关键词：
齿根裂纹
不对中啮合
动力学建模
啮合刚度
振动响应
摘要：
由于工作环境恶劣、多变,齿轮传动长期在高速重载工况下运行易致使齿轮出现故障和性能退化。其中,齿轮裂纹是一类常见故障并严重威胁齿轮承载能力和安全运行。齿轮、轴、轴承及其轴承座的制造/装配误差和变形,齿轮副轮齿间不可避免存在啮合不对中,恶化齿面啮合状态,影响齿轮系统的振动和噪声,进而诱发齿轮损伤失效。啮合不对中与齿轮裂纹故障均会影响齿轮传动系统的动力学行为和信号特征,因此,开展考虑啮合不对中和齿轮裂纹扩展影响的齿轮-转子-箱体耦合动力学建模与齿轮退化特征分析,为齿轮传动系统的状态监测与故障诊断提供重要理论支撑。
考虑相邻切片轮齿间的变形耦合作用,采用切片势能法提出了含裂纹和啮合不对中的齿轮副时变啮合刚度的改进计算方法。在此基础上,建立了一种改进的齿轮-转子-箱体耦合动力学模型。相较于已有模型,该模型不仅考虑了齿面载荷沿齿宽方向的不均匀分布,还考虑了箱体的柔性支撑。本文以某含惰轮齿轮增速器为研究对象,基于所提出的齿轮时变啮合刚度计算方法与动力学模型,进行了如下研究工作:
(1)通过将文献的有限元结果与利用本文所提计算方法的刚度求解结果进行对比,两者结果趋势一致、误差较小,验证了本文所提刚度计算方法的准确性。在此基础上,求解了含惰轮齿轮增速器中两对齿轮副正常啮合时的啮合刚度,并通过考虑裂纹故障和啮合不对中影响计算了裂纹和不对中啮合齿轮副的时变啮合刚度。结果表明,不对中角度与裂纹尺寸的增加均会造成啮合刚度均值的不断减小,不对中啮合对双齿啮合区的啮合刚度影响较大。
(2)切片间的耦合作用影响齿轮副的啮合刚度,导致轮齿法向的综合变形减小,使啮合刚度计算结果增大。当裂纹沿深度方向扩展时,随着裂纹深度逐渐增大,考虑变形耦合作用与不考虑耦合作用这两种方法的啮合刚度计算结果的差异逐渐增大,表明变形耦合作用逐渐增强。当裂纹沿齿宽方向扩展时,随着裂纹宽度逐渐增大,两种方法的啮合刚度计算结果差异先增大后减小,表明耦合作用先增强后减弱。
(3)综合考虑系统支撑结构、制造安装误差、退化状态等影响后,采用集中参数法与有限元法相结合的方法,建立了含惰轮齿轮增速器的齿轮-转子-箱体耦合动力学模型。对系统固有特性进行了分析,系统的固有振型呈现出复合振动状态。
(4)基于所建动力学模型,求解了正常和退化状态下系统的动态响应,研究了齿轮裂纹和啮合不对中情况下系统的动态特性和退化特征。结果表明:裂纹在深度、宽度和综合方向上的扩展均在系统中引起周期性冲击,导致系统的振动不断加剧,振动响应频谱中出现边频带且幅值随着裂纹的扩展而不断增大。随啮合不对中角度的增加,系统振动响应逐渐增大,振动响应的啮合频率幅值逐渐增大,其二倍频幅值稍微减小,三倍频幅值基本不变。齿轮裂纹的沿齿宽方向不均匀扩展路径和啮合不对中影响轮齿的齿面载荷分布,引起齿轮偏载力矩,改变系统的偏摆振动,齿轮所受偏载力矩与不对中角度呈正相关。
(5)针对裂纹齿轮系统的振动响应信号,选取七种不同的时域统计指标对齿轮裂纹退化状态进行诊断与识别。结果表明:裕度、波形因子、峰值因子和脉冲因子的敏感性较强,波形因子对裂纹故障最为敏感,是裂纹故障诊断的较优参数指标。
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