风电齿轮箱多级行星齿轮耦合传动系统数学建模及振型

以风电增速箱载荷分流式两级行星轮系一级平行轴齿轮动力耦合传动系统为研究对象,计入多级藕合传动系统的轮齿啮合误差、啮合阻尼、啮合刚度、级间耦合刚度、组件的转动惯量等影响因素,采用集中参数法建立了多级耦合传动系统的动力学模型.根据风电增速箱三级传动系统的有关参数,进行了系统的固有特性研究,归纳总结了多级传动系统的振动模式.分析表明该系统具有8种典型振动模式,即一二级间耦合振动模式、二三级间耦合振动模式、三级间整体耦合振动模式、第一级行星齿轮重根振动模式、第二级行星齿轮重根振动模式、第一级行星轮系单级振动模式、第二级行星轮系单级振动模式和第三级平行轴齿轮单级振动模式,并且进一步研究了第一级行星架和第二级内齿圈间的耦合刚度对系统固有特性的影响.与单级行星轮系的振动模式相比,多级行星传动系统的振动模式更多样和更复杂.     

单齿裂纹行星轮系合成刚度的劣化特性

行星轮系由于结构复杂,其齿面损伤对系统动态特性的影响不易评估,因而为行星轮系的故障诊断带来很大障碍.以某NGW21型行星齿轮减速器为研究对象,在内齿圈固定的前提下,研究了健康轮系的刚度合成方法以及齿面损伤条件下的刚度劣化行为.采用能量法获得了行星轮与太阳轮和内齿圈单独啮合时的刚度分布曲线,进而基于轮系内部的运动关系和各行星轮之间的相位关系,建立了多点同时啮合工况下的轮系刚度合成方法.针对太阳轮、内齿圈分别存在不同深度裂纹的情况,探讨了裂纹齿轮与行星轮单独啮合时的刚度分布,并最终对同一行星轮参与的内、外啮合刚度进行了合成.结果表明:太阳轮裂纹引起的整体刚度劣化更为明显,将更显著地影响行星轮系的响应特性.     

同轴对转行星齿轮传动系统的固有特性

以同轴对转行星齿轮传动系统为研究对象,为揭示其固有特性,基于齿轮系统动力学和Lagrange方程建立了同轴对转系统的平移-耦合动力学模型。根据同轴对转系统的相关参数进行特征值问题的求解,得到系统的固有频率与振型矢量。分析结果表明系统存在3种不同的振动模式:定轴轮系振动模式、差动轮系振动模式和耦合振动模式。同时讨论了随着差动轮系行星轮个数的增加,系统固有频率的重根数与差动轮系行星轮个数的关系。最后分析了耦合刚度对系统振动特性的影响。     

两级人字齿行星传动系统的模态跃迁现象

根据两级人字齿行星传动系统特有的振动模态特性,分析了系统的模态跃迁现象.通过对表征局部曲率的耦合因子的分析,提出了分属不同振动模式下的固有频率模态跃迁准则,并通过具体的实例验证了准则的正确性,为系统的优化设计提供了理论依据.     

基于动力学特性优化的海上风电齿轮箱配齿研究

传统的风电机组齿轮箱配齿仅取决于行星级的同心、安装、邻接条件，而忽略了其对齿轮箱重量及动力学特性的影响。以某增速比为97的5 MW海上风电机组两级行星一级平行齿轮箱为研究对象，得到其减重优化后的各级增速比解耦区间；建立基于零阶优化算法的齿轮箱配齿方案及相应的齿轮箱Simpack虚拟样机；在额定转速工况下对齿轮箱均载特性、振动特性进行定量统计分析。仿真结果表明：当第一级太阳轮、行星轮、内齿圈齿数分别为29、28、85,第二级太阳轮、行星轮、内齿圈齿数分别为26、46、118,第三级大、小齿轮齿数分别为111、25时，齿轮箱行星级均载特性良好，高速输出轴传动平稳，为大型海上风电机组齿轮箱配齿设计提供理论支撑。     

基于热分析的二齿差摆杆活齿传动中心轮模态研究

为了研究温度对二齿差摆杆活齿传动结构模态的影响,首先对二齿差摆杆活齿传动中心轮进行了温度场和热应力分析,然后在二齿差摆杆活齿传动热-结构耦合分析的基础上对中心轮进行了模态分析,将不同工作状态下的模态分析结果进行比较,分析温度场对摆杆活齿传动中心轮模态的影响。结果表明：由温度变化所引起的材料力学性能变化对各阶固有频率影响的程度不同,由热应力引起的固有频率变化小于由材料力学性能变化引起的固有频率变化。分析结果符合实际工况,为二齿差摆杆活齿传动的振动可靠性设计及动态特性研究提供了理论依据。     

柔性齿圈行星轮系耦合模型创建及振动特性研究

针对柔性齿圈结构振动特性分析缺失以及现有传动系统特性分析方法不足，本文结合模态叠加法、承载接触分析技术与集中质量法，构建了考虑轮齿间接触特性、结构振动与系统振动的行星轮系模型。分析了柔性齿圈行星传动系统的结构振动特性及柔性齿圈对系统动态性能的影响，并避免了集中质量模型无法计入构件结构振动，全有限元模型计算量过大、收敛困难，现有刚柔耦合模型的刚性接触、齿轮参数标准化以及难以引入构件误差等问题。本文为柔性齿圈的设计以及传动系统动态特性的深入探究提供了模型基础和理论指导。     

基于参数化有限元模型的斜齿行星传动内啮合特性分析

为揭示斜齿行星传动内啮合齿轮副的啮合特性,采用参数化建模方法和自底向上的建模策略,相继构建斜齿行星轮系的完整啮合和简化啮合三维有限元模型。通过设置内啮合接触对并施加恰当约束条件,分析传动中内啮合齿轮副的应力/应变,进而分析内齿圈轮缘厚度对啮合特性的影响。结果表明,各均布行星轮的应力状况不尽相同,且呈现出边缘接触现象,可通过修形予以改善;增大内齿圈轮缘厚度可降低内齿圈及各行星轮的最大应力/应变,提高齿轮强度。     

基于响应面法的机床螺栓结合部刚度辨识与动力学建模

为了研究结合部刚度参数间的耦合关系对机床结合部动态性能的影响,基于响应面函数的选型建立了广义模态固有频率与结合部动刚度耦合和非耦合的函数模型。响应面函数辨识法以结合部模态固有频率这一关键动力学性能为指标,研究了结合部动态特性与结合部刚度参数的数学关系。基于结合部单、双对节点有限元建模方式,结合中心复合实验设计方案和响应面方法理论,分别对两种建模方式建立响应面函数辨识模型。以响应函数模型的响应值与实验测得值的最小二乘法为优化目标,结合非线性规划与遗传算法实现结合部刚度参数的辨识。其中通过响应面函数二次多项式的选型显现多对节点间的刚度耦合关系,揭示了参数间的耦合关系对结合部动力学的影响。为验证此理论和方法的可靠性,以一螺栓结合部为研究对象,制定有限元动力学仿真分析的实验设计方案和采集了刚度组合点,并计算每一组采样点的前11阶模态固有频率。以有限元分析的数据为基础,建立反映螺栓结合部刚度间耦合关系的2次多项式响应面函数,并通过计算响应面模型质量评价指标验证了该模型的有效性。对比分析多刚度耦合、不耦合和单刚度的有限元模型预测精度,结果显示,多刚度耦合的有限元模型在固有频率、振型方面均具有较好预测效果,前11阶模态固有频率平均误差仅为1.6%,论证了考虑刚度间耦合关系的必要性和方法的可行性。     

考虑齿轮位移协调的2级星形传动多分流均载研究

研究了航空发动机二级星形传动系统大小星轮载荷分配机理,针对所有齿轮的偏心误差、齿厚误差、基节误差、安装误差,轴承制造误差等分别进行了当量角度啮合误差分析,考虑了太阳轮和内齿圈同时浮动导致的啮合侧隙变化而引起的浮动啮合误差,得到了两级啮合线上的综合角度啮合误差,建立了针对二级4路功率分流特征的各齿轮转角位移协调的精细化均载系数计算模型,获得了多分流多级系统的均载系数和均载特性曲线,得到了太阳轮和内齿圈的浮动规律,为航空制造上确定均载系数、工艺上合理分配及控制公差提供科学依据。     

2K—H双级串联式行星轮系的优化设计

文章按各级径向尺寸协调和外啮合接触强度相等的原则对双级2K-H型行星轮系的总传动比进行优化分配，从而将双级行星轮系的优化设计转变成单级行星轮系的优化设计；以太阳轮、行星轮和内齿圈体积之和最小作为优化目标建立了优化数学模型，应用复合形法求解数学模型择取最优参数方案。通过实例计算，取得了满意的结果。     

46型内曲线行星齿轮泵流量特性研究

为了揭示46型内曲线行星齿轮泵的流量特性,利用三维软件结合内曲线行星齿轮泵节曲线方程,建立了46型内曲线行星齿轮泵的结构模型,重点介绍了中心轮和内曲线齿圈的实体模型的建立以及轮齿的加载过程,分析了单个容腔的最大截面积和最小截面积,通过CAD软件的面积计算功能,对46型内曲线行星齿轮泵进行了瞬时排量的计算,绘制了单个容腔从最大截面积到最小截面积的变化曲线以及所有排油腔的面积积的变化曲线。研究结果表明,内曲线行星齿轮泵单个容腔截面积的变化曲线近似于内曲线齿圈的节曲线,其瞬时排量的脉动率小于普通外啮合齿轮泵的脉动率。     

基于ADAMS的双齿圈人字行星齿轮传动系统动力学仿真与故障特征分析

为研究双齿圈人字行星齿轮传动系统的动力学特性和故障机理,探明系统故障、元件支撑刚度与接触力的关联规律,使用SolidWorks建立双齿圈人字行星齿轮系统三维模型。基于ADAMS虚拟样机和赫兹接触理论,考虑摩擦系数,构建系统虚拟样机模型,研究人字行星齿轮传动系统运动学规律、健康或故障两种状态下的接触力频谱特性和考虑构件支撑刚度时的接触力变化规律。在接触力分析的基础上计算系统均载系数,分析系统的均载特性。结果表明:系统在运行过程中,行星轮存在较高的齿频振动,当发生断齿故障时,系统故障特征明显,均载系数呈倍数增大;构件支撑刚度对系统接触力和均载特性均有较大影响,考虑构件支撑刚度时系统的载荷分布更为均匀,很大程度上提高了系统的均载性能。研究结果对于故障诊断、改善系统动力学特性和实现系统的动态设计具有参考价值。     

考虑多体承载啮合斜齿行星齿轮动载特性分析

斜齿行星传动在高速重载场合中应用越来越广泛,其动载特性研究对减振降噪具有重要意义。正确地描述行星齿轮系统的啮合刚度和啮合误差是进行动力学分析的前提,为此,紧密结合齿轮几何分析与力学分析,提出行星齿轮承载接触分析技术,获得各齿轮副的耦合时变啮合刚度,并计算其啮合冲击力,为行星齿轮动力学深入分析奠定基础;其次,应用集中参数法建立考虑齿轮副安装误差、刚度激励及啮合冲击激励的斜齿行星传动啮合型弯-扭-轴动力学模型,采用数值法求解系统的动载特性。表明：考虑啮合冲击激励时,随转速的增加动载荷增加更为明显;共振转速附近,啮合冲击对动态啮合力的影响较小;安装误差特别是中心距误差是引起各齿轮副啮合刚度不同的主要原因,其进一步导致了系统的共振转速变多;行星轮浮动可以明显降低共振转速处的动载荷,由于各外（内）齿轮副刚度的不同,随转速的增加行星轮浮动使得部分齿轮副的动态啮合力明显降低。     

带倾斜薄板的梯形声场建模及其振声特性分析

针对带倾斜薄板的梯形声场声学建模问题,提出了一种基于Chebyshev-变分原理的非规则声场-结构耦合系统建模方法,建立了弹性边界约束下倾斜薄板-梯形封闭声场耦合模型。将结构位移和声场声压分别表示成多重Chebyshev级数形式,按照利兹方法分别求解结构和声场的拉格朗日泛函,得到耦合系统的特征方程并求得系统的固有频率和模态。与有限元结果的对比验证了本文方法的正确性,并就结构边界条件及声场倾斜角度对耦合系统固有频率的影响进行了分析。分析结果表明:倾斜角的存在增强了声场模态的不规则程度,倾角的增大使得耦合系统板控频率依次递减,而腔控频率的变化趋于复杂;薄板倾斜边界约束的释放使得耦合系统各阶固有频率显著减小。     

基于响应面的柔轮应力和刚度分析

针对柔轮的小体积、高刚度、高寿命的设计要求,在理论上建立弹性齿圈受力模型,探究设计时结构间的尺寸搭配与补偿方法. 基于响应面法和中心复合设计（CCD）采样方法,在ANSYS Workbench中进行参数化建模和有限元分析,得出应力和刚度对结构参数的响应曲面（线）,分析各结构参数对应力和刚度的影响规律. 分析结果表明,在柔轮的小体积设计中,可以减小径向变形量以抵消半径减小时增加的应力,减小壁厚以抵消筒长减小时内壁产生的应力. 柔轮的小体积设计会使承载能力减弱,加剧齿圈后端的应力集中和疲劳破坏. 应在保证啮合状态和承载能力的情况下,增大厚径比,减小径向变形量,以减轻齿圈后端的应力集中现象. 通过响应面法得出关于柔轮应力和刚度的回归曲线,可以用于设计时获取最优值.     

人字齿行星传动多体动力学建模与分析

根据人字齿行星传动的结构特点,借助ADAMS建立该类传动的多体动力学模型,对其进行自由振动特性分析。结果表明,当人字齿轮左右两部分结构完全对称时,人字齿行星传动存在中心构件扭转振动、中心构件平移振动和行星轮振动3种典型模式,且3种振动模式的特点与直齿行星传动基本一致。在不考虑传动件结构柔性的情况下,基于多体动力学模型的自由振动分析结果与采用集中参数模型的仿真结果完全一致,表明本文所建模型的正确性,可为后续的参数敏感度分析及动响应分析提供模型依据。     

TBM刀盘系统动态特性及参数影响

隧道掘进机刀盘在掘进过程中承受高强度冲击载荷,振动十分剧烈,导致关键构件过早损伤失效,有必要在设计阶段研究刀盘系统的振动特性及其参数影响。为此,在已有TBM刀盘系统多自由度耦合动力学模型的基础上,通过求解各阶固有频率和振型,得到各构件的模态能量分布,进一步区分各阶模态振型,识别模态敏感参数,并分析了敏感参数对前10阶频率的影响。研究结果表明,刀盘系统模态振动主要集中在中间阶,且纯扭转振型对应的固有频率为57 Hz;模态能量能够区分各阶振型,且和常规的振型分析结论一致;第2~10阶固有频率主要受小齿轮转动惯量和输入端扭转刚度的影响,且这两个值分别取原始方案的1.1倍和1.3倍时,系统振动特性较稳定。     

大功率核电循环泵行星齿轮箱结构强度及耦合模态分析

建立了大功率核电循环泵行星齿轮箱静力学有限元分析模型,对箱体系统进行静力学分析,得出了箱体组件的应力。通过轴承支撑把传动子系统和结构子系统耦合起来,建立齿轮-转子-轴承-箱体耦合系统动力学模型。利用Lanszos方法进行模态分析,得到箱体系统的固有频率和振型。通过分析传动级齿轮啮合频率,得出传动级齿轮在工作过程中造成了较大的振动,但不会产生共振现象的结论,为大功率核电循环泵行星齿轮箱动态性能的提高和优化奠定基础。     

柔性梁刚度对无轴承旋翼桨叶动态特性的影响

推导了桨叶的应变-位移关系,应用Hamiton原理建立了多路传力的无轴承旋翼桨叶运动的有限元方程,考虑了桨叶、柔性梁、扭矩套的位移协调条件和非线性变形耦合及摆振销的影响,并构造了一个新的15自由度梁单元,得到了旋翼桨叶固有频率求解的方程,重点研究了柔性梁刚度特性对旋翼桨叶固有频率的影响。数值结果表明:柔性梁剖面的模态刚度发生变化时,模态频率变化较小,高阶模态频率变化比低阶大,其它模态频率变化很小,耦合现象不明显。