齿距误差与剥落故障耦合的直齿轮动力学建模与响应分析

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齿轮系统具有传递损失少、速比范围大、功率密度大、工作性能稳定等优点,是机械装备不可或缺的重要部件。齿轮系统的工作环境复杂、运行工况恶劣,容易发生如点蚀、胶合、断齿等故障,造成齿轮系统的失效与破坏。监测齿轮系统的动态响应,识别与诊断齿轮系统早期故障,是预防齿轮系统失效的关键。然而,齿轮系统的制造安装误差会干扰早期故障动态响应特征,不利于齿轮系统的早期故障诊断。因此研究针对齿轮系统的制造安装误差对早期齿轮系统故障的动态响应特征的影响规律,对于早期齿轮系统故障的诊断具有很高的学术性价值与工程性意义。齿距误差是一种制造过程中产生的误差,齿面剥落故障是一种典型的轮齿故障。齿距误差一方面会造成齿轮受载不均,使齿面剥落故障加剧;另一方面会干扰早期剥落故障动态响应特征,阻碍齿轮系统的早期剥落故障诊断。目前剥落故障振动特征的研究对于齿距误差的影响的考虑尚有不足,本文针对齿距误差对齿面剥落故障动态响应特征影响变化不清的问题,在齿距误差啮合刚度激励、剥落故障啮合刚度激励和故障耦合齿轮动力学建模等方面展开了研究,分析了齿距误差和剥落故障耦合作用下齿轮系统的动态响应特性。论文主要的研究工作包括:(1)针对齿距误差对齿轮啮合刚度激励的随机性分布问题,提出考虑齿距误差的齿轮啮合刚度迭代模型和齿距误差的啮合刚度激励计算方法。分析齿距误差对空载静态传递误差的几何映射,基于空载静态传递误差与轮齿变形的几何协调关系,考虑齿间载荷分配变化对轮齿赫兹接触刚度的影响,计算不同参数的单齿齿距误差和多齿齿距误差的齿轮啮合刚度,获得齿距误差对齿轮啮合刚度的影响规律。(2)为了明晰齿轮系统早期剥落故障动态响应特征,提出考虑齿距误差的齿轮耦合动力学模型和剥落故障的啮合刚度激励计算方法。考虑剥落故障对轮齿啮合刚度及轮齿变形的作用,对比分析剥落故障尺寸对齿轮啮合刚度激励及齿轮系统动态响应的影响关系,获取早期剥落故障齿轮系统动态响应特征。(3)针对齿距误差对齿轮系统早期剥落故障动态响应特征影响机理不清的问题,考虑齿轮精度对齿距误差的分布关系的影响,耦合齿距误差和剥落故障对轮齿啮合刚度激励作用,通过动力学数值求解,获得齿轮系统早期剥落故障动态响应特征受齿距误差的干扰特性。(4)通过仿真与实验相互对比来分析正常齿轮系统和剥落齿轮系统在不同工况下动态传递误差。将实验参数与工况数据输入本文所提出的动力学模型,对比分析实验数据与仿真结果之间的差异,验证本文所提出的动力学模型的准确性。
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