基于积分模型的斜齿轮转子系统振动特性分析

为了模拟工程应用中斜齿轮转子系统的动力学特性,考虑齿轮齿面刚度分布场、传递误差分布场、啮合过程中啮合刚度、摆动刚度和刚度中心等参数,建立了通用的斜齿轮集中质量模型.将该模型与转子系统有限元模型进行了耦合,得到了斜齿轮转子系统有限元模型.最后,以一对斜齿轮转子系统为例,分析了该系统的振动响应特性.研究结果表明:该模型能够有效精确地模拟齿轮之间的啮合.通过对啮合力响应进行傅里叶分析,表明齿轮1倍啮合频率对系统响应影响最大,而其他频率对系统振动响应影响较小.     

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.     

考虑温度效应的斜齿轮时变啮合刚度解析算法

以斜齿轮副为研究对象,基于切片法和积分思想,计入齿面接触温度变化引起的齿廓形变,结合轮齿接触、弯曲、剪切、轴向压缩及基体弹性变形,提出了考虑温度效应的斜齿轮啮合刚度解析算法,并通过有限元法验证了算法的准确性.分析了不同摩擦因数、输入转矩、输入转速等工况参数对斜齿轮啮合刚度的影响规律.结果表明,考虑齿轮温升影响后,轮齿从啮入到啮出整个过程的啮合刚度均有所增大;随着摩擦因数、输入转矩和输入转速的增大,斜齿轮本体温度及啮合齿面瞬时闪温升高,单齿啮合刚度和综合啮合刚度均值呈增大趋势.研究结果可为高速重载齿轮系统准确高效的动力学分析提供理论依据.     

考虑时变啮合刚度的船用高速斜齿轮动力学特性分析

为了研究时变啮合刚度对船用斜齿轮传动系统动力学特性的影响,以某船用高速斜齿轮副为研究对象,首先建立了考虑时变啮合刚度的斜齿轮弯-扭-轴耦合动力学模型,并采用改进的基于承载接触分析(Loaded Tooth Contact Analysis,LTCA)的时变啮合刚度计算方法,计算并拟合出时变啮合刚度曲线;然后分析了特定时变啮合刚度激励条件下转速升高对系统振动情况的影响,以及9 000 r/min和12 000 r/min时不同时变啮合刚度激励下的系统振动特性。分析结果表明,时变啮合刚度激励下,在非共振区转速变化对系统振动特性的影响不显著。齿轮副平均啮合刚度值增大会使振动幅值减小,但共振转速会发生改变,即系统固有频率会发生改变,另外时变啮合刚度波动幅值增大会使振动加剧但不改变系统固有频率。本文研究可为高速斜齿轮传动的设计和工程应用提供一定的参考依据。     

基于扩展卡尔曼滤波和希尔伯特-黄变换瞬时频率的齿轮啮合刚度辨识算法

齿轮副是传动系统中的重要部件,齿轮在啮合过程中会出现单、双齿交替参与啮合的情况,造成齿轮啮合刚度周期变化,引起系统振动.齿轮的啮合刚度与齿轮的状态有关,当齿轮出现故障时,齿轮啮合刚度会发生变化,因此通过监测齿轮的啮合刚度就能够估计齿轮副的工作状态.根据齿轮副的动力学模型建立齿轮啮合刚度的离散辨识模型,提出基于扩展卡尔曼滤波器和希尔伯特-黄变换瞬时频率,利用振动信号对齿轮啮合刚度进行估计的动态辨识算法.仿真和实测结果表明,所提出的方法能够跟踪辨识齿轮的啮合刚度,具有较高的辨识精度.     

船用齿轮传动的动态优化设计

考虑齿轮副的时变啮合刚度、啮合阻尼及轮齿的综合误差,建立了船用齿轮传动系统的动力学模型;将齿轮副接触线长度变化代替齿轮瞬时啮合刚度的变化,啮合阻尼和齿面摩擦等效为粘性阻尼以提高求解效率.并以齿轮的振动加速度和质量为目标函数,对船用齿轮传动进行多目标动态优化,有效降低船用齿轮的振动水平和质量.     

基于参数非线性的二级行星减速器扭转振动分析

为掌握多元非线性参数对二级行星减速器动态特性的影响,在综合考虑齿轮副之间的时变啮合刚度、综合传递误差、啮合阻尼以及齿侧间隙的情况下,基于集中参数法建立了减速器纯扭转振动模型,采用变步长的Runge-Kutta法求解系统动态响应,获得了各级内、外齿轮副之间的振动特性时域数据,以及动态啮合力.理论求解与实验结果最大误差值0.98,平均误差0.05,一级振动及动态啮合力大于二级;同级中太阳轮振动大于行星轮,内、外啮合齿轮副动态啮合力基本相当.频域分析显示:主要振频为齿频和啮频相互耦合所致;一级行星轮齿频为12.93Hz,接近第一阶主振频12Hz;二级啮频62.37Hz,接近第二阶主振频62Hz,成为系统前两阶激振源.     

风电增速箱结合部刚度分析及振动噪声预估

为了研究风电增速箱的振动特性和辐射噪声,基于轴承支承刚度及齿轮副啮合刚度分析,建立了风电增速箱轴系扭转振动模型,运用Matlab求解振动微分方程,得出轴系扭振频率及对应振型;综合考虑刚度激励、误差激励及冲击激励,建立了风电增速箱动力学有限元模型,仿真得出增速箱的动态响应。以箱体表面节点振动位移为边界条件,建立了增速箱声学边界元模型,采用直接边界元法求解得到箱体表面声压及场点的辐射噪声。结果表明,风电增速箱扭振频率与激励频率及其倍频相差较大,不会出现共振现象;增速箱结构噪声和辐射噪声的峰值主要出现在高速级齿轮啮合频率的二倍频附近。     

时变啮合刚度作用下直齿与斜齿圆柱齿轮的振动特性分析

作为传递动力与能量的关键部件,齿轮系统在石油石化装备中有着十分广泛的应用。针对常用的直齿与斜齿齿轮传动系统,分别利用能量法与累计积分能量法建立了直齿与斜齿圆柱齿轮齿的变截面悬臂梁模型,对比分析了直齿与斜齿圆柱齿轮系统时变啮合刚度的基本特性。利用集中参数法,分别建立直齿与斜齿圆柱齿轮齿的弯扭耦合振动模型。利用Nemark-β数值积分法对模型进行了仿真求解,对比分析了时变啮合刚度作用下直齿与斜齿圆柱齿轮系统的振动特性。结果表明:直齿圆柱齿轮时变啮合刚度存在阶跃性突变,而斜齿圆柱齿轮时变啮合刚度波动较为平稳。由于直齿圆柱齿轮时变啮合刚度的阶跃性突变,直齿圆柱齿轮的振动幅值与冲击响应要远远大于斜齿圆柱齿轮。本文阐明了直齿与斜齿圆柱齿轮在时变啮合刚度及振动响应上的异同点,从动力学分析的角度揭示了斜齿圆柱齿轮系统传动平稳的内在机理,可为齿轮传动系统的减震降噪及结构优化提供理论基础。     

以振动最小为目标的汽车变速箱齿轮动态优化设计

提出将一对相互啮合的渐开线圆柱斜齿轮简化为双质块双弹簧振动模型的解题思路.根据这一振动模型,推导了齿轮副的平均单齿刚度、单对轮齿啮合综合刚度、有效质量、固有频率与临界转速等一系列计算公式.以振动最小为优化目标函数,对汽车变速箱的高速级斜齿轮传动进行动态优化设计,得到满足实际需要的最优化参数.     

多齿根裂纹对齿轮传动时变啮合刚度的影响

时变啮合刚度是影响齿轮传动振动特性的重要参数,常用于基于振动的齿轮传动裂纹诊断。为深入研究齿轮裂纹诊断问题,旨在研究齿根裂纹对齿轮传动装置时变啮合刚度的影响。首先,基于齿轮所受转矩和啮合齿轮转角变形量,推导出齿轮传动装置的时变啮合刚度理论模型。然后,以渐开线标准直齿圆柱齿轮为对象,建立含齿根裂纹齿轮传动副有限元模型,提出基于有限元方法的齿轮传动时变啮合刚度计算方法。最后,通过数值算例讨论了一个啮合周期内齿根裂纹对单对轮齿啮合和两对轮齿啮合时啮合刚度的影响。结果表明,两对轮齿啮合时,双裂纹参与啮合不仅降低啮合刚度,而且远大于单裂纹对啮合刚度的影响;与单裂纹参与啮合相比,随着双裂纹的裂纹深度增加,啮合刚度的下降率增大;增加裂纹深度时,两对轮齿啮合时啮合刚度峰值与单裂纹单对齿啮合时啮合刚度峰值的差距缩小;组合裂纹参数下两对轮齿啮合时,因为轮齿参与啮合顺序不同,裂纹深度对齿轮啮合刚度的影响明显不同。研究结论可为基于振动特性的含多裂纹的齿轮传动裂纹诊断提供理论支撑。     

齿轮传动系统随机振动模型与仿真

除考虑齿轮的齿侧间隙、时变啮合刚度、综合啮合误差和轴承纵向响应外,还考虑了由扭矩波动引起的低频外激励和齿轮阻尼比、齿侧间隙、激励频率、啮合刚度的随机扰动,根据牛顿定律建立了单对三自由度直齿齿轮传动系统的动力学方程.利用系统的分岔图、相图、时间历程图、Poincaré映射图、李雅普诺夫指数和功率谱图分析了齿轮传动系统在齿轮时变啮合刚度变化下的动力学特性,以及啮合刚度的随机扰动对系统动力学的影响.数值仿真表明,随着齿轮时变啮合刚度的增大,齿轮传动系统从周期运动通过倍化分岔通向混沌运动;在啮合刚度的随机扰动不是很大时,系统解的周期结构不会发生大的变化.     

Analysis of Helical Gear System Dynamic Response Based on Fuzzy Numbers

A non-linear dynamic model with the single degree of freedom of a helical gear pair introducing fuzzy numbers is developed. In this proposed model, time-variant mesh stiffness, which is a non-linear parameter, mesh damping and composite error of a pair of meshing tooth of the gear pair are all included. Mesh stiffness is calculated by expressing Bθ (τ) as a Fourier series. Π shape function is introduced as the membership function to characterize the fuzziness of the error. Fuzzy displacement dynamic response of the geared system at λ- level, which is a closed interval, is obtained by removing the fuzziness of the fuzzy differential equations and using Runge-Kutta numerical method. In fact, the fuzzy dynamic response and dynamic loading factor are all the interval functions related λ. The result obtained here can be used to the fuzzy dynamic optimization design course of the helical gear system. The main advantage of this method is to introduce the concept of fuzzy number for the first time to the a     

考虑齿顶修缘的斜齿轮传动振动响应分析

渐开线斜齿轮进行适当修形后,可以有效地改善其啮合性能,降低噪音和延长齿轮的使用寿命。利用建立未修缘以及含不同齿廓修缘量的斜齿轮有限元模型,通过轮齿承载接触分析得到不同修缘量斜齿轮的静态传递误差和啮合刚度;在考虑齿顶修缘影响的基础上,建立了具有12个自由度的平行轴系斜齿轮转子系统动力学模型,将得到的时变啮合刚度应用于系统动力学模型中,研究不同修缘量对斜齿轮传动振动响应的影响规律。研究结果表明:在一定范围内,随着修缘量的增加,斜齿轮系统的径向振动和啮合力幅值明显降低,但当修缘量达到21μm后其幅值有增大趋势。研究结果对确定斜齿轮的最优修形量和分析修形斜齿轮的振动特性具有重要意义。     

双圆弧齿廓弧齿锥齿轮的啮合重迭系数

本文通过分析双圆弧齿廓弧齿锥齿轮的产形面接触弧上点的啮合过程,推导了该齿轮副的啮合重迭系数的计算公式,还提出了双点啮合相对啮合度的概念及其计算公式,从而可以方便地求得这种齿轮同时啮合的齿数及接触点数。     

变载荷下风力发电机行星齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学特性

根据风力发电机传动系统在随机风场中复杂变工况的工作特点,建立了最小二乘支持向量机风场随机风速模型,获得了由随机风速引起的时变风载荷。采用集中质量参数法建立了风力发电机行星齿轮传动系统中齿轮滚动轴承耦合动力学模型,考虑了风力发电机行星齿轮传动的变风载输入、齿轮时变啮合刚度和滚动轴承时变刚度等影响因素,对变风速下1.5 MW半直驱风力发电机行星齿轮传动系统的动力学特性进行了仿真计算分析,求得了变风速下行星齿轮传动系统的振动位移、各齿轮副的动态啮合力和非线性动态轴承力,为风力发电机传动系统的动态性能优化和可靠性设计奠定了基础。     

时变啮合刚度对转子—轴承系统动力特性的影响

在考虑齿轮时变啮合刚度的情况下,建立了齿轮耦合的转子－轴承系统的非线性动力学模型,用数值仿真法研究系统的稳态不平衡响应时发现,由于齿轮时变啮合刚度的影响。在系统响应中,不但会出现对应于啮合频率的响应分量,而且在某种条件下,该分量甚至超过基频分量;一个转子上的不平衡质量不仅会对本身产生激励,而且也会对其它转子产生激励。     

齿轮传动齿面动载荷的数值求解

以普通渐开线齿轮为研究对象,考虑沿啮合线变化的啮合刚度及齿轮副相对阻尼,利用数值法求解齿轮振动微分方程,得到一个啮合周期内齿轮振动位移、速度的离散值,根据齿轮载荷力学模型求取了齿轮传动齿面动载荷随啮合时间的变化规律。并与求解齿轮振动微分方程时将时变啮合刚度采用Fourier变换求得的齿轮各动态响应进行比较,分析两种方法所得结果的差异。     

Dynamic characteristics of the planetary gear train excited by time-varying meshing stiffness in the wind turbine

Wind power has attracted increasing attention as a renewable and clean energy. Gear fault frequently occurs under extreme environment and complex loads. The time-varying meshing stiffness is one of the main excitations. This study proposes a 5 degree-of-freedom torsional vibration model for the planetary gear system. The influence of some parameters (e.g., contact ratio and phase difference) is discussed under different conditions of a single teeth pair and double pairs of teeth. The impact load caused by the teeth face fault, ramped load induced by the complex wind conditions, and the harmonic excitation are investigated. The analysis of the time-varying meshing stiffness and the dynamic meshing force shows that the dynamic design under different loads can be made to avoid resonance, can provide the basis for the gear fault location of a wind turbine, and distinguish the fault characteristics from the vibration signals.