齿轮箱耦合系统三维接触非线性动态特性仿真

针对现有齿轮传动系统动力学模型和研究方法的不足,提出了基于完全弹性体的齿轮传动系统动态分析方法.以某型船用齿轮箱传动系统为研究对象,基于显式动力学有限元法,考虑部件之间的耦合作用建立了箱体-轴承-斜齿轮副三维动态接触非线性模型.对整体齿轮箱传动系统进行了动态仿真,得到了关键部件的动力学特性,并与非耦合模型动态性能仿真结果进行比较.结果表明:滚动体与齿面应力呈不均匀分布,部件间的耦合作用加剧了齿轮箱的冲击效应.最后采用赫兹线接触理论进行了验证.     

风电齿轮箱传动系统的动力学建模

由于风速的随机性特点,使得风电齿轮箱长期处于较为复杂的变载荷作用下而产生振动,这些振动将会引起齿轮箱内部结构的损坏.为了更好地对齿轮箱进行动力学分析,将风电齿轮箱传动系统分解为三级齿轮传动,采用集中质量法,在直齿轮、斜齿轮和行星齿轮动力学模型的基础上,建立了整个齿轮箱传动系统的动力学模型;并在考虑齿轮啮合刚度、啮合阻尼、啮合误差、偏心量、弯扭耦合、自身重力以及支撑轴承等因素的共同作用下,利用拉格朗日方程推导了整个传动系统的动力学方程.为今后分析兆瓦级风电齿轮箱传动系统的固有特性、动态响应等动力学特性奠定了一定的基础.     

船用齿轮箱多体动力学仿真及声振耦合分析

基于多体系统动力学理论,综合考虑齿轮副时变啮合刚度、齿侧间隙、轴承支撑刚度等内部激励以及螺旋桨外部激励,建立了含传动系统及结构系统的船用齿轮装置多刚体系统动力学模型,计算了齿轮副动态啮合力及轴承支反力;对齿轮箱及支座进行柔性化处理,形成多柔体系统动力学模型,采用模态叠加法计算了箱体表面的动态响应.而后以多体动力学分析所得的轴承支反力频域历程为边界条件,建立了箱体声振强耦合分析模型,预估了齿轮箱表面声压及外声场辐射噪声.结果表明,齿轮副动态啮合力、轴承支反力以及箱体动态响应频域曲线的峰值均出现在齿轮副的啮合频率及其倍频处;仿真所得的箱体振动加速度及外声场辐射噪声与齿轮箱振动噪声试验台架实测结果吻合良好.     

大型船用齿轮箱传动系统的动态耦合特性

考虑输入和输出端横向振动与系统扭转振动的耦合作用,建立大型船用齿轮箱三级齿轮传动系统横扭耦合动力学分析模型,利用基于能量的Lagrance法建立传动系统耦合动力学方程。采用Matlab软件计算了在时变啮合刚度和误差激励下的某大型船用齿轮传动系统固有特性和动态响应分析,得出系统动态良好,不存在共振现象,在工作负载下系统处于概周期振动的结论。     

弹性支承下的齿轮传动动力学仿真分析

为了准确得到齿轮传动系统动态特性,对传动轴进行离散处理.数值模拟齿轮啮合内部动态激励,采用改进的齿轮副动力学模型进行计算;同时,模拟各滚动轴承在润滑接触下的动态特性,考虑齿轮啮合时变特性、传动轴的弯扭耦合和支承弹性建立单级齿轮传动样机模型.仿真结果表明,支承条件不同会导致仿真结果差异较大,弹性支承更符合实际.     

变转速风电行星齿轮传动系统动力学特性

针对风力发电机变转速工况,采用集中质量参数法建立了变速风电行星齿轮传动系统的动力学模型,通过傅里叶级数将时变啮合刚度转化为啮合频率的函数形式,根据仿真的线性升速曲线,分析了变转速对齿轮副时变啮合刚度的影响,并利用龙格库塔法求得了传动系统中各齿轮的动态响应.在此基础上,对风电齿轮箱试验台升速过程测试信号进行分析,验证了所建变转速风电行星齿轮传动系统动力学模型的有效性.     

风电齿轮箱传动误差分析及振动噪声预估

针对一级行星两级平行轴风电齿轮传动系统,综合考虑齿轮时变啮合刚度、啮合阻尼、传递误差等因素,建立31个自由度的弯扭轴耦合集中参数动力学模型,采用变步长Runge-Kutta法对系统动力学微分方程进行求解,得出齿轮传动系统各级传动误差;借助软件建立风电齿轮箱刚柔耦合动力学模型,并导入传动误差,采用模态叠加法求得齿轮箱轴承支反力,并将其作为声振耦合模型的边界条件,采用声学有限元法对风电齿轮箱进行振动噪声预估,并与试验结果对比分析,两者吻合良好。     

齿轮传动系统冲击载荷抑制与动态参数优化

针对重载高速齿轮传动系统冲击载荷大、影响系统可靠性和使用寿命等特点,以某采煤机齿轮传动系统为例,建立了包含电机动态模型、耦合轮系和行星轮系动力学模型的采煤机动力传动系统机电耦合模型,研究了在采煤机运行过程中通过优化运动参数来降低截割传动系统冲击载荷的方法.仿真结果表明:在负载突变工况下,运动参数动态优化使截割传动系统中的冲击载荷减小.搭建了截割动力传动系统实验台架,通过台架试验研究了运动参数优化对截割传动系统冲击载荷的影响,实验与仿真所获得的传动系统冲击载荷的趋势相似,调速持续时间相近,验证了运动参数优化的有效性.     

齿轮裂纹对动载荷谱的影响

基于摩擦学和齿轮系统动力学,同时考虑到轮齿摩擦、时变啮合刚度、偏心质量和综合误差的影响,创建了齿轮传动系统六自由度耦合动力学模型.利用自适应及变步长数值仿真方法对其进行了非线性振动研究,比较了完好齿轮与带裂纹故障齿轮的振动特性,分析了齿根裂纹对齿轮传动系统载荷谱的时域特性、频域特性和时频特性的影响.     

仿真技术在减速器设计中的应用

从齿轮传动的基本原理出发,系统地分析了齿轮传动系统的动力学模型,提出了基于齿轮副接触算法的动力学仿真模型.利用仿真软件建立了减速器虚拟样机模型,综合考虑了多种影响因素.计算结果很好地反应了实际的齿轮啮合接触行为,所使用的仿真方法及得到的分析结果对减速器的工程设计及性能校核具有参考价值和指导意义.     

含齿根早期裂纹损伤的行星齿轮箱故障机理研究

行星齿轮箱中齿根早期裂纹损伤的故障特征微弱,导致其难以被识别.为揭示齿根早期裂纹的故障机理,采用集中参数法建立计入裂纹损伤效应的行星齿轮箱传动-结构耦合非线性动力学模型.首先,基于势能法建立含齿根裂纹损伤的齿轮副啮合刚度与传动误差计算模型,通过刚度激励函数与位移激励函数将裂纹损伤的效应纳入行星传动系统的非线性动力学模型,进而求解行星传动系统的振动响应,结果表明内、外传动支路之间的传动误差差异导致各支路载荷分配不均.其次,采用ANSYSWorkbench建立箱体结构的有限元模型.将行星传动系统中太阳轮、行星架以及内齿圈的支承反力施加于箱体结构的相应轴承座处,并通过窗函数计入行星架旋转对信号的调制效应以获取行星齿轮箱的振动信号;通过对箱体振动信号的频谱分析,提取了行星齿轮箱齿根早期裂纹损伤的故障特征.最后,搭建动力传动故障模拟实验台,对存在齿根早期裂纹损伤的行星齿轮箱进行了振动测试.仿真信号与实测信号基本一致,表明所建行星齿轮箱传动-结构耦合动力学模型能准确揭示行星齿轮箱齿根早期裂纹损伤的故障机理.行星齿轮箱中齿根早期裂纹损伤的故障特征表现为以啮合频率为中心、故障特征频率的分数倍频及行星架转频为间隔的调制边带.     

基于ADAMS的多级齿轮传动系统动力学仿真

为了建立多级齿轮传动系统的虚拟样机，在对传统的齿轮副扭转振动模型进行动力学等价变换的基础上，提出一种基于ADAMS的动力学仿真方法．利用该方法建立的模型能综合考虑时变啮合刚度、啮合阻尼、轮齿啮合综合误差、原动机和负载的动态输入、齿对啮合相位以及传动轴扭转柔性，仿真多级齿轮传动系统的动态特性，通过实例仿真研究了各因素对系统动态响应的影响规律，结果表明该方法是可行的。     

非扭矩载荷下风电齿轮传动 系统动力学响应特性分析

风电机组叶轮承受风载产生的推力和弯矩等非扭矩载荷传递到齿轮箱内部,会引起关键部件振动加剧、动载增大,将加速齿轮、轴承等部件的过早失效.本文针对某5 MW风电齿轮传动系统,考虑行星架和太阳轮轴的柔性,计算了各对齿轮间的啮合刚度和阻尼以及轴承的支承刚度,采用ADAMS软件建立其刚柔耦合动力学模型,分析了非扭转载荷对关键部件振动和动载荷特性的影响,结合理论分析与对比验证,掌握了非扭矩载荷引起低、中和高速级齿轮振动位移和动态啮合力以及轴承动载增大的变化规律,将为齿轮传动系统动态性能评估及其可靠性优化设计提供重要的理论依据.     

考虑轴柔性的二级齿轮减速器振动噪声研究

针对齿轮箱在实际运行过程中存在的轴系变形问题,提出了一种二级齿轮减速器在多源时变激励作用下振动噪声的计算方法。综合考虑齿轮、轴承时变刚度以及误差激励的影响,并引入二级齿轮相位关系,采用有限元法建立了计入轴柔性的二级直齿轮-轴-轴承系统耦合动力学模型。通过Newmark时域积分法求解系统动力学方程,得到各轴承动载荷,并分析了传动系统的固有特性及轴的静变形特征。采用有限元法对齿轮箱进行模态分析,提取箱体各阶固有频率与振型。以轴承频域动载荷为齿轮箱激励,利用模态叠加法计算得到齿轮箱的振动响应,并采用声学边界元法对齿轮箱的辐射噪声进行了计算。分析了轴柔性和转速对轴承动载荷与箱体辐射噪声的影响。仿真结果表明:计入轴柔性后,轴承动载荷波动幅值降低,激励频率成分也随之减少;在低频段200～900Hz与高频段1 800Hz附近,箱体的主要共振模式发生改变,顶部场点噪声有所降低;随着转速的升高,激起了传动系统轴系弯曲振动模式,并引起传动系统振动幅值增大,且齿轮箱顶部场点噪声明显大于两侧场点噪声。研究结果可为减速器的减振降噪设计提供理论参考。     

双馈式风力发电机齿轮箱的动态特性分析

利用风机仿真软件(SWT),对某1.5 MW双馈式风力发电机齿轮箱的动态特性进行了研究。应用梁单元和超单元建立了齿轮箱参数化模型,对其进行了模态分析,将得到的固有频率与激励频率比较,确定不存在共振点;在考虑风剪切效应和塔影效应的基础上,建立了风机整机全耦合模型,得到了正常发电和紧急停机工况条件下齿轮箱系统的动态响应、齿轮啮合力和轴承受力情况。研究结果表明,风机齿轮箱的动态响应及动态载荷与其运行工况和外部风载荷密切相关,且各级齿轮的动态啮合力与齿轮轴的转矩有相同的变化趋势;行星轮轴承所受载荷最大,更容易发生损坏。研究结果为风力发电机齿轮箱传动系统的动态优化设计提供了理论依据。     

风电齿轮箱传动系统的振动特性分析

为了准确描述风电齿轮箱传动系统的振动特性,以2 MW风电齿轮箱传动系统为研究对象,考虑各零部件自身的重力及轴的弯矩对传动系统均载的影响,结合齿轮传动系统动力学理论建立齿轮箱传动系统的动力学模型;为实现齿轮箱传动系统各传动级之间的关联,提出应用联接构件代替零件建立系统刚度矩阵与质量矩阵的方法,建立基于联接构件的齿轮箱传动系统的刚度矩阵和质量矩阵,求解出可分为五种振动类型的固有频率;最后以某风场实测风载荷作为齿轮箱外部激励,采用给定解形式的方法对齿轮箱传动系统的振动微分方程组进行求解,计算得到系统各零部件的振动响应,通过分析可知轴心轨迹的发散程度与零部件振动幅值变化的剧烈程度正相关,且齿轮箱传动系统没有发生共振.为风电齿轮箱传动系统的设计及可靠度计算提供了理论依据.     

随机风载下兆瓦级风电机组传动链系统的动态响应分析

以MW级风电机组传动链系统为研究对象,利用集中质量法对其纯扭转耦合非线性动力学模型的建立与动态响应规律进行探讨.在应用达朗贝尔原理建立传动链系统的质量-弹簧-阻尼模型和考虑部件间相互耦合影响的动力学方程组基础上,根据威布尔风速法建立西北酒泉地区的风速模型,并据此得到了一种作为传动链系统输入的随机时变转矩.在考虑增速箱中各齿轮副间的时变啮合刚度、啮合阻尼和时变误差激励影响的前提下,利用Matlab编写程序对建立的动力学方程组进行数值仿真计算,获得传动链系统的固有频率,以及各部件的扭转振动角位移、角速度、齿轮啮合力的响应情况.本研究对揭示随机风速作用下风力机组传动链系统的扭转振动响应规律,为传动链系统结构的动态性能优化设计提供了理论参考依据.     

耦合箱体振动的行星齿轮传动系统动态响应分析

为获得准确的行星齿轮传动系统动态响应进行精确产品设计,文中建立了耦合箱体振动的2K-H行星传动系统动力学模型.将整个行星传动系统分为传动部分与箱体结构两部分,对传动部分采用集中质量模型而对箱体结构采用有限元法建模,然后根据子结构方法将箱体模型转换到轴承支撑的连接节点,并与传动部分通过界面协调条件进行耦合.文中还引入了时变的啮合刚度、综合啮合误差激励,从而获得了一个时变的、多自由度耦合行星齿轮传动系统动力学模型.耦合箱体前、后的系统动力学分析结果表明:箱体结构的耦合作用使行星传动系统的啮合力与支承力均有较大程度的降低;在系统参数不变的情况下,输入转速变化使啮合力和支承力呈不同趋势变化;有必要进行精确的动力学建模与分析,以实现优化的传动系统轻量化和可靠性设计.     

非正交面齿轮传动系统的耦合振动分析

为研究非正交面齿轮传动系统的非线性动力学特性,基于集中参数理论,建立包含齿侧间隙、传动误差、时变啮合刚度、啮合阻尼、支撑刚度、支撑阻尼和激励频率等参数的弯-扭耦合非线性动力学模型.采用龙格库塔数值积分方法对系统的动力学方程进行求解,分析不同的激励频率对非正交面齿轮传动系统的动态响应的影响.通过对时间历程图、平面相图、Poincare截面图和FFT频谱图的分析和比较,传动系统会出现简谐响应、2周期次谐波响应、拟周期响应及混沌响应.     

新型自减振行星传动系统动态特性分析

为了改善内、外部激励下机电传动系统的动态响应特性,提出一种新型自减振行星传动形式:TVD-PG(torsional vibration damper and planetary gear)传动系统,采用扭转减振装置取代传统行星齿轮中某一构件与箱体固连的方式.考虑传动轴扭转变形和行星齿轮时变啮合刚度,建立电机和适用于变速工况下的TVD-PG传动系统的耦合动力学模型.仿真分析了TVD-PG传动系统在启动和稳定工况时的动态响应特性,并与传统的行星齿轮传动方式进行对比.结果表明:在启动阶段,TVD-PG传动系统可快速减小电机电磁转矩波动,使电机和输出端转速快速平稳上升,同时改善了启动和稳定工况下行星齿轮系统的动态啮合力状况.由于机电耦合作用,在系统稳定时可清晰观察到齿轮系统内部激励参数对电机部分的影响.