齿根疲劳裂纹扩展对齿轮系统振动特性影响分析

发布时间：2020-11-06 11:47

　　 齿轮啮合运动下的齿根疲劳裂纹扩展、轮齿断裂是导致齿轮传动失效的主要原因之一。研究齿根疲劳裂纹扩展与齿轮啮合振动特性之间的关联性有助于借助齿轮系统振动信号的分析对齿根疲劳裂纹进行早期识别。本文基于线弹性断裂力学理论框架,利用有限元分析软件ABAQUS模拟出齿根裂纹扩展路径。以含齿根裂纹的齿轮传动系统为研究对象,在含齿根裂纹的齿轮对接触分析有限元模型的基础上建立了齿轮啮合刚度随齿根疲劳裂纹扩展的退化规律,并将此关系代入八自由度齿轮振动系统的运动微分方程动力学仿真模型中,进一步研究齿根裂纹扩展与传动系统振动之间的关联性。分析了不同长度裂纹对应的振动信号的异常特征,总结了裂纹扩展和振动信号变化之间的规律。本文部分研究内容依托于国家国际科技合作项目(计划编号2015DFA71400)开展,主要研究工作如下:首先,利用UG三维建模软件对相互啮合的标准直齿轮进行参数化建模,导入ABAQUS软件中建立齿轮对接触分析有限元模型。通过静力分析确定齿根最大弯曲应力点,将其作为裂纹起裂点。在HyperMesh软件中,将健康齿轮有限元网格模型齿根区域分割出裂纹块并预制初始裂纹。将重新划分的含裂纹网格模型导入ABAQUS进行计算得出应力强度因子,代入断裂力学最大周向正应力理论公式计算得出扩展角度,假定裂纹扩展量后,确定该扩展步的裂纹。在裂纹块进行裂纹定义和网格更新,重复上述步骤,模拟裂纹扩展轨迹。将应力强度因子和Pairs公式相结合,计算出疲劳裂纹扩展寿命。然后,通过有限元法计算健康齿轮时变啮合刚度,用经典能量法验证有限元法计算刚度的有效性,并采用有限元法计算随齿轮啮合运动的齿根裂纹扩展下齿轮的啮合刚度。本文提取了不同长度齿根裂纹有限元模型的啮合齿面节点的接触力和位移,计算出齿轮啮合形变量。结合刚度定义,在MATLAB中模拟不同长度齿根裂纹啮合刚度随转角变化关系,总结出啮合刚度随齿根裂纹扩展的退化规律。最后,建立八自由度齿轮传动系统动力学模型。将健康齿轮时变啮合刚度代入到该平移-扭转振动微分方程中,在MATLAB中进行数值求解得出由时变啮合激励产生的振动信号;同理,将含不同长度齿根裂纹的齿轮时变啮合刚度代入方程,求解得出含齿根裂纹的齿轮振动特征信号。对健康齿轮和齿根裂纹故障齿轮的径向加速度信号,进行时域和频域的对比分析。主要研究了在时域范围和频域范围内齿轮系统振动信号随齿轮裂纹扩展的变化规律。
【学位单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH132.41
【部分图文】：

1.1 课题来源与研究意义本课题来源于国家国际科技合作项目风电齿轮箱可靠性设计与健康监测技术合作研究（计划编号 2015DFA71400）。自工业革命以来，随着人类社会的飞速发展，化石燃料作为最主要能源形式其需求量也迅猛增长。截至 2017 年，包含煤、石油、天然气在内的三大化石燃料约占全球能源消费量的 85%。为了减少环境污染，实现可持续发展，在世界范围内掀起一场新能源革命的浪潮。风能是一种可再生的绿色能源且储量丰富，是目前最具商业化发展前景的能源[1]，2017 年可再生能源增量的一半以上来源于风电。据全球风能理事会(GWEC)统计，2017 年全球新增装机 5257 万千瓦，累计装机容量达到 53958 万千瓦[2]。风电场通常建设在偏僻的山区或沿海地带风口处，风电机组长期工作在离地面几十米的恶劣环境中，面临无规律的变相变负荷的风力作用以及强阵风冲击，还伴随着极端温差的作用。因此，齿轮箱时常发生故障造成巨大的经济损失[3]，并且由于其所处环境复杂，导致维修困难，维修成本极高。风力发电机和齿轮箱模型如图 1.1 所示。

技术路线

裂纹疲劳扩展寿命。本文涉及到的齿轮系统动力学理论主要包括，齿轮时变啮合刚度的求解方法和齿轮统动力学模型的介绍。关于时变啮合刚度，主要介绍了经验公式法、理论计算法和有限法；齿轮系统动力学模型的介绍中，主要是按照自由度的复杂程度来划分。2.2 断裂力学基础齿根疲劳裂纹扩展、轮齿断裂是导致齿轮传动失效的主要原因之一。引起齿轮产生纹的原因有很多，主要包括齿轮原材料的锻压过程以及齿轮的热处理、机加工、运输和面的化学腐蚀等都会使齿轮产生裂纹[37]。对齿根疲劳裂纹扩展的研究是后续齿轮啮合刚的退化规律和故障齿轮振动特性研究的基础。因此，研究齿根疲劳裂纹扩展规律和齿根纹疲劳扩展寿命具有重要意义。2.2.1 裂纹基本类型介绍含裂纹等缺陷构件根据外界载荷的不同会产生不同形式的裂纹开裂，根据作用力和纹面的位置关系可以分为张开型、滑开型和撕开型裂纹，如图 2.2 所示。
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本文编号：2873101