基于刚柔耦合模型的行星传动固有特性分析

采用动态子结构法建立计入内齿圈柔性的行星传动刚柔耦合动力学模型,将内齿圈视为弹性连续体,导出内外约束条件下的运动微分方程,并将其与刚体构件的集中参数方程相结合,构建出系统的运动微分方程。基于所建模型,进行柔性齿圈直齿行星齿轮系的自由振动分析和相关试验验证。理论分析揭示出此类系统的振型可归结为4类:中心构件扭转振动模式、中心构件平移振动模式、行星轮振动模式和内齿圈振动模式,并给出每类振动模式的特征和降阶计算公式。数值仿真表明,内齿圈柔性使系统低阶固有频率降低,且新呈现的内齿圈振动模式对应的固有频率位于整个系统固有频率的中低频段,故在后续行星轮系的动态设计中应计及齿圈柔性的影响。振动试验则表明,内齿圈柔性对系统振动特性存在一定影响,除啮频激励和箱体结构共振外,行星传动中还存在低阶谐振现象;对于中低速工况下且太阳轮浮动的行星传动而言,减小齿圈柔性有利于降低系统振动。     

3K-Ⅱ型直齿行星齿轮传动的固有特性

为揭示3K-Ⅱ型直齿行星齿轮传动的固有特性,建立该类传动系统在系杆随动参考坐标系下的平移-扭转耦合动力学模型.模型设定系统中每个构件均拥有3自由度,并计入各构件的支承刚度、轮齿时变啮合刚度和陀螺效应等影响因素.通过分析各构件间的相对位移关系,推导出系统的运动微分方程,进而求解其特征值问题即可获知系统的固有频率和相应振型.固有特性分析表明,3K-Ⅱ型行星齿轮传动具有与2K-H行星齿轮传动类似的三种典型振动模式,即扭转振动模式、平移振动模式和行星轮振动模式.列出三种典型振动模式下传动系统的运动特征.     

计入齿圈柔性的风电机组行星传动动力学研究

以风力发电机行星传动系统为研究对象,为揭示齿圈柔性对其动态性能的影响,将齿圈离散为多段刚性轮齿段,对每两轮齿段用理论长度为零的双向扭转弹簧连接。在行星架随动坐标系下,综合考虑了支撑刚度、齿轮啮合时变刚度和齿圈柔性,建立了风力发电机行星传动系统刚—柔耦合动力学模型。分析了各构件间的相对运动微位移及齿圈的受力情况,运用牛顿力学推出动力学方程;基于所建模型,得出了齿圈厚度的变化对其各节径固有频率的影响;发现了行星轮两种特殊啮合位置下齿圈的变形特点及所对应连接扭簧的扭转力矩和扭转变形角度间的关系。该结果可为风力发电机行星齿轮传动的设计提供理论依据。     

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。     

立磨减速机行星齿轮传动均载特性及其影响因素研究

综合考虑立磨减速机行星传动齿轮副时变啮合刚度、啮合阻尼、轴承支撑刚度、支撑阻尼,基于集中参数法建立了行星齿轮传动振动微分方程,采用龙格库塔法求解振动微分方程得到齿轮副的动态啮合力。研究了太阳轮、行星轮和内齿圈偏心误差对行星齿轮传动均载特性的影响。结果表明,太阳轮浮动时,行星齿轮传动获得较好的均载特性;且太阳轮浮动时,单一考虑太阳轮偏心误差、齿圈偏心误差比综合考虑太阳轮、行星轮和齿圈偏心误差具有更好的均载效果,整体上偏心误差对行星齿轮传动均载影响小;太阳轮不浮动时,系统均载特性较差。     

滑动轴承支承人字齿轮行星传动固有特性分析

考虑滑动轴承支承刚度不对称和耦合特性,建立计入内齿轮轴向振动的人字齿轮行星传动动力学模型。利用4个刚度系数描述行星轮滑动轴承支承油膜刚度。分析系统的自由振动特性,发现系统存在5种振动模式:中心轮扭转—轴向振动模式、内齿轮扭转—轴向振动模式、中心轮横向振动模式、内齿轮横向振动模式和行星轮振动模式。根据每种振动模式的振型特征,推导出5种模式固有特性的低阶计算公式。系统固有频率的分布范围比直齿、斜齿行星传动系统小。结果表明,油膜刚度不对称不会对振型特征产生影响,但是刚度耦合不对称时中心轮横向振动模式会发现显著变化:对应的二重固有频率变成两个不同的单重频率,振型呈现新特征。     

内激励下弹性边界柔性直齿内齿圈振动响应研究

以行星轮系柔性内齿圈为研究对象,为计入拉伸、剪切和弯曲变形等因素,使数学模型更好与工程实际相匹配,根据其结构及边界特点采用平面梁单元建立弹性边界柔性直齿内齿圈的振动分析模型,并对其固有特性进行了研究。基于叠加原理和力向一点平移定理,采用组合激振法等效模拟了沿啮合线作用的啮合激励,并从频域角度揭示了啮合激励对弹性边界柔性内齿圈振动响应的影响。研究结果表明,弹性边界柔性内齿圈振型可归结为三类:平移振动模式(内齿圈各点具有相同的运动),弯曲振动模式(内齿圈发生弯曲变形的振动)和扩展振动模式(内齿圈各点仅产生径向振动);啮合激励对扩展振动模式影响较小,而对弯曲振动模式影响显著;对直齿内齿圈而言,弯曲振动模式是引起振动与噪声的主要原因;当扩展振型(波数m=0)发生共振时,内齿圈呈等幅振动;当波数m不为零的振型共振时,内齿圈呈m个波形。     

带有柔性齿圈和行星架的直齿和斜齿行星传动的模拟

本文提供可以仿真具有变形零件的直齿和斜齿行星齿轮周转齿轮的三维静态和动态性能的模型。通过三维有限元方法得出的结构求出齿圈和行星架的变形分布。根据模型的转化技术,通过考虑到轮齿接触弹性原则,由连接齿圈结构和行星轮分块参数模型限定内齿轮元件。沿接触线导出离散的啮合刚度和当量法面偏差,并把啮合齿面位置作为随时间变化再计算它们的数值。采用约束基础技术仿真一个连接行星轮中心的行星架,用组合板块参数太阳轮／行星齿轮和沿轴装零件集成刚度,质量和惯量完善行星齿轮／周转齿轮模型。对整个啮合仿真用综合时间一分级积分框图和接触算法解相应的运动方程式。得出的一些准静态和动态的结果表明所推荐的混合模型的趋向和考虑齿圈和行星架变形的重要性。     

兆瓦级风电齿轮增速箱行星齿轮传动系统动态特性研究

以载荷分流式两级行星加一级平行轴斜齿风电齿轮增速箱为研究对象,考虑外部载荷激励、时变啮合刚度的影响,详细推导并建立包含径向和扭转的系统动力学模型,分析计算系统低速级和中速级中行星轮与内齿圈和太阳轮的动态啮合力。应用龙格—库塔法求解,归纳分析得到各级中心构件径向振动速度和扭转振动角速度变化以及行星轮与内齿圈和太阳轮的动态啮合力时变特点。这为载荷分流式两级行星加一级平行轴斜齿风电齿轮增速箱动态优化设计提供了理论依据。     

斜齿行星齿轮系统自由振动特性分析

建立了计入系统扭摆振动陀螺效应的斜齿行星齿轮系统动力学模型,考虑了偏心误差、行星轮轴位置偏差、啮合误差、质量偏心及时变刚度的影响。分析了2K-H型斜齿行星齿轮系统的自由振动特性。将斜齿行星齿轮系统的振型划分为三类：径向平移扭摆振动模式、轴向平移扭转振动模式和行星轮振动模式。并分析了这三类振动模式降阶模型的特征值问题,得到了它们的特征值数、各行星轮振型比例关系及各构件振幅特点等方面的规律。     

Calculation of time dependent mesh stiffness of helical planetary gear system using analytical approach

Time-dependent mesh stiffness is a most important reason of vibration and dynamic excitation in gear sets. In this research, analytical formulas of the helical gear set and the planetary gear system are combined to calculate the time-dependent mesh stiffness of the helical planetary gear system. For this purpose, at the first step, the analytical equations are derived for the spur gear pair. Then by dividing a helical tooth into the several independent thin spur tooth slices, the helical gear pair mesh stiffness is extracted. Finally, these equations are extended to the helical planetary gear system. The suggested analytical results and those which obtained by the finite element method (FEM) are compared and are in good agreement when the helix angle is less than 15 degrees. Also, the helical planetary gear system mesh stiffness in different cases such as fixed carrier, fixed sun gear and fixed ring gears is calculated. These results show that the value of mesh frequency ratio in each case scales the mesh stiffness shapes in the rotation angle direction. In other words, mesh frequency ratio parameter determines the number of meshing period in each rotation of planets.     

混合动力两级行星机构动力耦合系统动力学建模及分析

以基于双转子电机的混合动力传动系统的两级行星齿轮机构动力耦合系统为研究对象,考虑前后两级行星齿轮机构的齿轮副啮合刚度、中心构件的扭转支撑刚度、连接部分的扭转耦合刚度、各构件惯性等基本因素,详细推导并建立两级行星齿轮耦合系统的纯扭转动力学模型。利用两级行星齿轮机构的有关参数进行特征值问题求解,得到系统整体模型的固有特性,按照振型特点把系统的振动形式划分为三种模式:整体扭转振动模式、前排行星轮振动模式和后排行星轮振动模式。在整体模式下固有频率为单根,系统各构件均以一定幅度做扭转振动;前、后排行星轮模式下固有频率均为二重根,且除了其自身外,其他构件均无振动。归纳分析得到的各振动模式特征与前人有关结论相吻合。同时指出连接部分的耦合刚度对系统振动特性的影响,并作了初步分析。     

变载荷激励下风电行星齿轮系统动力学特性

为了更准确地分析风电行星齿轮系统的动力学特性,在同时考虑风速变化和发电机电磁转矩变化引起的外部载荷激励,齿轮时变啮合刚度、轴承时变刚度以及行星齿轮啮合相位差等引起的内部激励的条件下,建立了风电行星齿轮系统的动力学模型。在此基础上,采用Runge-Kutta数值积分方法求解了某兆瓦级半直驱风电行星齿轮系统的动态响应,分析了上述激励对系统动态特性的影响规律。结果表明：外部变载荷的激励使系统的响应频率具有明显的低频成分,各构件的扭转振动位移与外部合力矩有相似的变化趋势;行星轮啮合相位差的激励使系统的结构频率成分增多且频率减小,增加了系统共振的可能性;轴承时变刚度使系统的高阶响应频率产生较大波动,增加了系统动态响应的复杂性。
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高速行星传动内齿圈的有限元分析

以直齿行星传动为例，对非过盈配合键连接方式的内齿圈的应力与变形进行了研究。以轮缘厚度系数来描述内齿圈的柔性，以均布的弹簧约束来反映内齿圈与机体的配合情况。利用Pro／E与ANSYS软件建立了完整内齿圈的有限元模型，根据重合度与齿间载荷分配系数对各承载轮齿施加了分布载荷，并着重分析了工作过程中轮缘厚度系数与配合松紧度对内齿圈的应力与变形的影响。     

三轴式内齿行星齿轮减速器动力学特性的研究

在考虑齿轮啮合刚度、啮合阻尼以及轴承刚度的情况下,使用集总参数法,建立了三轴式内齿行星齿轮减速器的弹性动力学模型,求解出不同内齿板结构下系统的固有频率及动力学响应。研究发现,在相同内齿板厚度、不同安装方式下,系统的固有频率非常接近;不平衡质量引起的惯性力不但会引起弯曲振动,还会引起扭转振动;具有三相内齿板的减速器动力学性能最好。     

风电行星齿轮系统变载荷激励动力学模型及其响应特性

针对风电行星齿轮系统变载变速的运行特点,通过分析系统构件为刚体和弹性体时的受力情况,应用运动合成原理,提出了变载荷激励下行星齿轮系统动力学模型的建立方法,并推导出系统的运动微分方程。在此基础上,分析了行星齿轮系统的内外部激励因素及其对系统动载荷和动载系数的影响机理。计算并分析了某MW级风电行星齿轮系统的动态响应,结果表明：系统的时变啮合刚度和时变轴承刚度主要影响响应频率的数值大小和系统的振动能量;外部变载荷使响应频率中存在明显的低频成分,并影响各阶振动间的能量分配;齿轮啮合力的动载系数主要受到外部变载荷的影响,而轴承力的动载系数同时受到系统内部激励和外部激励的影响。研究结果为风电齿轮箱的疲劳寿命分析和动态优化设计奠定了基础。     

考虑随机制造误差的风力机行星齿轮系统动力学特性

为研究综合传递误差的随机波动对风力发电机齿轮传动系统动力学特性的影响,考虑齿轮时变啮合刚度、综合传递误差等因素,建立风力发电机行星齿轮传动系统纯扭转动力学模型。以随机风速引起的齿轮系统转矩波动作为行星齿轮系统的外部激励,对某1.5 MW风力发电机行星齿轮传动系统的动力学特性进行仿真分析,得到系统各响应量时域内的统计特征和齿轮副间的动态啮合力统计特征。分析表明：行星架、行星轮和太阳轮在扭转方向上的振动特性与外部载荷相关,其振动位移与外部载荷波动有相似变化的趋势;综合传递误差随机分量的离散程度对行星齿轮系统的动态特性和齿轮副间的动态啮合力有较大影响。随着综合传递误差随机分量离散程度的增加,行星架、太阳轮和行星轮在扭转方向上的振动幅值明显增加;综合传递误差随机分量的随机性使齿轮副间动态啮合力产生随机波动,随机分量离散程度越大,动态啮合力波动越明显;当随机分量的离散程度达到某一值时,齿轮啮合过程发生脱离,引发啮合冲击。     

2K-H行星传动的修正扭转模型建立与固有特性分析

建立了2K-H均布行星传动的修正扭转模型,以揭示系统的固有频率与振动模态特性。该模型在纯扭转模型的基础上,进一步计入了行星轮轴心沿系杆切向的位移与行星轮轴的轴承支承刚度对系统动力学性能的影响。无阻尼固有特性分析表明,2K-H均布行星传动中存在三种典型的振动模式,即中心构件扭转振动模式、行星轮扭转振动模式与行星轮平移振动模式。求解相应的子特征值问题,获得了两种行星轮振动模式所对应的系统固有频率的封闭解析表达式。固有频率的参数灵敏度分析表明,行星轮轴的轴承支承刚度是影响2K-H均布行星传动的一阶固有频率的关键因素。固有频率敲击试验表明,与纯扭转模型相比,修正扭转模型更具工程应用价值,可用以指导2K-H均布行星传动的动态设计。     

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。