基于有限元模型的裂纹故障齿轮系统动力学响应分析

为更好地揭示齿根裂纹故障对齿轮系统动力学特性的影响,开展了“故障机制分析—齿轮系统建模—裂纹故障试验”的全过程研究。首先,考虑更为真实的齿根过渡曲线和有效齿厚削减限制线,建立了更严格的裂纹轮齿模型,对传统势能法求解啮合刚度进行改进,研究了6种不同深度裂纹的刚度变化;其次,针对传统集中参数模型的不足之处,基于Timoshenko梁单元理论建立了齿轮-转子系统有限元动力学模型;最后,采用Newmark-β法求解正常/不同深度裂纹故障的齿轮系统的动力学响应,考虑转速的影响,并与实验结果进行了对比分析。结果表明,齿根存在裂纹时,加速度响应存在周期性冲击特征,频域中的边频带现象出现在啮合频率及其谐波附近;冲击成分在时域和频域中的强度与裂纹深度、转速均成正相关关系。仿真结果和实测信号表现出一致特征,验证了该方法的正确性。     

含耦合损伤的直齿轮传动系统振动特性分析

裂纹-磨损耦合损伤作为常见的齿轮失效形式,会显著改变齿轮传动系统的振动特性。为探明这一耦合损伤对传动系统振动特性的影响,建立计入裂纹与磨损效应的直齿轮传动系统动力学模型,并对其进行振动分析。首先,采用集中参数法建立直齿轮传动系统的非线性动力学模型,基于势能法分析齿根裂纹对齿轮副啮合刚度的影响;通过磨损仿真计算了齿轮副的综合磨损量,并将其引入到传动系统的位移激励。最后,采用龙格-库塔法求解传动系统的稳态动力学响应,分析裂纹-磨损耦合损伤模式下直齿轮系统的振动特性。结果表明,裂纹-磨损耦合损伤会诱发系统振动的幅值调制和频率调制,产生比单一损伤更为明显的啮合冲击。     

RV减速器传动系统动力学特性分析

为深入研究工业机器人用RV减速器动力学特性,采用集中参数法,综合考虑啮合阻尼、时变啮合刚度以及综合啮合误差,建立了RV传动耦合扭转动力学模型,通过数值解法对建立的动力学方程进行求解,得到其振动位移、振动角速度响应及各齿轮副动态啮合力。基于UG与ADAMS建立RV减速器动力学模型,进行仿真分析实验,验证动力学模型的正确性。通过改变啮合刚度分析了啮合力的变化,随着啮合刚度的增加,在一定范围内,传动过程中的啮合力更加稳定,为RV减速器的故障诊断和优化设计奠定基础。     

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。     

含齿根裂纹故障的平行轴齿轮箱动力学特性研究

针对平行轴齿轮箱中齿轮裂纹故障问题,从动力学角度出发,对齿轮啮合刚度、扭振模型、刚柔耦合模型、齿轮啮合力、箱体输入轴节点角加速度及对应频谱等方面进行了研究。对带有齿根裂纹的齿轮箱的扭振与动力学进行了联合仿真,提出了一种基于Bartelmus的扭转振动模型,以及刚柔耦合动力学的分析方法;利用ADAMS、ANSYS建立了以箱体和带齿根裂纹的齿轮为主要研究对象的齿轮箱刚柔耦合模型;通过仿真得到了健康和齿根裂纹故障的轮齿啮合力和角加速度响应曲线,提取了箱体输入轴端节点1 s内垂直方向的加速度信号,将其导入传动系统动力学方程中,计算得到了目标齿轮的垂直方向加速度频谱,并通过实验进行了验证。研究结果表明:该方法能很好地模拟现实齿根裂纹存在齿轮箱体输入轴端的加速度时域频域响应,对齿轮齿根裂纹故障的动力学响应准确、可靠性高。     

考虑时变侧隙与时变轴承刚度的含质量偏心齿轮系统动力学分析

为了探究齿侧间隙与轴承刚度的时变特性对含质量偏心齿轮系统动态特性的影响,结合其耦合后的动力学模型,并利用龙格库塔(Runge-Kuta)算法,求解了时变侧隙和时变轴承刚度;根据不同偏心距,对齿轮系统进行了动态响应分析。首先,根据几何关系建立了因轴承变形引起的时变齿侧间隙模型,利用赫兹接触理论推导了滚动轴承时变轴承刚度公式;然后,基于时变齿隙与时变轴承刚度,建立了含齿面摩擦与质量偏心的六自由度直齿轮系统动力学模型;最后,分析了在不同偏心距下齿隙与轴承刚度的时变特性对齿轮系统动态响应的影响。研究结果表明：考虑齿隙和轴承刚度的时变特性后,动态传递误差幅值相比恒定齿隙和轴承刚度所对应幅值分别提高了16.46%、2.02%;偏心距从0 mm增加到0.5 mm及1 mm时,其对应系统的最大边频幅值从0μm增加到0.19μm和0.33μm;质量偏心会影响系统动态响应,且随偏心距的增大,其由稳定的周期运动变为有波动性的周期运动,波动幅度与偏心距成正相关;同时,质量偏心会导致系统出现边频,边频幅值随偏心距的增大而增大;因此,应将偏心距控制在合理范围内,以防其过大而引起齿轮系统发生不稳定现象。     

多级行星齿轮系统耦合动力学分析与试验研究

基于齿轮啮合理论和Lagrange方程,考虑各级齿圈扭转支撑刚度,提出运用集中参数法建立多级行星齿轮—箱体耦合扭转动力学模型。在分析多级行星齿轮啮合相位关系的基础上,确定各齿轮对时变啮合刚度,并运用有限元法获取各齿圈扭转支撑刚度。行星齿轮传动误差表示为轴频和齿频叠加的谐波函数,分析多级行星齿轮传动的主要激励特征。针对盾构机三级行星减速器某施工地段的运行条件,求解行星齿轮系统的动态响应,并分析其时频特性。采用背靠背能量回馈试验台架测试方案,测量盾构机行星减速器的振动加速度,采用数值积分计算振动速度和位移,并分析其振动特性。研究表明盾构机行星减速器振动试验数据与计算结果具有良好的一致性,验证多级行星齿轮系统耦合动力学模型的准确性。     

齿轮耦合的转子-轴承系统非线性动力特性的研究

在考虑齿轮时变啮合刚度、齿侧间隙、脱齿、挤齿及齿背接触 等因素的情况下,建立了齿轮耦合的转子—滑动轴承系统的多自由度动力学模型。用数值方 法研究了该系统的质量不平衡响应,结果发现,由于齿轮时变啮合刚度的影响,随着转速的 增加,系统动力学响应首先由周期运动向准周期运动变化,当转速超过某一值时,系统的响应将由准周期运动发展为混沌运动;由于混沌运动,转子将沿齿轮中心线方向产生很大的变 形,脱齿、齿背接触及挤齿现象也将发生,可能导致系统产生破坏。     

基于齿轮副整体误差的齿轮动力学模型及其动态特性

迄今提出的各种齿轮动力学模型,在处理齿轮误差的影响时,都回避因齿轮重合度大于1而分不清单双啮区的事实,由此得出的结果不能较全面反映实际情况.基于齿轮副整体误差概念,综合考虑齿轮啮合过程的时变啮合刚度、误差激励等非线性因素,建立一种新的考虑单、双啮过程的直齿轮动力学模型,能更精确地描述齿轮系统的动力学行为,解决现有模型存在的主要问题;应用变步长四阶Rounge-Kutta法获得新动力学模型的高精度数值解;定量研究不同工作条件下啮合刚度、加工误差对振动响应的影响,研究结果对于完整认识复杂的齿轮动态性能、进行动态优化设计具有重要的理论和实用价值.     

齿轮传动系统非线性动力学特性分析

文中以航空发动机附件的直齿圆柱齿轮传动系统为研究对象,利用集中质量法建立了系统的耦舍振动模型,在模型中考虑了时变啮合刚度、静态传递误差和齿侧间隙等非线性因素.利用Runge-Kutta数值计算方法对系统的非线性动力学方程进行求解,得到了系统的动态仿真结果,结果显示系统具有很强的非线性,并结合时间历程、相平面和Doincaré截面图对响应进行了分析比较.讨论了内部激励频率对系统动态特性的影响,分析了系统随着内部激励频率的变化表现出的不同运动状态.     

裂纹故障对齿轮传动系统动力特性的影响

建立了正常与故障齿轮传动系统的动力学模型,并对其进行了动力学分析,研究了齿轮出现裂纹故障后齿轮啮合刚度的变化以及对整个齿轮传动系统动力特性的影响,通过对正常系统和故障系统动力特性的对比分析以及对正常和故障齿轮系统进行试验,表明理论分析的准确性和可靠性,这对齿轮机械系统的设计和对故障齿轮系统进行诊断有重要的价值,并对齿轮系统进行实时监测有着重要意义。     

转矩分流式齿轮传动系统的非线性动力学特性

为研究转矩分流式齿轮传动系统的非线性动力学特性,建立系统的非线性动力学模型,考虑了齿侧间隙、时变刚度、综合传动误差、阻尼和外激励等参数。使用PNF(Poincaré-Newton-Floquet)方法对系统的动力学微分方程进行求解发现,在不同的参数条件下系统会出现4种动态响应：简谐响应、次谐波响应、拟周期响应及混沌响应。4种状态下的时间历程、相图、Poincaré映射图、快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)频谱图表明该系统有很强的非线性特性,应使用非线性理论进行更深入的研究。     

基于牛顿-拉普森及Hertz理论的轴承性能分析

根据深沟球轴承的工作特点和负载条件,建立简化力学模型并定义载荷条件和边界条件,通过对模型的计算分析,找出深沟球轴承的最大应力位置和应力分布规律图。然后在由ANSYS转化成节点及元素组成的有限元模型中,运用完全牛顿-拉普森方法进行接触应力的静力学求解,最后根据Hertz椭圆形点接触理论,用微积分的方法求出轴承的刚度变形和应力与位移的关系。这种利用有限元分析软件与基础理论联合求解刚度的方法更精确、更有效、更实用可靠,为滚动轴承的选择和维护使用提供了更多依据,计算方法也便于工程应用。     

随机风载下含裂纹故障风机增速箱动力学研究

裂纹故障会导致齿轮时变啮合刚度发生变化,进而引起系统振动响应改变.以风机增速箱为研究对象,考虑基圆和齿根圆不重合,采用改进能量法分别计算了各级齿轮副的时变啮合刚度,并计算、分析了太阳轮裂纹故障对啮合刚度的影响.风机增速箱运行于自然风载荷环境中,受时变转速和转矩激励,综合考虑齿侧间隙、时变啮合刚度、啮合误差等因素,利用集...     

面齿轮传动系统点蚀故障动态响应分析

为揭示面齿轮传动系统在齿面点蚀条件下的动态特性,提出了基于面齿轮理论齿面的点蚀齿面表达方法,建立点蚀面齿轮有限元模型,采用有限元法计算面齿轮副啮合刚度,研究了点蚀面积对啮合刚度的影响规律。建立面齿轮传动系统动力学模型,从时域、频域及时频域角度分析了不同点蚀面积下传动系统的动态响应。结果表明：齿轮副啮合刚度随点蚀面积增大而减小,当多个轮齿出现点蚀,啮合刚度降低速率增大;圆柱齿轮加速度响应有明显的周期性冲击现象,故障振动信号的频谱中出现了以啮合频率为中心的调制边频带,通过时频谱推导出含点蚀轮齿的位置范围,信号的脉冲因子及裕度因子的增长速率较大,对点蚀故障敏感;研究结果为含早期微小点蚀面齿轮传动系统的故障诊断提供理论依据。     

齿面磨损及轴承间隙对齿轮动力学的影响研究

齿面磨损及轴承间隙是影响齿轮系统动力学的重要因素,为揭示齿面磨损及轴承间隙对齿轮系统动力学的影响,建立了6自由度弯扭耦合模型,该模型考虑了齿面磨损、轴承间隙、摩擦及齿侧间隙等因素。通过Runge-Kutta法对动力学微分方程进行求解并得到系统的动态响应。研究结果表明,当齿轮由未磨损状态转变为轻微磨损状态时,齿轮系统动态传递误差振幅减小,振动减小;随着齿面的不断磨损,到达严重磨损时,动态传递误差振幅增大,振动加强;齿轮动态传递误差的振幅随着轴承间隙的增大逐渐增大,同时系统发生谐振现象,影响系统的稳定性。     

齿轮耦合的转子-轴承系统的非线性模型

在考虑滑动轴承非线性油膜力、齿轮时变啮合刚度、齿面间的摩擦力以及齿侧间隙的情况下 ,推导出了齿轮耦合的转子 -轴承系统的非线性动力学模型 ,该模型是一个包含强非线性项的非自治系统 ,蕴含着丰富的动力学内容。     

行星齿轮传动系统刚柔耦合建模及故障特性仿真研究

针对某型坦克行星变速箱的K3行星排,为了研究故障齿轮对行星传动系统的动态特性影响,运用SolidWorks、Adams及ANSYS软件,建立其刚柔耦合动力学模型并进行联合仿真分析,验证了刚柔耦合模型相对于纯刚体模型在时域、频域上的振动响应;通过分析危险节点应力变化曲线,得到应力极大值时刻等效应力分布云图;阐明了轮齿剥落...     

齿根裂纹对齿轮轮体及齿间耦合刚度的影响研究

齿根疲劳裂纹是齿轮传动系统服役过程中最常见的失效形式之一,威胁着齿轮传动系统甚至装备的运行安全,开展齿轮传动系统齿部故障诊断具有重要意义,而其核心是齿根裂纹故障的动态作用机制及振动特征。然而,传统啮合刚度计算模型尚未考虑齿根裂纹对齿间耦合作用的影响。针对该问题,分析了齿轮轮体结构变形引起的齿间耦合作用机制,建立了轮体刚度计算的有限元模型,研究了作用力、轮毂孔半径及齿根裂纹深度等参数对轮体刚度,特别是齿间耦合刚度的影响规律。结果表明,齿根裂纹对轮体变形引起的轮体刚度与齿间耦合刚度具有显著的影响,在齿根裂纹时变啮合刚度激励计算中应予以考虑,从而提高齿根裂纹刚度激励计算模型的准确性。     

机器人关节裂纹传动系统机电耦合动态特性研究

服务机器人关节采用驱控一体化集成设计,并且传动系统采用小模数变位齿轮。关节频繁运动容易导致齿轮传动系统产生裂纹,裂纹引起刚度变化从而影响整个系统的动态特性。根据变位齿廓建立变位齿轮裂纹刚度计算模型,分别研究变位系数、多种裂纹形式对时变啮合刚度的影响;其次利用集中参数法构建了机器人关节机电耦合平移—扭转动力学模型,并将驱动电机的电磁特性、齿侧间隙等因素考虑入方程中;最后通过统计学分析裂纹对传动系统的影响。研究结果表明：正变位使刚度增大,负变位反之;双侧裂纹对刚度的影响明显大于单侧;随着裂纹加深,时变啮合刚度加速降低;随着传动系统级数的增加,裂纹对传动系统的影响逐渐减弱。研究结果为变位齿轮传动系统裂纹故障诊断提供理论基础。