关键词：
传动误差
时钟细分
扭转振动
齿面摩擦激励
集成经验模式分解
摘要：
齿轮传动靠主从动轮相互啮合传递动力和运动,具有结构紧凑、传动比恒定、使用寿命长、平稳性好、传动效率高等优点,使得齿轮传动成为旋转机械中重要的基础部件之一,被广泛应用于航空、军用车辆、工业重载以及汽车等各种工业领域的动力、运动传递,被誉为“工业的象征”,其技术水平决定了整机动态服役性能和可靠性,同时也是国家智能制造体系的核心支撑。但是我国对于齿轮行业的振动噪声等动态性能的研究缺乏,而传动误差又是引起振动噪声最主要的激励源之一,对于如何在传动系统受载变形的实际工况下获得高精度可靠性的准确的传动误差测量结果,是我国齿轮行业内的技术难题。另外,虽然振动在齿轮状态监测中占据主导地位,并且在早期故障检测中已被证实是成功的,但其在故障特征识别应用于远离齿轮、路径复杂、被其他来源覆盖、强烈依赖操作条件的环境时,通常需要复杂的齿轮模型或大型数据集来训练数据驱动。因此,应用传动误差信号来替代诊断故障的振动信号。本文研究实际工况下齿轮传动误差高精度测量技术,为齿轮减振降噪提供准确的传动误差值,并利用传动误差信号为故障诊断领域提供一种新的无损检测方法,为推动我国齿轮行业乃至整个应用领域的发展具有重要的意义。
本文首先通过建立光栅与读数头几何模型,推导角度偏差与实际角度的关系,利用双读数头对角度偏差进行补偿。由与转速相关的传统相位测量方法到与转速无关的时钟细分脉冲计数法,将时钟脉冲细分计数法应用于齿轮副输入输出角度编码器的传动误差测量方法中,研究了齿轮副传动误差的测量方法。以输出齿轮为基准,数字脉冲处理计算中考虑输入齿轮在传动比缩放下的整数脉冲和非整数脉冲,利用高速时钟计数计算非整数脉冲,将整数脉冲和非整数脉冲处理得到综合传动误差曲线。通过对两组不同齿形齿轮试验验证表明:传动误差系统在齿频以上的测量精度达到1″,对于不同的修形变化单齿面传动误差峰峰值随之变化,测量准确且重复性良好,为传动误差测量提供了更准确的测量基础。
根据振动理论,建立了传动误差测试台架的扭转振动模型及无分支无阻尼自由振动方程,计算了传动系统的固有频率并利用扫频测试进行验证。对直连轴及齿轮副扫频频响曲线分析,发现在系统固有频率附近产生“共振”现象对传动误差测量影响十分明显。为避免扭转振动对测量影响,基于系统传动稳定特性及精度测量保持下的转速限值,通过弱化传动系联轴器部件使得传动误差测试转速落入固有频率一阶与二阶非共振平稳区间。对比前后齿频为基频阶次图优化效果显著,但是对于不同被试件仍需扫频测试确定最佳转速区间。基于优化后的传动系统分析研究并确定了传动误差量化后试验周数选用全齿数啮合周期,并研究了FFT处理相比移动平均法更适应传动误差测量中去除波动分量。
基于实际搭建的传动误差试验台,开展了基于时变接触线长度的斜齿轮摩擦激励中考虑偏心误差及轴系热膨胀变形误差,为了研究误差影响下的摩擦激励,推导了热膨胀与轴系变形之间的关系,建立了考虑偏心误差及热膨胀变形误差时斜齿轮几何模型,根据齿轮啮合原理并采用解析法推导了基于时变接触线长度的斜齿轮摩擦激励和传动误差的计算方法。通过对偏心误差及热膨胀变形误差在内的斜齿轮副进行数值分析其变化规律。结果表明,误差激励会使时变接触线和传动误差曲线大周期的低频波动越来越显著,时变接触线的波动是影响摩擦力的主要源头,在螺旋角20°和30°时波动最小,但摩擦力矩有个别点不同,还受接触力的力矩影响。误差激励下的频域曲线成分复杂,除了啮合齿频及谐频载波信号峰值外,还存在输入、输出的轴频峰值,且在啮合频率处出现间隔为轴频的边频调制信号,影响齿轮传动的啮合质量。
将基于振动的诊断可行技术EEMD应用到利用时钟脉冲细分计数测试传动误差高精度测试系统中,开发了一种对典型损伤类型有效识别技术方法。集成经验模式分解技术应用于相对传动误差(RTE)信号,以获得一组固有模式函数(IMF),从得到的IMF中识别点蚀和裂纹的不同故障行为。研究结果表明,该方法在齿轮故障诊断中更有用、更有效,因为传动误差是齿轮本身啮合变形直接获得信息。基于相对传动误差信号可以用来故障识别,对HTP啮合周期内传动误差进行重新定相可以用来评估齿轮故障的严重程度。
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