齿轮系统裂纹故障振动特性仿真及实验研究

发布时间：2020-05-12 13:04

【摘要】：定轴齿轮箱与行星齿轮箱作为齿轮传动系统的基本组成部分,其振动和噪声直接影响设备运行的可靠性。齿轮箱运行工况复杂多变,导致其振动响应信号中的故障特征往往被淹没而难以识别,因此研究各故障工况下不同轮系振动响应信号特征,对于设备健康状态监测和故障诊断具有重要的研究意义和应用价值。(1)基于LMS Virtual.lab动力学仿真软件,建立了齿轮箱刚柔耦合模型,设置轮齿齿根裂纹故障模型,齿轮啮合副通过CAD Contact Force模拟,并依靠其轮廓识别功能,产生与齿轮裂纹相应的内部激励,通过分析箱体固定测点的振动响应信号,得到轮系齿轮裂纹故障的振动响应信号特征。(2)建立含齿轮裂纹故障的定轴齿轮箱刚柔耦合模型,当齿轮裂纹深度较小时,振动响应频率成分与正常工况无明显区别,主要频率成分为啮合频率及其倍频;当裂纹深度增大到一定程度,产生了新的故障齿轮转频及其倍频调制箱体固有频率的共振调制边带,调制边带幅值大小和宽度与裂纹深度和轮系载荷大小成正比关系。(3)分别建立含齿根裂纹的太阳轮与行星轮的单级行星齿轮箱刚柔耦合模型,当裂纹深度较小时,振动响应信号阶次谱中阶次成分与正常工况无明显区别,主要阶次成分为各阶啮合频率阶次及其附近能被行星轮通过频率阶次整除的峰值阶次、微弱的行星架转频阶次和行星轮通过频率阶次调制峰值阶次的边带成分。当裂纹深度增大到一定程度,太阳轮裂纹工况下,振动响应阶次谱的峰值阶次附近出现新的以两倍太阳轮绝对转频阶次及其谐次为主的调制边带,共振带内出现了两组调制边带(以行星轮个数倍的太阳轮相对行星架的转频阶次为间隔),并形成了特征阶次间隔(间隔为太阳轮相对行星架的转频阶次与行星轮个数倍的行星架转频阶次之差);行星轮裂纹工况下,共振带内也出现了两组调制边带(间隔为行星轮相对行星架的转频阶次),并形成了特定的特征阶次间隔(间隔为行星轮绝对转频阶次与行星架转频阶次之差)。阶次谱中因故障特征阶次之间互相调制以及故障特征阶次再次调制行星架转频阶次和行星轮通过频率阶次,还有很多其他微弱阶次成分;调制边带幅值大小和宽度与裂纹深度和轮系载荷大小成正比关系。实验验证了仿真分析的正确性。
【图文】：

模型图,齿轮箱,定轴,刚柔耦合动力学

齿轮箱结构简图如图 2.1 所示。图 2.1 单级定轴齿轮箱结构简图2.1.1 定轴齿轮箱刚柔耦合模型建立在 CATIA 中建立齿轮箱各部件模型，赋予各部件模型材料属性，参数见表 2-1。鉴输入轴输入齿轮输出齿轮输出轴轴承

输出转速,负载工况,定轴,齿轮箱

Driver 并设定转速，在从动轮的旋转副上施加 RSDA 并设定负载。进过分析计算，为避免箱体固有特征频率与振动响应频率成分耦合，导致各频率成分相互干扰，同时为了突出故障频率特征，设定输入转速为 1440r/min，设定负载为 100N·m。计算得定轴齿轮箱运行参数见表 2-2。设置信号采样频率为 100kHz、信号采样时长 5s。最后提取箱体上测点垂直方向的振动加速度信号，进行 FFT 变换后得到齿轮箱振动响应信号频谱图。表2-2 仿真定轴齿轮箱模型运行参数传动比 i 拖动转速 n/(r/min) 啮合频率 f/Hz 输入轴转频 f/Hz 输出轴转频 f/Hz23/56 1440 552 24 9.8齿轮箱正常啮合工况下，，由图 2-2(a)输出转速信号时域波形可知，轮系输出转速在590.4r/min-592.2r/min 之间波动，相比理论输出转速(591.4r/min)波动小于 1r/min，相对转速误差可以忽略不计；由图 2-2(b)输出转速幅值谱可知，主要频率成分为齿轮箱的啮合频率mf （552.5Hz）及其倍频(1104Hz、1656Hz 等)，各频率成分幅值大小逐级递减，仿真与理论结果数值误差小于 0.1%，由系统误差引起。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH132.41

【参考文献】