关键词：
车辆工程
机车齿轮
内外激励
齿面磨损
齿轮振动
摘要：
机车传动齿轮是机车运行的关键零部件,常处于高速重载的运行条件下,因此对齿轮的服役性能提出了更高的要求。齿面磨损作为齿轮的常见故障之一,会降低传动系统的效率和精度,甚至影响到机车的安全行驶。因此,有必要对机车齿轮齿面磨损特性开展研究。由于机车运行条件的特殊性,存在内部和外部因素对机车齿轮传动系统产生影响,所以需分析内、外部激励对机车齿轮齿面磨损的影响。最后,为保障齿轮传动系统的稳定性和可靠性,有必要分析含齿面磨损故障的机车齿轮振动响应和模态。基于此,本文以机车传动齿轮作为研究对象,通过数值法和有限元法进行研究,论文的主要研究工作如下:(1)通过Archard磨损公式和Hertz接触理论,建立了考虑动态磨损系数的机车齿轮齿面磨损数值仿真模型,并对其进行仿真计算,计算表明,主、从动齿轮靠近齿根处磨损深度最大,在节线处磨损深度为0mm,节线两侧单、双齿交替区域磨损深度出现突变。随后分析齿轮参数对齿面磨损的影响,结果表明,增大模数、压力角、齿宽和传动比或减小负载转矩可减缓齿面磨损。(2)为进一步探究内外激励对机车齿轮齿面磨损的影响,利用有限元软件ABAQUS进行二次开发UMESHMOTION子程序,并结合ALE自适应网格,建立了机车齿轮齿面磨损有限元仿真模型,在仿真后通过MATLAB提取齿面磨损信息,并将结果与数值仿真结果对比,发现两者都在齿根处磨损深度最大,节线处几乎不发生磨损。随后,通过改变模型参数以研究摩擦系数和中心距误差对齿面磨损的影响。研究发现,随着摩擦系数的增大,磨损深度总量不断增大,在节线处磨损深度不变,以节线为界靠近齿根处磨损深度增加,齿顶处相反,其增加量大于减少量,磨损深度的增加量主要集中在齿根处。当中心距误差为负时,随着中心距的减少,磨损深度总量越大,而当中心距误差为正时,随着中心距的增大,磨损深度总量几乎不发生变化。最后,基于多体动力学软件建立了机车动力学模型,分别仿真得到钢轨波磨激励和车轮多边形激励下从动齿轮垂向振动位移,加载到有限元模型中进行磨损仿真计算,发现激励的存在会加深齿根处磨损,且激励产生的垂向振动位移越大,对齿面磨损的影响越大。(3)基于能量法推导出含齿面磨损的齿轮啮合刚度计算公式,进而研究不同程度齿面磨损对齿轮时变啮合刚度的影响,研究发现,齿面磨损会降低齿轮啮合刚度,随着磨损程度的加剧,刚度减少量越大,对齿顶刚度的影响大于齿根位置。在此基础上建立了六自由度齿轮动力学模型,将齿轮时变啮合刚度代入到动力学方程中进行求解,以研究含齿面磨损故障的齿轮振动响应,发现磨损故障对齿轮振动响应和传动误差影响较小,仅在幅值上发生变化。因此通过统计指标去评估不同程度磨损对信号的影响,发现在频域中偏度和均方根值对磨损故障有比较强的敏感性。(4)在ABAQUS软件中建立了含不同程度齿面磨损的机车齿轮有限元模型,并对其进行模态分析。结果表明,齿面磨损导致齿轮固有频带变宽,在设计和使用中应注意避开这一频带,避免发生共振。但齿面磨损对振型影响较小,齿顶变形量大于齿轮其他部位,因此在齿轮加工时需要注意加强齿顶的强度。
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