轴裂纹与齿轮故障耦合的动力学建模及仿真分析
发布时间：2021-09-08 07:57
齿轮传动形式作为常见的机械设备动力和运动传递形式,广泛应用于金属切削机床、电力系统、农业机械、运输机械、冶金机械等工业设备中起到关键作用。齿轮机构具有传动比稳定、传动效率高、使用寿命长以及结构紧凑等优点,能够在不同的工业环境下完成动力和运动传递任务。然而,齿轮传动系统长期工作在高温、灰尘、高速重载等恶劣环境下,同时其本身结构较复杂,导致齿轮箱易出现故障,这将造成巨大的经济损失。在故障未发生或早期故障时,利用状态监测方法对齿轮箱进行故障诊断并采取相应措施,保证设备的正常运行具有重要的实际意义。目前,采用广域信号的诊断方法是机械故障诊断的主要方法之一,所谓:广域信号的诊断方法就是利用安装在箱体轴承座上的振动传感器来观测箱体内部传动关键零件的运行状态。但是,基于广域振动信号诊断方法的成功率不高,尤其是早期多类故障同时发生时的情况。究其原因,其核心问题是对传动关键零件多种故障同时发生时,因故障间相互耦合影响,导致系统动态特性变化的规律未解明和掌握。要从根本上解决关键传动设备中齿轮与轴的高可靠性、高可维护性和长寿命等核心技术问题,就必须解决齿轮与轴的刚度激励及位移激励耦合机理问题、轴裂纹和齿轮故...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
轴裂纹与齿轮故障耦合关键问题Fig.1.1Thekeyproblemofcouplingofshaftcrackandgearfaults
如图1.2 所示，分析了各类齿轮动力学问题的建模方法与求解方法，并阐述了振动响应的分析方法以及齿轮系统动力学的应用方向。 图 1.2 齿轮系统动力学理论体系[7] Fig. 1.2 Theoretical system of gear system dynamics [7] 分析系统方面，起初是以一对齿轮副组成的简单系统作为研究对象，这存在一定的局限性。随着研究深入，开始将包含齿轮、轴、轴承和箱体结构的复杂系统作为研究对象来全面研究齿轮系统的动态性能，并可研究与齿轮系统相关的种种问题。齿轮系统动力学研究者往往根据研究的不同问题，对动力学模型不断地进行改进。Kasuba 和 Evans 等[9]于 1981 年提出考虑传递载荷，齿形误差等因素计算时变啮合刚度的新方法，这种方法适用于研究高重合度直齿轮副。Bahgat 等[10]于 1983 年提出在轮齿接触很小的一段周期的三个离散位置进行调和级数满足算法的新方法，这种方法可以对直齿轮副进行动态分析。Kumar 等[11]于 1985 年提出一种用状态空间法对直齿轮系进行动态分析的方法，这种方法计算较为迅速并有着
图 1.3 齿根裂纹扩展路径[34]: (a) 通过轮齿, (b) 通过轮体 Fig. 1.3 Propagation path of tooth root crack [34] : (a) tooth, (b) gear rim 国内学者也在齿根裂纹机理方面进行了研究，郭宏威等[46]于1991年利用轮齿有限元模型得到位于从“啮合点”到对侧过渡圆弧中点的一个“抛物面”为轮齿断裂的危险截面，分析轮齿断裂原因提出了新的轮齿抗断裂强度的计算公式。邵忍平等[47-48]于2004年建立含裂纹轮齿的动力学模型，模拟分析了轮齿裂纹产生后轮齿的动力响应及动力特性，研究了裂纹位置与裂纹尺寸对齿轮结构动力特性的影响。张延超等[49]于2006年分别建立了正常与故障齿轮传动系统的动力学模型，研究了轮齿裂纹对齿轮啮合刚度的影响以及对整个齿轮传动系统动力特性的影响。顾浩[50]于2007年基于有限元法与线弹性断裂力学理论研究了齿轮结构参数对齿根裂纹尖端应力强度因子以及齿根裂纹扩展趋势的影响。马锐等[51]于2011年建立了齿轮副扭振动力学模型，研究了裂纹的非线性动力学机理。林腾蛟等[52]于2012年基于线弹性断裂力学理论和边界元法建立了含齿根裂纹的圆柱齿轮三维模型，研究了裂纹前缘应力强度因子的变化、齿根裂纹的扩展轨迹以及裂纹扩展寿命。
【参考文献】：
期刊论文
[1]常开空心轴裂纹转子系统的动力学特性[J]. 路振勇,陈予恕,侯磊,李忠刚. 航空动力学报. 2015(02)
[2]基于边缘接触时变刚度的轮齿表面剥落动力学模型与响应特征[J]. 邵毅敏,王新龙,刘静,陈再刚. 振动与冲击. 2014(15)
[3]机械故障诊断基础研究“何去何从”[J]. 王国彪,何正嘉,陈雪峰,赖一楠. 机械工程学报. 2013(01)
[4]圆柱齿轮齿根三维裂纹扩展分析及寿命预测[J]. 林腾蛟,钟声,沈亮. 重庆大学学报. 2012(11)
[5]含轮齿剥落的齿轮系统动力学故障模拟[J]. 韩振南,孙文婷,高建新. 振动.测试与诊断. 2012(01)
[6]含裂纹故障齿轮系统的非线性动力学研究[J]. 马锐,陈予恕. 机械工程学报. 2011(21)
[7]开闭裂纹转轴刚度的解析研究[J]. 王宗勇,林伟,闻邦椿. 振动与冲击. 2010(09)
[8]点蚀与剥落对齿轮扭转啮合刚度影响的分析[J]. 安春雷,韩振南. 振动、测试与诊断. 2008(04)
[9]裂纹故障对齿轮传动系统动力特性的影响[J]. 张延超,邵忍平,刘宏昱. 机械设计与制造. 2006(10)
[10]齿轮典型故障诊断研究[J]. 兰芳. 四川冶金. 2006(01)
硕士论文
[1]渐开线齿轮齿根断裂力学分析[D]. 顾浩.南京航空航天大学 2007
本文编号：3390424
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
轴裂纹与齿轮故障耦合关键问题Fig.1.1Thekeyproblemofcouplingofshaftcrackandgearfaults
如图1.2 所示，分析了各类齿轮动力学问题的建模方法与求解方法，并阐述了振动响应的分析方法以及齿轮系统动力学的应用方向。 图 1.2 齿轮系统动力学理论体系[7] Fig. 1.2 Theoretical system of gear system dynamics [7] 分析系统方面，起初是以一对齿轮副组成的简单系统作为研究对象，这存在一定的局限性。随着研究深入，开始将包含齿轮、轴、轴承和箱体结构的复杂系统作为研究对象来全面研究齿轮系统的动态性能，并可研究与齿轮系统相关的种种问题。齿轮系统动力学研究者往往根据研究的不同问题，对动力学模型不断地进行改进。Kasuba 和 Evans 等[9]于 1981 年提出考虑传递载荷，齿形误差等因素计算时变啮合刚度的新方法，这种方法适用于研究高重合度直齿轮副。Bahgat 等[10]于 1983 年提出在轮齿接触很小的一段周期的三个离散位置进行调和级数满足算法的新方法，这种方法可以对直齿轮副进行动态分析。Kumar 等[11]于 1985 年提出一种用状态空间法对直齿轮系进行动态分析的方法，这种方法计算较为迅速并有着
图 1.3 齿根裂纹扩展路径[34]: (a) 通过轮齿, (b) 通过轮体 Fig. 1.3 Propagation path of tooth root crack [34] : (a) tooth, (b) gear rim 国内学者也在齿根裂纹机理方面进行了研究，郭宏威等[46]于1991年利用轮齿有限元模型得到位于从“啮合点”到对侧过渡圆弧中点的一个“抛物面”为轮齿断裂的危险截面，分析轮齿断裂原因提出了新的轮齿抗断裂强度的计算公式。邵忍平等[47-48]于2004年建立含裂纹轮齿的动力学模型，模拟分析了轮齿裂纹产生后轮齿的动力响应及动力特性，研究了裂纹位置与裂纹尺寸对齿轮结构动力特性的影响。张延超等[49]于2006年分别建立了正常与故障齿轮传动系统的动力学模型，研究了轮齿裂纹对齿轮啮合刚度的影响以及对整个齿轮传动系统动力特性的影响。顾浩[50]于2007年基于有限元法与线弹性断裂力学理论研究了齿轮结构参数对齿根裂纹尖端应力强度因子以及齿根裂纹扩展趋势的影响。马锐等[51]于2011年建立了齿轮副扭振动力学模型，研究了裂纹的非线性动力学机理。林腾蛟等[52]于2012年基于线弹性断裂力学理论和边界元法建立了含齿根裂纹的圆柱齿轮三维模型，研究了裂纹前缘应力强度因子的变化、齿根裂纹的扩展轨迹以及裂纹扩展寿命。
【参考文献】：
期刊论文
[1]常开空心轴裂纹转子系统的动力学特性[J]. 路振勇,陈予恕,侯磊,李忠刚. 航空动力学报. 2015(02)
[2]基于边缘接触时变刚度的轮齿表面剥落动力学模型与响应特征[J]. 邵毅敏,王新龙,刘静,陈再刚. 振动与冲击. 2014(15)
[3]机械故障诊断基础研究“何去何从”[J]. 王国彪,何正嘉,陈雪峰,赖一楠. 机械工程学报. 2013(01)
[4]圆柱齿轮齿根三维裂纹扩展分析及寿命预测[J]. 林腾蛟,钟声,沈亮. 重庆大学学报. 2012(11)
[5]含轮齿剥落的齿轮系统动力学故障模拟[J]. 韩振南,孙文婷,高建新. 振动.测试与诊断. 2012(01)
[6]含裂纹故障齿轮系统的非线性动力学研究[J]. 马锐,陈予恕. 机械工程学报. 2011(21)
[7]开闭裂纹转轴刚度的解析研究[J]. 王宗勇,林伟,闻邦椿. 振动与冲击. 2010(09)
[8]点蚀与剥落对齿轮扭转啮合刚度影响的分析[J]. 安春雷,韩振南. 振动、测试与诊断. 2008(04)
[9]裂纹故障对齿轮传动系统动力特性的影响[J]. 张延超,邵忍平,刘宏昱. 机械设计与制造. 2006(10)
[10]齿轮典型故障诊断研究[J]. 兰芳. 四川冶金. 2006(01)
硕士论文
[1]渐开线齿轮齿根断裂力学分析[D]. 顾浩.南京航空航天大学 2007
本文编号：3390424
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