含典型故障的二级齿轮传动系统动态特性研究

• 作 者: 张斌生
• 出 处: 新疆大学
• 发表日期: 2019年11期
• 关键词: 直齿轮系统 典型故障 啮合刚度 载荷分配 动态特性

齿轮传动作为机械传动系统中重要组成部分,因其结构紧凑、传动效率高、传动比稳定等特性广泛应用于船舶、矿山机械、汽车等行业。而齿轮作为齿轮传动系统中关键部件,常因加工精度、啮合误差和内外激励的影响,运行过程中易出现各种故障,严重影响齿轮使用寿命;再者齿轮传动系统常在重载、高速环境下工作,摩擦、磨损加剧易引发齿轮故障,甚至造成设备损坏和经济损失。因此深入研究含典型故障(斜裂纹、贯通裂纹、齿面断裂、齿面点蚀等)的二级齿轮传动系统的动态特性,分析齿轮故障因素对系统动载荷的影响,能够为故障诊断提供一定的判断依据,具有一定的实际应用价值。本文以渐开线直齿轮构成的二级齿轮传动系统为研究对象,考虑了时变啮合刚度对系统的影响,结合有限元法计算了齿轮时变啮合刚度,将计算得到的时变啮合刚度作为内激励,引入故障因素,构建了二级齿轮传动系统动力学模型,对比分析了含典型故障的二级齿轮传动系统的动载荷变化特征以及振动特性。本文主要的研究结论有:1.齿轮时变啮合刚度是引起齿轮传动系统产生振动冲击的主要原因。准确计算啮合刚度是研究齿轮啮合特性的关键,本文考虑了故障因素对啮合刚度的影响,结合有限元法得到了含齿根裂纹、齿面断裂、齿面点蚀故障的齿轮的时变啮合刚度。研究发现:裂纹深度引起的啮合刚度变化相比裂纹角度引起的啮合刚度变化明显;贯通裂纹啮合刚度相比裂纹深度啮合刚度变化突出;齿面断裂面的大小严重影响齿轮啮合刚度,影响齿轮啮合数目;齿面点蚀对啮合刚度影响较小。2.为了分析故障因素对齿根应力的影响,引入齿向载荷分配系数,得到了典型故障形式的齿根应力分布特征。通过调取接触齿面的等效应力,分析了接触齿面间的应力分布特征。分析结果表明:载荷分配呈非线性变化,裂纹深度变化引起的载荷分配比裂纹角度变化引起的载荷分配变化剧烈。无故障齿面应力沿接触线均匀分布,与贯通裂纹齿面应力分布相似;而斜裂纹、齿面断裂、齿面点蚀故障在故障部位出现应力集中。3.轮齿出现故障时,由于齿轮啮合刚度的改变会对轮齿啮合过程中造成冲击作用,使系统动载荷幅值增大,动载荷时域中出现瞬时激增现象,并在频域中伴随出现调制现象。各典型故障中,裂纹与齿面断裂引起的动载荷波动最为明显,齿面点蚀对系统影响相对较弱;含故障齿的频谱中出现明显的边频带,故障齿出现在第一级(高速级),对高速级影响较明显,而故障齿出现在第二级(低速级),对齿轮系统两级均存在较大影响。