裂紋齒輪-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動特性分析.pdf

1、齒輪副是機械設(shè)備中最為常用的動力和運動傳遞裝置，其力學行為和工作性能直接影響著機械系統(tǒng)的整體性能和可靠性。由于齒輪的受力情況相當復雜，即使精細設(shè)計的齒輪箱也難免出現(xiàn)故障，這種不期望的故障可能導致嚴重的經(jīng)濟損失甚至危及生命，因而對齒輪的早期故障特征進行分析并盡早識別齒輪早期故障具有重要的工程意義。本文以一個試驗臺齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對象，建立齒輪副嚙合模型及齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模型，探討齒根裂紋故障對齒輪嚙合剛度和系統(tǒng)振動響應(yīng)的影響，并通過試

2、驗對理論結(jié)果進行分析和對比。論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)對嚙合剛度的三種求解方法，即變形法、能量法和有限元法進行詳細的介紹，在傳統(tǒng)能量法求嚙合剛度的基礎(chǔ)上提出改進能量法。通過變形法、改進能量法和有限元三種嚙合剛度求解方法的對比表明，有限元法可以考慮更多的實際因素，計算結(jié)果較為準確，但計算效率較低。傳統(tǒng)的能量法將輪齒視為基圓上的懸臂梁，在輪齒較多或較少時會產(chǎn)生很大的誤差，而改進能量法考慮了真實的齒根過渡曲線，將輪齒視為齒根圓

3、上的懸臂梁，更加符合輪齒的形狀和受力情況，計算結(jié)果更為準確。
　　(2)考慮較為真實的裂紋擴展路徑和齒根裂紋對輪齒有效厚度的削弱作用，求解含齒根裂紋的齒輪嚙合剛度，分析了裂紋深度、寬度、起始位置和擴展方向?qū)X輪嚙合剛度的影響。研究結(jié)果表明，采用直線來模擬裂紋的擴展路徑是合理的;在裂紋深度較大時應(yīng)采用拋物線作為裂紋對輪齒有效厚度削弱的限制線。隨著裂紋深度和寬度的增加，嚙合剛度的降低幅度增加;隨著裂紋起始位置角的增大，嚙合剛度的降低幅

4、度減小;隨著裂紋擴展方向角的增大，嚙合剛度先減小后增大。
　　(3)探討了齒根裂紋前后系統(tǒng)振動響應(yīng)的變化以及不同裂紋參數(shù)對系統(tǒng)振動響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明，裂紋出現(xiàn)后系統(tǒng)振動響應(yīng)發(fā)生變化，時域波形中出現(xiàn)了以裂紋齒輪轉(zhuǎn)動周期為間隔的周期性沖擊，在嚙合頻率及其諧波附近出現(xiàn)邊頻，并且沖擊、邊頻以及統(tǒng)計量的幅值隨著裂紋深度和寬度的增加而增大，隨裂紋起始位置角的增大而減小，隨裂紋擴展方向角的增大先增加后減小。
　　(4)考慮由輪齒彈性

5、變形導致的延長嚙合效應(yīng)，基于有限元模型，分析了延長嚙合對齒輪嚙合剛度和系統(tǒng)振動響應(yīng)的影響。分析結(jié)果表明，考慮延長嚙合效應(yīng)后，單雙齒交替時嚙合剛度不再是突變的而是漸變的，并且隨著扭矩的增大，延長嚙合現(xiàn)象越來越顯著。另外，考慮延長嚙合效應(yīng)后，系統(tǒng)振動響應(yīng)的時域和的頻域特征也發(fā)生改變。
　　(5)通過實驗對理論分析進行驗證，尋找有效識別早期裂紋故障的方法。研究表明，裂紋出現(xiàn)后，實驗和仿真信號的瞬時能量在時間分布上產(chǎn)生周期性沖擊，并且隨著