齿轮传动系统是机械设备动力和运动传递的重要组件,包括电机、传动轴、齿轮、负载等,整体结构比较复杂,大多在恶劣的环境下工作,而且运行工况多为高速重载,因此很容易出现故障。齿轮系统故障将直接影响机械设备的正常运行,并导致加工精度出现误差,生产效率明显降低,甚至造成更严重的后果。齿根裂纹扩展导致的轮齿失效是最常见的故障之一,对齿轮裂纹的扩展行为进行检测,探究齿轮裂纹扩展与齿轮动力学特性的关系,对齿轮箱的状态监控和故障诊断具有重要意义。本文以两级渐开线直齿圆柱齿轮为研究对象,通过建立适当的数学模型,计算齿轮动力学响应的数值解,根据故障齿轮所反映的振动信号特征探究齿轮系统动力学特性,为建立齿轮箱故障诊断及检测的算法提供理论支持。具体研究内容如下:首先,分析齿轮系统结构及传动特点,基于集中参数法建立齿轮传动系统平移扭转耦合模型,并根据齿轮啮合特性及时变啮合刚度激励推导齿轮系统的动力学微分方程。其次,根据齿轮系统特性计算微分方程求解所需参数。采用势能法求解齿轮系统时变啮合刚度;并且在健康齿轮齿根预置裂纹,求解故障齿轮对应的时变啮合刚度,分析齿根裂纹扩展对系统刚度的影响,并利用数值法进行计算。接着,将所求得的参数代入齿轮系统动力学方程中,求解齿轮系统动力学响应。为齿轮系统设置不同工况,探究负载和转速对齿轮动力学特性的影响。并对含不同长度裂纹的齿轮系统求解,探讨齿轮动力学响应与齿根裂纹长度之间的关系。将齿轮预设了点蚀和磨损两种典型故障,求解了两种故障下的动力学响应,并与裂纹故障导致系统响应的变化进行对比。最后,对齿轮动力学响应进行频谱分析。对比不同程度裂纹的齿轮系统振动信号频谱特点,探讨裂纹对齿轮振动信号幅值和频率成分的影响。对比含不同故障形式齿轮系统的振动信号,分析异常信号特征,为齿轮运行状态诊断提供理论支持。