齿轮传动形式作为常见的机械设备动力和运动传递形式,广泛应用于金属切削机床、电力系统、农业机械、运输机械、冶金机械等工业设备中起到关键作用。齿轮机构具有传动比稳定、传动效率高、使用寿命长以及结构紧凑等优点,能够在不同的工业环境下完成动力和运动传递任务。然而,齿轮传动系统长期工作在高温、灰尘、高速重载等恶劣环境下,同时其本身结构较复杂,导致齿轮箱易出现故障,这将造成巨大的经济损失。在故障未发生或早期故障时,利用状态监测方法对齿轮箱进行故障诊断并采取相应措施,保证设备的正常运行具有重要的实际意义。目前,采用广域信号的诊断方法是机械故障诊断的主要方法之一,所谓:广域信号的诊断方法就是利用安装在箱体轴承座上的振动传感器来观测箱体内部传动关键零件的运行状态。但是,基于广域振动信号诊断方法的成功率不高,尤其是早期多类故障同时发生时的情况。究其原因,其核心问题是对传动关键零件多种故障同时发生时,因故障间相互耦合影响,导致系统动态特性变化的规律未解明和掌握。要从根本上解决关键传动设备中齿轮与轴的高可靠性、高可维护性和长寿命等核心技术问题,就必须解决齿轮与轴的刚度激励及位移激励耦合机理问题、轴裂纹和齿轮故障耦合影响下系统的动态特性分析问题,只有这样才能真正解决关键传动设备故障预示与诊断问题。本文为提高基于广域振动信号诊断方法的成功率,针对轴裂纹与齿轮故障同时发生时,多种故障耦合影响的机理未解明和掌握的现状,建立轴裂纹动力学模型,齿根裂纹动力学模型,齿面剥落动力学模型,并将上述故障模型耦合作为刚度位移耦合激励输入直齿轮系平移-扭转耦合型振动分析模型中,分析轴裂纹与齿轮故障耦合影响下系统的动态特性,据此为解决关键传动设备故障预示与诊断问题提供理论支撑和方法指导。本文主要开展了以下研究:(1)根据能量法,建立了轮齿啮合刚度激励模型;根据几何关系分析,轮齿误差激励模型。根据所要研究的轴裂纹与齿轮故障影响下系统的动态特性问题建立了直齿轮系平移-扭转耦合动力学模型。包括:轮齿刚度激励建模,轮齿误差激励建模,直齿轮系动力学模型等方面的研究内容;(2)考虑受载荷时轴裂纹的“呼吸式”特性,提出裂纹截面惯性矩分析的方法,考虑轴裂纹引起的轴涡动导致的轮齿啮合状态的变化,提出接触线长度方向投影分析的方法,建立轴裂纹动力学模型,得到轴裂纹影响下系统的动态特性。包括:支承刚度随转动角度的变化规律,齿轮接触线偏移计算,轴裂纹影响下系统动态特性分析等方面的研究内容;(3)考虑齿根裂纹、齿面剥落对截面惯性矩与截面面积的影响,提出基于能量法的故障轮齿啮合刚度计算方法,分别建立齿根裂纹动力学模型与齿面剥落动力学模型,得到齿轮故障影响下系统的动态特性。包括:含裂纹轮齿啮合刚度建模、含剥落轮齿啮合刚度建模、齿轮故障影响下系统动态特性分析等方面研究内容;(4)考虑轴裂纹导致的支承刚度与传递误差变化将会和齿轮故障导致的轮齿啮合刚度变化耦合,提出故障相位耦合方法,建立轴裂纹与齿轮故障耦合动力学模型,得到轴裂纹与齿轮故障耦合影响下系统的动态特性。包括:轴裂纹与齿轮故障相位关系分析、轴裂纹与齿轮故障耦合影响下系统动态特性分析等方面研究内容;(5)根据理论模型的建立方式,设计验证实验方案,通过实验获得轴裂纹与齿轮故障同时存在时传动系统的故障信号,通过对实验信号与理论结果的对比,验证理论模型的可靠性。