直升机行星齿轮-转子系统非线性动力学

建立了行星齿轮-转子系统的非线性动力学模型,系统模型将内啮合刚度嵌入齿圈刚度进行建模,考虑了转子扭转效应、齿侧间隙、时变啮合刚度和综合传动误差等因素.采用分岔图、最大李雅普诺夫指数(LLE)、庞加莱截面图和相图来分析响应特征.研究齿轮与转子间扭转振动位移响应,分析了旋翼轴与传动轴扭转刚度比变化影响规律.研究发现,系统具有非线性动力学特性,通过准周期分岔和倍周期分岔进入混沌运动,获得了系统避免失稳的刚度比阈值区间.研究为直升机主减速器行星齿轮-转子系统的动力学设计和扭转振动控制提供了参考.     

随机外干扰下齿轮传动系统的混沌振动分析

为了考察输入力矩的随机扰动对系统动力学的影响,综合考虑由扭矩波动引起的低频外激励、齿轮阻尼比、齿侧间隙、激励频率和啮合刚度的随机扰动因素,根据牛顿定律建立单对三自由度直齿齿轮传动系统的随机动力学方程。利用系统的分岔图、相图、时间历程图、Poincaré 映射图、李雅普诺夫指数和功率谱图分析齿轮传动系统在齿轮激励频率变化下的动力学特性,并分析输入力矩引起的随机外扰动对系统分岔特性的影响。数值仿真表明：随机非光滑齿轮传动系统存在着丰富的倍周期分岔现象;随着齿轮激励频率的增大,齿轮传动系统先通过周期倍化分岔从周期运动到混沌运动,再通过逆周期倍化分岔从混沌运动通向周期运动;随着输入力矩随机扰动的增大,会对系统的随机分岔区域和系统动力学特性产生本质影响。     

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。     

循环冲击激励下某发动机附件传动系统的振动特性研究

考虑到某涡桨发动机中附件传动系统动力学建模困难的问题,本文基于子结构总体耦合矩阵法,将同轴多转子耦合系统和斜交弧齿锥齿轮耦合多转子子系统的动力学模型加以综合和扩展,建立了主转子与附件传动系统耦合系统的动力学模型,并推导了动力学方程,使用变阶次Adams-Bashforth-MoutlonPECE算法对动力学方程进行求解,获得不同循环冲击载荷谱下,系统的动态响应,研究了该型航空发动机主转子与附件耦合系统的振动特性。结果表明:该下斜附件传动系统由于第三级齿轮副传递扭矩较大,同时斜齿轮副相较于弧齿锥齿轮副运转平稳性差,故两种交变载荷下各级齿轮副的最大法向相对位移、最大动载系数均值及最大法向振动加速度均方根均发生在斜传下斜齿轮副上;各级齿轮副沿法线方向的振动均为周期振动,且一个负载周期中同时包含有多个啮合周期。