基于信号传播模型的行星齿轮缺齿故障识别*

为了研究行星齿轮缺齿时包含微弱故障特征的振动信号在多级齿轮箱系统中的传递特性,先考虑仅由齿轮及转轴构成的"局部系统",采用集中质量法建立齿轮系统扭转动力学模型,依达朗伯原理导出振动微分方程组并求得各级齿轮啮合的振动响应即振动源信号。为了找出振动源信号在整个系统中的传递关系,在上述动力学模型的基础上再考虑包括齿轮箱箱体在内的"整体系统",通过对信号动态传播路径的分析,针对不同测点反映故障的敏感度不同的现象,根据系统辨识理论建立信号传播模型,并运用最小二乘类方法得到振动源信号传至不同测点的传递函数估计,即找到信号在系统中的传递关系。通过分析比较传递函数幅频特性曲线进而选取合适测点,在此测点下行星齿轮缺齿故障特征频率相对明显易识别。     

基于虚拟样机技术的故障行星齿轮系统接触力仿真

为了获得故障行星齿轮系统的接触力变化规律,建立故障行星齿轮系统的动力学模型,结合基于Hertz接触理论的齿轮啮合传动的计算方法,对含有断齿故障的行星齿轮系统进行动力学仿真。结果表明,与正常行星齿轮系统的接触力相比,断齿故障的行星齿轮系统的接触力在时域中含有明显的周期性冲击;在频域中,不仅出现了故障频率,而且在啮合频率及其倍频处还出现了以故障频率为边频带的故障特征。通过对故障行星齿轮系统动力学研究,可以为行星齿轮系统故障诊断提供参考和依据。     

增速齿轮副非均匀磨损时变啮合刚度研究

以某渐开线直齿圆柱增速齿轮副为研究对象,基于Hertz接触理论与Archard磨损公式,推导齿轮副齿面接触应力与相对滑动速度,建立齿轮副非均匀磨损模型,计算了不同循环次数下齿面磨损深度;基于势能法推导基圆与齿根圆不同位置下轮齿非均匀磨损时变啮合刚度解析公式,研究了非均匀磨损对时变啮合刚度的影响规律。研究结果表明,磨损深度在渐开线齿廓上分布不均匀,节圆附近的磨损最小,齿顶齿根处磨损深度较大,且齿顶处累积磨损深度最大;齿面磨损深度随循环次数增加而增大,齿轮时变啮合刚度随磨损深度增加而减小,且双齿啮合区刚度减小量大于单齿啮合区。     

风力机齿轮故障对传动系统的影响研究

建立风力机组齿轮传动系统的三维模型,利用ADAMS的模拟信号和实验信号对比分析,分别研究了不同转速时定轴齿轮断齿的单一故障及定轴齿轮齿根裂纹-行星齿轮断齿耦合故障,对传动系统上不同测点的影响。定轴齿轮断齿对各测点影响明显且频域分布特征基本一致,转速的变化不影响频域的分布,在高速级啮合频率、中速级啮合频率及2倍频附近有较强边频带;耦合故障时定轴齿轮裂纹对各测点高频区影响明显,行星轮断齿对故障源附近低频区影响明显,行星轮故障特征为啮合频率及其2、3倍频振幅明显,且存在明显边频;角加速度信号与实验信号主要特征频率分布基本吻合。     

基于小波包能量谱和Hilbert包络分析的行星齿轮故障诊断

行星齿轮啮合振动信号噪声干扰大,难以诊断齿轮的故障。提出一种基于扭转振动信号的行星齿轮故障诊断方法。结合小波包能量谱和Hilbert包络分析用于轴系扭转振动信号进行识别行星齿轮的早期故障。将这种方法应用于行星齿轮箱在行星齿轮磨损和行星齿轮出现断齿故障状态下采集到的实际故障行星齿轮扭转振动信号,发现这种方法能识别两种状态下的行星齿轮故障特征。将小波包能量谱和Hilbert包络分析应用于两种故障状态下的横向振动信号,发现行星齿轮磨损故障不能准确识别。实验结果表明新方法对行星齿轮早期故障的识别更敏感、准确。     

重载工况下行星齿轮传动啮合偏载分析

为了深入研究重载行星齿轮传动多柔体变形下齿面载荷分布规律,提出一种计入结构柔性与齿轮副动态接触的行星齿轮传动耦合动力学建模方法。以某型兆瓦级风电齿轮箱行星轮系为研究对象,根据内齿圈、行星架结构及其边界特征,采用有限元缩聚理论建立内齿圈轮齿、行星架耦合点与弹性支撑之间的关联关系,利用齿轮副动态承载接触作为界面协调条件将各构件进行耦合,建立行星齿轮传动耦合动力学模型,分析了啮合偏载现象以及结构参数对啮合特性的影响。研究结果表明,作用在行星轮上的合弯矩以及行星架销轴非对称结构变形是造成啮合偏载的主要原因,系统共振会加剧啮合偏载程度;在共振区附近,齿轮动态啮合刚度与静态啮合刚度存在较大差异;增加销轴刚性、增大螺旋角可以改善啮合偏载程度,减小共振区系统振动,但在低转速区不利于系统减振,而增大行星架连接板刚性可以保持低转速区系统振动状态,同时减小共振区系统振动。     

基于全齿廓的行星齿轮点蚀故障时变啮合刚度计算模型

当齿轮产生点蚀故障时,其时变啮合刚度变化导致的振动响应特征是实现点蚀故障诊断的重要依据,而准确的齿轮几何模型对于齿轮时变啮合刚度的计算精度具有重大意义.推导了内、外啮合齿轮的齿廓方程,提出了基于全齿廓的行星齿轮点蚀故障时变啮合刚度计算模型,有效解决了简化模型中需要齿数判断和精度较差的问题,提高了行星齿轮时变啮合刚度计算精度,为行星齿轮点蚀故障的动力学建模、故障机理分析及疲劳寿命分析奠定了理论基础.     

基于扭转模型的行星轮轴承接触力频谱特性

建立了汇流行星排纯扭转动力学模型。综合考虑了平均啮合刚度、齿侧间隙、齿轮综合啮合误差、啮合阻尼以及行星轮轴承支承刚度等因素。分析了不同行星轮轴承刚度下行星轮轴承接触力频谱特性,发现行星轮轴承刚度减小时,接触力频谱出现比较明显的调制现象。     

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。     

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。     

人字齿行星齿轮传动系统振动特性研究

通过对人字齿行星齿轮传动系统多重啮合间相位关系的分析,给出了考虑啮合相位的时变啮合刚度计算公式。考虑误差激励和时变啮合刚度激励,在行星架随动坐标系中建立了人字齿行星齿轮传动系统的平移-扭转耦合动力学模型。针对两组不同啮合相位的行星齿轮传动系统,采用傅里叶级数法求解其动力学模型,得到频域解和时域解,且分析啮合相位对人字齿行星齿轮系统振动特性的影响。     

啮合相位对人字齿行星齿轮传动系统均载的影响

基于集中参数法建立了人字齿行星齿轮传动系统平移-扭转耦合非线性动力学模型,模型中考虑了人字齿行星齿轮传动系统多重啮合间相位关系,提出了计入啮合相位的时变啮合刚度,综合考虑了各构件的支撑刚度、误差激励。研究了啮合相位对人字齿行星齿轮均载的影响,结果表明:理想啮合状态下,均布式人字齿行星齿轮系统中,啮合相位系数为0时,系统均载系数为1,同时抑制了系统平移振动;非均布式人字齿行星齿轮系统中,啮合相位系数为0时,系统均载系数为1,同时抑制了部分平移振动。无啮合相位差的人字齿行星齿轮系统均载系数较相位差不为0时小。微调行星齿轮的几何相位,不改变系统传动比及尺寸;调整行星齿轮齿数关系,虽系统的传动比及尺寸略有变化,但系统的均载系数更小,同时抑制系统了平移振动。在单级人字齿行星齿轮试验台上对不同啮合相位的行星齿轮系统进行了均载试验研究,验证了理论分析结果的有效性。     

功率分流式混合动力轿车传动系噪声分析

以某功率分流混合动力轿车传动系为研究对象,分析了该款深度混合动力汽车的转速特性,通过噪声测试确定了混合动力传动系在纯电动和混合动力模式下的噪声源,建立了传动系复合行星排齿轮啮合对三维接触动态有限元模型,分析了齿轮对三维接触动态特性。噪声测试结果表明,复合行星排齿轮啮合是纯电动模式下主要噪声源,齿圈与减速器齿轮啮合噪声及发动机噪声是混合动力模式下主要噪声;动态接触分析得到了齿轮对啮合时轮齿的接触状态、接触应力、接触力、接触面积等随啮合位置变化的规律,为混合动力传动系振动噪声、强度校核和动态性能优化提供了依据。     

变厚齿RV传动多齿弹性啮合效应的研究

对变厚齿RV传动中的少齿差行星传动进行了有限元接触分析,分析结果表明,变齿厚少齿差传动存在多齿弹性啮合效应,其啮合性能不同于按传统齿轮设计理论所得的结果。研究了一个啮合周期内,不同载荷下的多齿弹性啮合效应对变齿厚少齿差传动的轴向力、接触力、实际接触齿对数、各齿对间载荷分布、齿面接触应力及齿根弯曲应力的影响规律,分析结果为提高变厚齿少齿差行星齿轮传动的承载能力、齿轮参数优化、变齿厚齿廓修形及零部件的强度计算提供了理论依据。     

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.     

直齿轮齿面非均匀磨损对模态特性的影响

研究准静态工况下齿面非均匀磨损对齿轮模态特性的影响。根据Hertz接触理论和Archard公式建立准静态磨损模型,对齿轮齿面磨损情况进行数值仿真。计算结果表明,主、从动轮的齿顶处和齿根处磨损较大,其中,齿顶处磨损量小于齿根处,主动轮的齿根位置磨损量最大,节点处齿轮做纯滚动,不产生磨损,在单齿、双齿啮合区交替处磨损量有突变。在此基础上,按数值分析结果施加齿面磨损故障,导入到Abaqus中进行仿真,进一步分析了磨损前后齿轮的模态特性。仿真结果表明,齿轮具有丰富的振动形态,磨损对振型影响不明显,但固有频率出现明显升高,其中,7～10阶的高阶固有频率增大幅度要高于低阶固有频率增大的幅度。     

无侧隙啮合斜齿行星传动系统动力学建模与分析

建立了一个包含无侧隙啮合、轴承间隙、时变啮合刚度、重力激励和其它外部激励的斜齿行星传动系统平移-扭转耦合动力学模型,研究了影响齿面接触状态的主要因素以及齿面接触状态对斜齿行星齿轮传动系统动态特性的影响规律。仿真结果表明,无侧隙啮合对斜齿行星传动系统的轴承力和齿面啮合力有显著的影响,无侧隙啮合与侧隙、轴承间隙密切相关,并且当行星齿轮的组件重力很大时,重力激励是造成无侧隙啮合的重要原因。     

环面渐开线齿轮的啮合刚度分析

环面渐开线齿轮作为一种既可作平行轴传动,又可作相交轴传动,对安装误差不敏感的新型齿轮,其啮合刚度的研究是进行动力学分析的基础。基于数值计算法生成齿面三维坐标点,建立环面渐开线齿轮的三维实体模型;采用Hyper Mesh和ABAQUS软件对环面齿轮模型进行有限元前处理,包括网格划分、耦合约束、边界条件及载荷设置;分析齿面啮合点处的法向接触力及综合弹性变形量,根据计算公式拟合单齿啮合刚度与多齿综合啮合刚度曲线;分析比较转矩对环面齿轮重合度与时变啮合刚度的影响。     

基于有限元法的疲劳点蚀斜齿轮时变啮合刚度分析与试验研究

疲劳点蚀斜齿轮啮合刚度计算是齿轮故障动力学分析的重要基础.基于有限元的斜齿轮啮合刚度计算方法,建立了正常齿轮和疲劳点蚀齿轮的有限元模型.通过有限元模型计算,得到了齿面法向接触力和综合弹性变形量;并根据啮合刚度计算方法,得到了齿轮的单齿啮合刚度和多齿综合啮合刚度.分析不同点蚀剥落长度和宽度对齿轮啮合刚度的影响得知,剥落长度和宽度对齿轮啮合刚度影响较大;而且剥落长度会影响齿轮啮合刚度的变化区域.通过疲劳点蚀试验证明,齿轮啮合刚度的减小使得齿轮振动冲击响应增大.     

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。