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。