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齿轮传动系统故障模拟方法的研究

作　者: 孙文婷
导　师: 韩振南
学　校: 太原理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 齿轮裂纹系统动力学模型扭转啮合刚度数值计算方法
分类号: TH165.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

齿轮传动由于具有承载能力大、传动精度高、传动功率恒定等特点,所以被广泛的应用于机械、汽车、航天航空等各个领域。但是由于齿轮系统本身的结构复杂、工作环境恶劣等因素的影响,使得齿轮传动系统往往很容易出现故障。其中有些故障会对生产造成很大的影响,甚至可能引发严重的安全事故,所以避免齿轮传动系统发生故障具有非常重要的意义。而在齿轮传动系统故障中,有高达60%的故障是由齿轮类故障引发的,因此齿轮故障的研究成为了一项十分重要的工作。在齿轮的各种失效形式中,齿根裂纹的存在往往会降低轮齿的啮合刚度,使轮齿齿廓偏离啮合位置,导致轮齿不能正确啮合,在故障轮齿入啮和脱啮时引起的冲击载荷进一步增大,如果形成恶性循环,裂纹就会迅速扩展,最终导致断齿或其它事故的发生,所以掌握裂纹在系统运转过程中的动态响应,就显得尤为重要了。利用计算机对齿轮传动系统进行动态仿真,既可以模拟其运行行为和工作状态,还可以证实该系统功能和性能的可用性及可靠性,从而降低设计成本,缩短开发周期,并提高产品的可靠性。因此,本文通过有限元分析和数值计算相结合的方法模拟了单级齿轮传动系统在有、无裂纹状态下系统的动态响应,主要完成了以下几方面的工作：1)对齿轮常见的失效形式、特征及影响齿轮失效的主要因素进行了分析。2)通过ANSYS的APDL语言,采用自底向上的建模方法分别建立无故障和含齿根裂纹的两对标准渐开线直齿圆柱齿轮的有限元模型,通过有限元分析得到齿轮副啮合过程中接触点的应力云图和齿轮的扭转角度。3)利用有限元分析得到的齿轮啮合扭转角计算出一定扭矩下,轮齿完成一次啮合时所有位置的扭转啮合刚度值,分别得到有、无裂纹齿轮的扭转啮合刚度曲线,并对两条曲线的变化规律和存在的差异进行比较分析。4)建立齿轮传动系统的动力学模型,采用MATLAB的数值计算方法对动力学方程组进行求解,分别得到有裂纹和无裂纹齿轮系统的动力学仿真曲线,分析裂纹对系统动态响应的影响。5)设计试验,测量实际运转过程中,齿轮传动系统的动态响应。通过对比试验结果和仿真结果,验证本文采用的模拟方法是有效、可行的。通过对齿轮传动系统进行整体仿真,掌握齿根裂纹对系统动态响应的影响,从而为齿轮传动系统中齿轮故障诊断的研究提供新方法。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-16
  1.1 课题研究的背景和意义  10-11
    1.1.1 课题研究的背景  10
    1.1.2 课题研究的意义  10-11
  1.2 齿轮传动系统动力学发展历程  11-13
  1.3 齿轮系统动力学对齿轮故障行为研究的概况  13
  1.4 本文研究的主要内容  13-14
  1.5 课题项目来源  14-16
第二章齿轮的失效分析  16-24
  2.1 齿轮的失效类型  16-17
  2.2 齿轮失效特征、原因及改进对策分析  17-21
    2.2.1 齿面损耗  17-18
    2.2.2 胶合  18
    2.2.3 齿面疲劳  18-19
    2.2.4 永久变形  19-20
    2.2.5 轮齿折断  20-21
    2.2.6 裂纹  21
  2.3 影响齿轮失效的主要因素  21-22
  2.4 本章小结  22-24
第三章齿轮的有限元分析  24-38
  3.1 齿轮实体模型的建立  24-31
    3.1.1 轮齿齿廓的实现  25-30
    3.1.2 轮齿实体模型的生成  30-31
  3.2 齿轮有限元模型的建立  31-34
    3.2.1 对齿轮进行网格划分  31-32
    3.2.2 整体齿轮模型的建立  32
    3.2.3 齿轮的啮合装配  32-33
    3.2.4 接触对的创建  33
    3.2.5 载荷及边界条件的施加  33-34
  3.3 含齿根裂纹齿轮模型的建立  34-35
  3.4 有限元分析结果  35-37
  3.5 本章小结  37-38
第四章齿轮传动系统的动力学模型及参数分析  38-56
  4.1 齿轮传动系统的动力学模型  38-41
  4.2 齿轮扭转啮合刚度的分析  41-46
    4.2.1 啮合刚度定义  41-42
    4.2.2 单齿啮合刚度的计算  42-43
    4.2.3 双齿啮合刚度的计算  43-44
    4.2.4 扭转啮合刚度的求解结果  44-46
  4.3 运动方程中参数的确定  46-53
    4.3.1 摩擦力的计算  46-49
    4.3.2 摩擦力臂的计算  49-52
    4.3.3 其它参数的确定  52-53
  4.4 本章小结  53-56
第五章动力学模型的求解及仿真结果的分析  56-68
  5.1 动力学模型求解算法的选择  56-57
  5.2 动力学方程组的求解过程  57-61
    5.2.1 MATLAB求解常微分方程的一般步骤  57
    5.2.2 解算微分方程的命令调用格式  57-58
    5.2.3 高阶常微分方程的求解方法  58-59
    5.2.4 动力学方程组的求解  59-61
  5.3 动力学仿真结果及分析  61-66
    5.3.1 无故障齿轮系统的动力学仿真结果  61-63
    5.3.2 含齿根裂纹齿轮系统的动力学仿真结果  63-65
    5.3.3 仿真结果分析  65-66
  5.4 本章小结  66-68
第六章模拟结果的试验验证  68-74
  6.1 试验的设计  68-69
    6.1.1 齿轮传动系统的试验台  68
    6.1.2 加速度计的安装  68
    6.1.3 齿根裂纹的物理模拟  68-69
  6.2 实验数据的采集和存储  69-71
    6.2.1 数据采集系统的组成  69-70
    6.2.2 加速度计与集流环的连接  70-71
  6.3 信号数据的回放与验证  71-73
  6.4 本章小结  73-74
第七章总结与展望  74-76
  7.1 总结  74
  7.2 展望  74-76
参考文献  76-80
致谢  80-82
攻读硕士学位期间发表的学术论文  82

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