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。     

斜齿圆柱齿轮传动系统的耦合振动分析

建立了斜齿轮传动系统（斜齿轮、轴与轴承）的弯曲-扭转-轴向-扭摆耦合振动的动力学模型，推导了其振动微分方程，计算了风力发电机组增速箱FH660的传动系统的振动响应，并进行了三维有限元模态分析。对斜齿轮传动系统进行了很好的数值模拟，为斜齿轮传动系统的动态设计提供了有效的方法。     

行星齿轮传动系统内齿圈振动特性分析

在结构动力学特性仿真分析中,精确的有限元模态模型至关重要。作为行星齿轮传动的关键部件,内齿圈的振动特性直接影响到整个系统的安全和传递效率。利用SolidWorks软件建立内齿圈参数化模型,采用循环对称模型及全六面体网格进行有限元自由模态分析,在尽量小的计算规模下获得尽可能精确的仿真模型,并与无预紧力自由试验模态对比,结果表明低阶固有频率的最大相对误差仅为3.02%,振型基本吻合,验证了仿真模型的准确性,为后续齿圈柔性分析及工作过程中的故障诊断提供理论参考。     

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。     

齿轮传动系统的参数稳定性及振动特性分析

考虑齿轮时变啮合刚度与齿侧间隙,建立齿轮副系统动力学模型。利用Floquet理论推导了参数激励作用下齿轮系统的近似解析解,得到了系统的稳定性边界曲线。采用Newmark-β数值求解法对齿轮系统进行动力学仿真,研究了时变刚度、齿侧间隙、啮合阻尼对齿轮传动系统动力学特性的影响。研究结果表明:当参数激励的频率等于派生系统自由振动周期的2/n倍时,系统可能产生参数共振,随着参数激励频率的增加不稳定区域逐渐增大;齿侧间隙的存在则导致齿轮系统产生多值解和幅值跳跃等典型的非线性动力学特征;随着外部激励幅值和阻尼比增大及内部激励幅值的减小,齿轮系统的非线性振动特征逐渐减弱。     

弧齿锥齿轮传动系统的耦合振动分析

基于集中参数理论，建立了弧齿锥齿轮的多自由度弯曲-扭转-轴向移动-扭摆等耦合振动的三维空间动力学模型。模型中考虑了传动轴和轴承的弹性变形以及齿轮的啮合刚度激励、误差激励和啮合冲击激励。在此基础上，对弧齿锥齿轮传动系统的动态响应进行了数值仿真分析，得到系统的动态响应。     

含裂纹的齿轮耦合转子系统非线性动力学特性分析

在考虑滑动轴承的非线性轴承油膜力以及齿轮齿侧间隙影响的情况下,综合了转轴裂纹以及齿轮质量偏心等常见故障,建立了齿轮耦合转子系统的振动模型并推导了系统的无量纲运动方程.利用数值积分对方程进行了求解,并分析了齿侧间隙以及转轴横向裂纹对齿轮耦合转子系统非线性动力学特性的影响.     

刚柔耦合地铁齿轮传动系统振动响应分析

地铁齿轮箱是车辆关键传动部件,其振动情况影响列车行车安全。针对地铁齿轮箱振动响应问题,以地铁齿轮箱实体模型为研究对象,借助Cero及ADAMS的数据接口进行了数据转换,并借助ANSYS实现将齿轮箱体柔性化,基于ADAMS将柔性体替换掉原模型对应刚性体,并对其进行合理约束,建立齿轮接触模型,并采用ADAMS内置机械包模块建立轴承副,生成了地铁齿轮箱刚柔耦合动力学模型。根据齿轮箱动力学仿真结果,分析箱体在齿轮启动瞬间及加速阶段存在较大振动冲击,比较各测点的应力应变情况可知,上箱体明显较之下箱体有更显著的振动冲击响应,上箱体观察口及上箱体顶部区域由于信号的叠加作用等因素有较大的应力应变响应,可以考虑对箱体结构进行优化,考虑添加加强筋等措施加强危险节点的稳定性。为地铁车载齿轮箱设计提供参考。     

单级齿轮副弯扭耦合非线性振动特性研究

以直齿轮副为研究对象,建立了包含时变啮合刚度、综合误差、齿侧间隙和输入转矩等因素的6自由度弯扭耦合非线性振动模型。结合分岔图和庞加莱映射图,研究了齿侧间隙、输入转矩以及二者耦合作用和主、从动轮轴承支撑刚度对系统振动特性的影响。研究表明,输入转矩一定时,随着齿侧间隙不断增大,系统通过分岔和激变从单周期响应过渡到混沌;齿侧间隙一定时,随着输入转矩不断增大,系统通过倒分岔和激变从混沌过渡到单周期响应;当输入转矩较大时,齿侧间隙对系统响应影响很小;支撑刚度较大系统响应稳定,并且从动轮轴承支撑刚度对系统振动特性影响较大。     

变载荷激励下齿轮传动系统齿根裂纹故障动力学特性分析

根据齿轮裂纹会引起齿轮系统的时变啮合刚度变化这一特性,建立了含齿根裂纹故障单级齿轮传动系统的四自由度动力学模型,对裂纹故障的非线性动力学机理进行了研究。采用变步长的四阶龙格—库塔法对齿轮裂纹故障进行仿真分析,运用时频分析方法研究了裂纹信号特征,为齿轮裂纹故障诊断提供了理论支持。在此基础上,分析了齿轮裂纹在变载荷激励下的动力学特性。分析表明:在变载荷激励下,齿轮振动波形图与变载荷激励变化趋势极其相似,裂纹的存在引起波形图上出现冲击现象并且啮合频率及其倍频附近出现边频带,边频带为故障齿轮的转频;变载荷激励下,低频的边频成分明显只与外载荷激励有关,与齿轮故障无关。     

含故障的齿轮系统非线性动力学特性分析

综合考虑轻微磨损故障和裂纹故障等因素,建立含故障的直齿轮副的非线性动力学模型,并利用4～5阶变步长Runge-Kutta法对含故障的直齿轮模型的动力学方程进行数值求解;得到了单级齿轮系统在无故障、轻微磨损故障和裂纹故障状态下系统的分岔图、相图和Poincaré映射图;研究了齿轮系统在无故障和故障时的动力学行为,研究结果为齿轮系统的故障诊断、动态设计和安全运行等提供了理论参考。     

多轴齿轮耦合转子系统的振动分析

以膨胀机子系统为研究对象,考虑静态传递误差,建立了斜齿轮啮合副动力学模型,同时考虑转子系统的影响,建立了三平行轴系齿轮转子系统有限元模型;对齿轮弯-扭耦合膨胀机子系统进行了不平衡响应分析,同时考虑轴承刚度、齿轮螺旋角对齿轮动态啮合力的影响。研究表明,膨胀机子系统因为齿轮的耦合振动而明显加剧,齿轮耦合使系统振型表现为耦合振型,因此必须以耦合的方式分析系统的振动特性;轴承处刚度及螺旋角对相对应的齿轮啮合处的动态啮合力影响很大,甚至使动态啮合力峰值发生了偏移,为转子系统轴承刚度的确定以及齿轮的设计都提供了较好的理论基础。     

考虑齿距偏差的直齿轮转子系统振动特性分析

针对工程实际中的齿轮存在齿距偏差,主要研究齿距偏差对齿轮系统振动特性的影响。考虑齿距偏差,建立了齿轮啮合刚度和传递误差模型,在此基础上,建立了通用齿轮啮合动力学模型,将该模型与转子系统有限元模型进行耦合,得到了齿轮转子系统有限元模型,分析了齿距偏差对系统振动响应的影响。研究结果表明:由于齿距偏差的存在,齿轮双齿啮合区刚度降低,无载荷传递误差增大,齿轮系统振动增大,频谱图中出现啮合频率及其高次谐波的边频带成分,这些边频带主要由主动和从动齿轮的转频及其倍频组成。减小齿距偏差和增大作用扭矩均能降低齿距偏差引起的边频带幅值。研究结果可为含齿距偏差的齿轮振动分析提供理论依据。     

斜齿轮-转子-轴承弯扭轴耦合振动特性分析

为研究风电齿轮箱中高速级斜齿轮传动系统的动力学特性,在同时考虑输入/输出扭矩的时变性、齿轮偏心、综合传递误差、重力激励以及支撑轴承的非线性等因素的影响下,应用集中质量参数法建立了多自由度斜齿轮-转子-轴承弯扭轴耦合的动力学模型。在此基础上推导了风电齿轮箱高速级斜齿轮传动系统的动力学微分方程,并分析了转速、齿轮偏心、轴承游隙等参数对传动系统振动响应特性的影响。研究结果表明:由于弯扭轴耦合的作用,传动系统中扭转振动位移明显大于横向和轴向振动位移,故系统以扭转振动为主。随着转速的逐渐升高,振动位移显著增大,频率幅值发生明显的波动并且在转频附近出现了连续谱。随着偏心的增大,系统中各位置振动幅值明显增加,但对扭转方向的影响大于对横向和轴向振动的影响。轴承游隙对斜齿轮系统的动态特性影响不大,但轴承有其自身的谐振频率,在系统设计阶段需要注意避开轴承的变刚度频率对系统的影响。研究结果为风电齿轮箱传动系统的动态特性分析和故障诊断奠定了一定的基础。     

间隙-频率参数平面内单级直齿轮系统动力特性综合分析

为揭示含间隙的齿轮系统分岔、啮合冲击、脱啮和动载系数间的耦合关系,在间隙与频率参数平面内以单级齿轮系统的动力学模型为研究对象,用CPNF法求解其周期/冲击、脱啮占空比、齿背啮合比、动载系数伪彩图。研究表明:间隙和频率耦合下系统表现出复杂的综合动力特性,随频率和间隙变化系统经倍化、Hopf、激变、擦切、鞍结分岔由周期运动通向混沌;分岔和啮合冲击突变导致脱啮占空比、齿背啮合比、动载系数阶跃性增大;在系统共振频率和小间隙范围内因混沌、拟周期运动和双边冲击的影响其脱啮、齿背接触、动载系数达到极值。     

修形直齿锥形齿轮啮合特性研究

为了避免直齿锥形齿轮发生边缘接触和降低对安装误差的敏感性,对小轮进行齿向弧线修形和齿廓抛物线修形.采用假想齿条的方法,模拟齿条与被加工齿轮的啮合运动关系,推导出齿轮齿面的数学模型,根据两齿面在啮合过程中的连续切触条件,建立了齿轮接触分析模型.仿真表明,修形后的直齿锥齿轮副,对安装误差的敏感性降低,且没有发生边缘接触,改...     

多平行轴齿轮耦合转子系统的振动响应

以一个两对斜齿轮耦合的三平行轴转子系统膨胀机子系统为研究对象,建立了斜齿轮啮合副动力学模型和转子系统有限元模型,考虑了齿轮啮合刚度、方位角、啮合角、螺旋角以及主动轴转动方向的影响,推导出齿轮啮合刚度矩阵。基于模态叠加法,对弯-扭耦合转子系统膨胀机子系统进行了固有特性分析和瞬态方式的不平衡响应分析,得到齿轮啮合前、后系统加载处的不平衡响应变化曲线。研究表明,齿轮间的耦合使系统之间的振动强烈,系统可能会在某个非固有频率处不平衡响应进行积累叠加,出现最大振动的现象,同时识别出共振峰的产生机理。齿轮耦合对转子系统动力学特性产生了很大的影响,使系统振型表现为耦合振型,必须以耦合的方式分析系统的振动特性,为防止系统发生大的振动提供依据,对齿轮系统的设计和故障分析具有指导意义。     

齿轮系统耦合振动响应的预估

首先用有限元法和误差近似等效方法模拟了齿轮啮合时的三种激励；然后用有限元法建立了包含齿轮副、传动轴、轴承和箱体的齿轮系统完整的动力学模型，反映了传动系统和结构系统的耦合效应；并在工作站上用I-DEAS软件预估了在齿轮动态激励下齿轮箱的动态响应；最后对实际减速器进行了实验研究，得到了齿轮箱表面法向振动速度，并与有限元计算结果进行了比较，吻合良好。为低振动高速重载齿轮系统的设计奠定了良好的基础。