復合行星齒輪傳動系統(tǒng)損傷建模與故障診斷技術研究.pdf

1、行星齒輪式變速箱是車輛、風力發(fā)電機組、直升機、工程機械等大型復雜機械裝備傳動系統(tǒng)的關鍵組成部分。惡劣多變的工作環(huán)境通常導致其核心傳動部件的損傷狀況復雜多樣。故障機理不明確是導致行星齒輪式變速箱早期故障診斷困難的主要原因之一，其中故障行星輪系的動力學分析是揭示其故障機理的關鍵。通過建立考慮關鍵部件損傷程度的故障行星輪系動力學模型，對其在損傷激勵下的振動特性進行準確分析，在此基礎上揭示行星輪系故障產(chǎn)生及演化機理，可以為行星齒輪式變速箱早期故

2、障診斷提供有效的支撐，具有重要的理論意義及工程價值。
　　復合行星輪系在變速箱中廣泛應用，其內(nèi)部結構復雜，非線性因素豐富，在損傷激勵作用下，其動力學建模本身具有復雜性。并且，鑒于復合行星輪系自身的結構特點，現(xiàn)有的簡單行星輪系故障診斷理論無法有效地指導復合行星輪系的故障診斷。因此，本課題在國家863計劃—工程機械回收產(chǎn)品逆向物流技術集成與應用研究的資助下，以工程機械變速箱的核心傳動部件—復合兩級行星輪系為研究對象，開展了損傷建模及故

3、障診斷技術的研究工作。論文的主要工作包括以下幾個方面:
　　(1)基于動力學理論，系統(tǒng)性的研究了復合兩級行星輪系的建模方法。
　　基于多體動力學模型，對系統(tǒng)的結構特性、運動學特性及嚙合特性進行了分析?；诩袇?shù)動力學理論，建立了系統(tǒng)平移—扭轉(zhuǎn)耦合動力學模型，模型中考慮阻尼、支撐、時變嚙合剛度、齒側(cè)間隙、綜合傳動誤差及嚙合相位等非線性因素。根據(jù)各構件間相對位移分析，推導出系統(tǒng)運動矩陣微分方程，為復合行星輪系動力學分析奠定了基

4、礎。
　　(2)基于復合行星輪系集中參數(shù)動力學模型，對模型中的非線性因素進行了數(shù)學描述，將損傷激勵引入到模型中，建立了故障復合行星輪系動力學模型，并對復合行星輪系的固有特性進行了分析。
　　重點對模型中的時變嚙合剛度及其嚙合相位關系進行了分析。首先將輪齒簡化為齒根圓上的懸臂梁結構，根據(jù)能量法，建立了正常輪齒時變嚙合剛度模型。然后通過對典型損傷模式的簡化，建立了損傷參數(shù)與時變嚙合剛度之間的量化關系，將這一量化關系與集中參數(shù)動力

5、學模型相結合，從而建立了故障復合行星輪系動力學模型，該模型用于獲取復合行星輪系的故障響應。進一步通過嚙合機理分析，對各嚙合副的嚙合相位關系進行了推導，得到了考慮嚙合相位情況下的系統(tǒng)時變嚙合剛度。最后，通過求解系統(tǒng)自由振動微分方程，研究了復合行星輪系固有特性，對時變嚙合剛度和嚙合相位綜合影響下固有頻率的模態(tài)躍遷現(xiàn)象進行了分析。區(qū)別于將嚙合剛度及其相位關系簡化的模型，上述模型能更詳細地反映復合行星輪系的動力學特性。
　　(3)針對雙排

6、行星輪系的故障診斷問題，研究了典型損傷的建模方法，通過模型仿真，分析了典型損傷情況下行星輪的振動響應特性，并進行了試驗驗證。
　　針對行星輪的嚙合特性，首先對行星輪損傷輪齒進入嚙合的時間間隔及周期進行了推導。進一步分析了典型行星輪損傷對系統(tǒng)時變嚙合剛度的影響。通過模型仿真獲取了正常及行星輪典型損傷情況下的系統(tǒng)振動響應，并提取了振動信號中的行星輪損傷信息。搭建了工程機械傳動系統(tǒng)測試試驗臺，開展了行星輪損傷植入試驗，通過分析現(xiàn)場測試信

7、號，提取了行星輪的實際故障特征。試驗驗證表明，故障復合行星輪系動力學模型可以有效地表征行星輪損傷對系統(tǒng)振動特性的影響，為工程應用中雙排行星輪系故障診斷提供了必要的理論依據(jù)。
　　(4)針對多級行星輪系的故障診斷問題，研究了典型損傷的建模方法，通過模型仿真及試驗驗證，分析了不同級太陽輪典型損傷情況下的振動響應特性。
　　建立了齒頂局部剝落齒輪時變嚙合剛度模型，推導了齒頂局部剝落損傷情況下的時變嚙合剛度算法，分析了不同級太陽輪單

8、齒及多齒損傷對系統(tǒng)時變嚙合剛度的影響。基于模型仿真及試驗分析，獲取了含太陽輪損傷信息的振動響應信號，對不同級太陽輪單齒及多齒損傷情況下的振動響應特性進行了分析及驗證，為工程應用多級行星輪系故障診斷提供了理論依據(jù)。
　　(5)針對行星輪系齒根疲勞裂紋損傷特征微弱難以表征及早期診斷困難的問題，建立了裂紋損傷模型并研究了太陽輪齒根裂紋擴展對行星輪系非線性振動特性的影響。
　　建立了裂紋輪齒時變嚙合剛度模型，推導了裂紋輪齒時變嚙合剛