裂纹故障对斜齿轮时变啮合刚度及振动响应的影响分析

以含裂纹故障的斜齿轮传动系统为研究对象,结合轮齿接触、弯曲、剪切、轴向压缩及基体弹性变形,提出了含裂纹故障斜齿轮副时变啮合刚度修正算法,并通过有限元法验证了算法的正确性,而后分析了不同长度、深度、角度等裂纹参数对斜齿轮啮合刚度的影响规律。在此基础上,综合考虑齿轮时变啮合刚度、静态传动误差、轴承支撑刚度及齿轮转子陀螺力等因素,基于轴系单元法建立了单级裂纹故障斜齿轮传动系统耦合动力学模型,采用Newmark-β法对系统动态特性进行分析,研究了裂纹参数对系统振动响应的影响。结果表明,随着裂纹深度及长度的增加,齿轮副啮合刚度有较大幅度的减小,系统时域响应中存在周期性冲击现象,频域响应中出现了以啮合频率为中心的调制边频带,研究结果可为含裂纹齿轮传动故障诊断提供理论依据。     

裂纹参数对航空发动机叶片频率转向特性影响研究

针对叶片运行中产生的疲劳裂纹会改变航空发动机振动特性及其频率转向、振型转换问题,建立航空发动机叶片有限元模型,基于结构模态振动理论研究裂纹参数,包括裂纹长度、裂纹位置变化对叶片固有振动及受迫振动特性影响;讨论频率转向区附近频率、振型变化规律。结果表明,裂纹长度、位置变化会逐渐改变叶片频率及振型,出现复杂的频率转向、模态耦合及振型转换特性,导致叶片同阶振动模态在不同裂纹长度、位置时具有不同的模态振型。     

裂纹对齿轮三维弹性体振动声辐射特性影响的研究

通过模拟齿根裂纹和分度圆裂纹情况下齿轮体的声场指向特性来研究裂纹对齿轮结构声场特性的影响。建立了齿根裂纹和分度圆裂纹的三维弹性体模型,利用ANSYS软件进行了动力学特性分析和模态分析,在此基础上将模态分析所得到的各种结果参数导出,根据厚圆盘的声辐射理论、并通过MATLAB编程数值模拟了齿根裂纹和分度圆裂纹故障齿轮辐射的声场特性,得到各自在r =0.5m球面上的声压指向分布特性以及轴向声压分布大小,通过对研究结果的分析比较,探讨了不同位置的裂纹和不同大小的裂纹对齿轮结构振动声特性的影响程度,给出了裂纹的影响规律。这为工程实际中采用声学方法进行故障定征和判别提供一定的理论基础。     

基于模态频率的缺口梁疲劳裂纹扩展寿命预测

从试验出发,研究了含V型缺口悬臂梁在循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展特性及其模态频率变化规律,分析了模态频率与裂纹扩展增量间的关联性。将裂纹扩展增量作为损伤参量,建立了基于模态频率下降率与损伤参量的关系。基于损伤力学,建立了裂纹损伤与循环加载次数的演化模型。结合模态频率下降率与裂纹损伤参量的关系,提出了一种基于模态频率下降率的缺口梁疲劳裂纹扩展寿命预测方法,实现了基于当前裂纹损伤和对应循环次数的疲劳裂纹扩展剩余寿命预测。结果表明,模态频率下降率对缺口梁的疲劳裂纹扩展寿命敏感,该方法预测的疲劳裂纹扩展寿命与实测的疲劳裂纹扩展寿命基本吻合。     

含非贯穿直裂纹输流管道振动与模态功率流分析

针对含非贯穿直裂纹输流管道的振动与模态功率流进行研究，将输流管道以Euler-Bernoulli梁模型建模并据此推导其弯曲振动方程，采用断裂力学方法将裂纹模拟成无质量的转动弹簧，用波动法分析含裂纹输流管道的自由振动特性。通过计算结果与相关文献对比验证了该方法的可靠性。探讨裂纹位置、深度以及管内流速对固有频率的影响。基于模态功率流的概念进行算例分析，讨论裂纹位置、深度以及振动模态对模态功率流的影响，研究表明，裂纹处的模态功率流曲线产生突变，裂纹位置与深度和模态功率流密切相关。     

不同温度下裂纹悬臂梁的模态和疲劳寿命分析

基于扭转弹簧模型和修正Paris公式,提出了一种在不同外界温度下含初始裂纹悬臂梁的疲劳寿命估算方法。在模态分析过程中,通过弹性模量引入温度模块,利用扭转弹簧等效该裂纹,将悬臂梁转化为由扭转弹簧联接的两段弹性梁;推导出不同温度下含裂纹梁固有振型的特征方程,分析温度和裂纹几何参数对裂纹梁固有频率的影响。在疲劳寿命分析过程中,利用复弹性模量引入阻尼损耗因子,基于修正Paris方程和同步分析法,考虑裂纹梁振动与疲劳裂纹扩展的相互作用,分析温度、阻尼和悬臂梁根部区域裂纹几何参数对裂纹梁疲劳寿命的影响。结果表明:随着裂纹相对位置的减小以及裂纹相对深度的增大,裂纹悬臂梁的固有频率和疲劳寿命则逐渐降低;而外界温度的升高也会导致裂纹悬臂梁固有频率和疲劳寿命的降低;同时随着阻尼损耗因子的逐渐增大,裂纹悬臂梁的疲劳寿命也会逐渐增加。     

呼吸裂纹梁非线性动力特性研究

疲劳裂纹是结构损伤的重要形式,是引起结构破坏的主要因素之一。建立了含非对称疲劳裂纹梁的非线性数值分析模型,采用奇异单元模拟裂纹尖端的效应,使用无摩擦的接触单元模拟疲劳裂纹的张开闭合特性,研究了结构在简谐荷载激励下的非线性动力特性。以悬臂梁为例分别分析了外部激励频率、裂纹深度以及裂纹位置等参数的变化对系统非线性行为的影响,重点讨论了系统的亚谐、超谐等共振现象,并且提出了系统频率的相对幅值用于辨识裂纹深度的方法。研究结果为裂纹结构的损伤识别提供了一定的理论基础和参考。     

基于神经网络的超声导波钢杆缺陷识别

利用基于BP神经网络的缺陷识别算法,从不同实验条件下获得的信号样本中抽取特征量,对钢杆中不同深度和位置的径向裂纹进行了识别。首先,采用频率为235kHz激励轴对称纵向模态导波对钢杆中的径向裂纹进行了检测。实验表明,在235kHz时获得的超声导波信号含较单一的L(0,2)模态,避免了用L(0,1)模态检测小尺寸缺陷时检测能力较弱的问题,又减少了用轴对称纵向高阶模态检测缺陷时模态较多不易分辨缺陷回波的现象。其次,利用算法对钢杆中的径向裂纹进行识别。结果表明,在已有实验样本数下,缺陷识别算法从整体上很好地识别不同深度和位置的裂纹,识别正确率稳定在87%。     

基于摄动法的多条裂纹欧拉梁特征模态分析

基于摄动理论推导了带多条开口裂纹的欧拉梁的特征模态参数的理论计算公式。采用最直接的方式将梁开口裂纹模拟成梁微段内的横截面折减并用δ函数表达了带开口裂纹的梁沿轴线的截面惯矩和线质量等物理参数。基于此,建立了裂纹梁动力微分方程,并采用一阶摄动理论推导得到了梁的模态频率和振型计算公式。简支梁及悬臂梁算例研究表明,该方法具有很好的精度,与有限元模拟结果及实验结果都能很好地吻合。并采用此方法分析了裂纹深度和位置对带多条开口裂纹梁的特征模态参数的影响。结果表明,裂纹对各阶模态频率虽然影响有限,但其引起的各阶频率变化有着明显的模式,可用于结构损伤定位;裂纹对模态振型影响不明显,但对模态曲率影响比较大,可用于结构损伤位置和程度的诊断。     

基于EMD小波阈值去噪和时频分析的齿轮故障模式识别与诊断

建立了齿轮故障系统试验装置,对齿轮传动系统在各种转速与故障状态下进行测试分析,获取了有关振动信号,对齿轮系统的无故障、齿根裂纹、分度圆裂纹、齿面磨损四种状态信号进行特征提取,并对提取的信号进行基于经验模态EMD分解的小波阈值去噪处理,然后对预处理后的信号进行时频分析与诊断。结果表明,采用基于EMD的小波阈值去噪方法比单纯采用小波阈值去噪对测试信号进行预处理,能提高信噪比,并更加有效的提取出故障特征,而在EMD的小波阈值去噪的基础上,再与时频分析方法相结合能够较好的识别不同运转状况下不同种类的故障,如齿根裂纹、分度圆裂纹、齿面磨损等,可用于对实际工程工作的齿轮系统进行故障诊断。     

行星轮系动力学仿真分析与故障诊断

目前行星齿轮箱已经在军用和民用装备中广泛应用,研究行星齿轮箱的故障诊断方法意义重大。为了研究行星齿轮传动的故障机理,揭示其故障特征,本文建立了行星齿轮系统的动力学模型,研究了齿轮裂纹对齿轮啮合刚度的影响,得出了齿轮正常、太阳轮裂纹和行星轮裂纹等三种状态下系统的频率特征,总结了故障特征频率;最后试验验证了仿真结果的有效性,得出的故障特征频率可用于行星轮系的故障诊断。     

含齿面剥落缺陷影响的共轴对转轮系振动特性分析

针对某型无人直升机共轴对转主减齿轮箱设计,采用集中参数法建立该齿轮箱中多级斜齿轮传动系统25自由度动力学模型,模型中考虑了时变啮合刚度、轴承支承刚度、传动轴扭转刚度以及啮合误差的影响。分析了输入转速和高速级齿轮齿面剥落缺陷尺度、位置对传动系统动态特性的影响规律。研究表明,上下旋翼轴齿轮副动态啮合力波动较大,上旋翼轴齿轮副动态啮合力波动幅度是下旋翼齿轮副的1.7倍;随着转速增大,各级齿轮副动态响应中的2倍输入级啮合频率的幅值提升最显著;当高速级齿轮齿面出现剥落缺陷,啮合频率附近会出现边频带,振动冲击随着缺陷尺寸的增大而增大;在不同的缺陷位置中,位于双齿啮合区与三齿啮合区交界位置,缺陷产生的振动冲击幅值最大。研究结论为无人直升机共轴对转主减齿轮箱的减振降噪,故障诊断提供了理论参考。     

变载荷齿轮箱故障信号智能检测方法

针对变载荷激励下齿轮故障信号检测和故障识别的问题,提出一种基于经验模态分解和深度信念网络的变载荷齿轮箱故障信号智能检测方法。首先通过经验模态分解方法将非平稳的加速度振动信号分解成若干平稳的本征模态函数;选出啮合频率及倍频所在的本征模态函数,重构信号,求出重构信号的频谱,作为深度信念网络的输入;深度信念网络通过对输入频谱进行预训练和特征学习,并建立变载荷激励下齿轮故障识别分类模型;最后,用构建好的深度信念网络对测试样本进行故障诊断。试验结果表明,提出的方法能有效地检测和识别变载荷激励下齿轮故障。     

基于EMD和功率谱的齿轮故障诊断研究

提出了一种基于经验模态分解EMD（Empirical Mode Decomposition）的齿轮裂纹故障诊断的新方法。EMD方法具有自适应的信号分解和降噪能力，EMD是先把时间序列信号，分解成不同特征时间尺度的固有模态函数（Intrinsic Mode Function，简称IMF），然后通过选取表征齿轮裂纹故障的IMF分量进行功率谱分析，就可提取齿轮故障振动信号的特征。齿轮故障实验信号的研究结果表明：该方法能有效地识别齿轮的齿根裂纹故障。     

国产轿车后轴强化路耐久性断裂试验研究

为研究国产某型轿车试验场强化路可靠性试验阶段出现的后轴断裂问题,采集断裂部位附近的应变载荷谱,应用Neuber法则和循环应力-应变滞回环曲线方程,将名义应变历程转换为断裂位置的局部应力-应变响应,根据Manson-Coffin模型修正平均应力对疲劳损伤的影响,在INFIELD软件中编程计算断裂裂纹处的损伤。利用电磁激振器对后轴与车身进行振动模态扫频,识别后轴振动频率与强化路激励频率及车身振动频率关系。试验结果表明,裂纹处的疲劳损伤主要集中在搓板路面,搓板路强迫振动激励频率为24.07Hz时,后轴振动模态频率与搓板路激励频率较接近而引发共振,致使后轴因高应力集中产生较大应变和疲劳损伤发生振动疲劳断裂。     

一阶摄动与遗传算法结合进行平面刚架裂纹识别

含裂纹的梁单元刚度矩阵是裂纹位置与深度函数,本文通过摄动法建立起裂纹梁单元风景工矩阵的变化与结构固有变化之间的关系,然后利用遗传算法导求测试的和计算的固的频率发迹量均方差最小值,从而识别出平面刚架的裂纹位置与深度。对悬臂梁的实测数据分析及三层平面框架的数值计算,表明该方法能有效地识别梁的裂纹位置和深度,且计算量小。     

双齿根裂纹下的齿轮啮合刚度劣化特性研究

为研究相邻双齿根裂纹故障下的直齿轮时变啮合刚度劣化特性,根据直齿轮啮合原理以及时变啮合刚度的变化特性,采用具有较高计算精度的势能法,对不同工况下的双齿根裂纹故障区间刚度以及双故障齿的双齿啮合周期刚度劣化特性进行仿真计算分析。结果表明,两故障齿的最大裂纹深度对故障区间刚度劣化率的影响占主导地位;在双故障齿的双齿啮合周期中,最先啮入的故障齿裂纹深度对该区间刚度劣化率的影响占主导地位。研究结论揭示直齿轮双齿根裂纹故障刚度劣化过程,可为齿根裂纹故障诊断与在线监测提供理论基础和指导。     

简支梁裂纹位置识别的一种简单方法

由等效线弹簧来模拟裂纹引起的软化效应,基于铁摩辛柯梁理论得到含裂纹简支梁横向振动的频率计算式,由此获得识别裂纹位置的一种近似方法。文中利用梁的二维有限元模态分析数据进行裂纹位置的识别,结果表明该法在较宽的高跨比范围内,有好的效果;裂纹的深度对识别精度影响不大。     

裂纹对空间框架固有频率影响的数值分析

利用有限元方法,对不同位置、不同深度和不同方位裂纹引起的空间框架结构固有频率改变进行了比较分析,将有限元分析得到的梁单元模态应变能力分解为拉压、扭转和弯曲模态应变能,并对结构固有频率改变量随裂纹位置变化的曲线与这些模态应变能分布曲线进行了对比分析。     

柔性壳体对变速器齿轮副动态啮合特性的影响分析

齿轮副动态啮合特性不仅受齿轮系统本身的影响,还与壳体动态性能密切相关。对变速器壳体模态进行仿真分析和实验测试,采用模态频率误差评价和模态相关分析方法,验证分析了有限元分析模型的有效性。基于多体动力学理论,构建考虑壳体弹性振动特性影响的齿轮系统耦合振动分析模型,对比分析有无柔性壳体状态的齿轮副啮合错位量、接触斑点、传动误差及动态啮合力等动态啮合特性参数。通过接触斑点实验对比分析仿真计算的接触区域,结果表明壳体弹性变形对齿轮副啮合斑点有明显影响。采取提高变速器壳体刚度的技术措施对壳体进行结构优化,优化后的齿轮副动态啮合特性显著改善。