复合行星齿轮传动系统损伤建模与故障诊断技术研究

发布时间：2017-12-16 20:19

  本文关键词：复合行星齿轮传动系统损伤建模与故障诊断技术研究

  更多相关文章： 复合行星轮系 动力学模型 损伤建模 时变啮合刚度 啮合相位 固有特性 故障特性

【摘要】：行星齿轮式变速箱是车辆、风力发电机组、直升机、工程机械等大型复杂机械装备传动系统的关键组成部分。恶劣多变的工作环境通常导致其核心传动部件的损伤状况复杂多样。故障机理不明确是导致行星齿轮式变速箱早期故障诊断困难的主要原因之一,其中故障行星轮系的动力学分析是揭示其故障机理的关键。通过建立考虑关键部件损伤程度的故障行星轮系动力学模型,对其在损伤激励下的振动特性进行准确分析,在此基础上揭示行星轮系故障产生及演化机理,可以为行星齿轮式变速箱早期故障诊断提供有效的支撑,具有重要的理论意义及工程价值。复合行星轮系在变速箱中广泛应用,其内部结构复杂,非线性因素丰富,在损伤激励作用下,其动力学建模本身具有复杂性。并且,鉴于复合行星轮系自身的结构特点,现有的简单行星轮系故障诊断理论无法有效地指导复合行星轮系的故障诊断。因此,本课题在国家863计划—工程机械回收产品逆向物流技术集成与应用研究的资助下,以工程机械变速箱的核心传动部件—复合两级行星轮系为研究对象,开展了损伤建模及故障诊断技术的研究工作。论文的主要工作包括以下几个方面:(1)基于动力学理论,系统性的研究了复合两级行星轮系的建模方法。基于多体动力学模型,对系统的结构特性、运动学特性及啮合特性进行了分析。基于集中参数动力学理论,建立了系统平移—扭转耦合动力学模型,模型中考虑阻尼、支撑、时变啮合刚度、齿侧间隙、综合传动误差及啮合相位等非线性因素。根据各构件间相对位移分析,推导出系统运动矩阵微分方程,为复合行星轮系动力学分析奠定了基础。(2)基于复合行星轮系集中参数动力学模型,对模型中的非线性因素进行了数学描述,将损伤激励引入到模型中,建立了故障复合行星轮系动力学模型,并对复合行星轮系的固有特性进行了分析。重点对模型中的时变啮合刚度及其啮合相位关系进行了分析。首先将轮齿简化为齿根圆上的悬臂梁结构,根据能量法,建立了正常轮齿时变啮合刚度模型。然后通过对典型损伤模式的简化,建立了损伤参数与时变啮合刚度之间的量化关系,将这一量化关系与集中参数动力学模型相结合,从而建立了故障复合行星轮系动力学模型,该模型用于获取复合行星轮系的故障响应。进一步通过啮合机理分析,对各啮合副的啮合相位关系进行了推导,得到了考虑啮合相位情况下的系统时变啮合刚度。最后,通过求解系统自由振动微分方程,研究了复合行星轮系固有特性,对时变啮合刚度和啮合相位综合影响下固有频率的模态跃迁现象进行了分析。区别于将啮合刚度及其相位关系简化的模型,上述模型能更详细地反映复合行星轮系的动力学特性。(3)针对双排行星轮系的故障诊断问题,研究了典型损伤的建模方法,通过模型仿真,分析了典型损伤情况下行星轮的振动响应特性,并进行了试验验证。针对行星轮的啮合特性,首先对行星轮损伤轮齿进入啮合的时间间隔及周期进行了推导。进一步分析了典型行星轮损伤对系统时变啮合刚度的影响。通过模型仿真获取了正常及行星轮典型损伤情况下的系统振动响应,并提取了振动信号中的行星轮损伤信息。搭建了工程机械传动系统测试试验台,开展了行星轮损伤植入试验,通过分析现场测试信号,提取了行星轮的实际故障特征。试验验证表明,故障复合行星轮系动力学模型可以有效地表征行星轮损伤对系统振动特性的影响,为工程应用中双排行星轮系故障诊断提供了必要的理论依据。(4)针对多级行星轮系的故障诊断问题,研究了典型损伤的建模方法,通过模型仿真及试验验证,分析了不同级太阳轮典型损伤情况下的振动响应特性。建立了齿顶局部剥落齿轮时变啮合刚度模型,推导了齿顶局部剥落损伤情况下的时变啮合刚度算法,分析了不同级太阳轮单齿及多齿损伤对系统时变啮合刚度的影响。基于模型仿真及试验分析,获取了含太阳轮损伤信息的振动响应信号,对不同级太阳轮单齿及多齿损伤情况下的振动响应特性进行了分析及验证,为工程应用多级行星轮系故障诊断提供了理论依据。(5)针对行星轮系齿根疲劳裂纹损伤特征微弱难以表征及早期诊断困难的问题,建立了裂纹损伤模型并研究了太阳轮齿根裂纹扩展对行星轮系非线性振动特性的影响。建立了裂纹轮齿时变啮合刚度模型,推导了裂纹轮齿时变啮合刚度算法,建立了不同裂纹程度与时变啮合刚度之间的量化关系。通过系统固有特性分析,研究了裂纹扩展对固有频率的影响。通过模型数值仿真获取了含裂纹扩展信息的系统振动响应信号,综合运用时间历程、相轨迹、Poincare映射图及阶次谱方法分析了裂纹扩展对系统非线性振动响应的影响,提取了早期裂纹对应的损伤特征,为齿根疲劳裂纹的早期诊断提供了方法依据。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH132.41

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本文编号：1297330