本文關(guān)鍵詞：復(fù)合行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)損傷建模與故障診斷技術(shù)研究

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【摘要】：行星齒輪式變速箱是車輛、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、直升機(jī)、工程機(jī)械等大型復(fù)雜機(jī)械裝備傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。惡劣多變的工作環(huán)境通常導(dǎo)致其核心傳動(dòng)部件的損傷狀況復(fù)雜多樣。故障機(jī)理不明確是導(dǎo)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(dòng)力學(xué)分析是揭示其故障機(jī)理的關(guān)鍵。通過(guò)建立考慮關(guān)鍵部件損傷程度的故障行星輪系動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)其在損傷激勵(lì)下的振動(dòng)特性進(jìn)行準(zhǔn)確分析,在此基礎(chǔ)上揭示行星輪系故障產(chǎn)生及演化機(jī)理,可以為行星齒輪式變速箱早期故障診斷提供有效的支撐,具有重要的理論意義及工程價(jià)值。復(fù)合行星輪系在變速箱中廣泛應(yīng)用,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,非線性因素豐富,在損傷激勵(lì)作用下,其動(dòng)力學(xué)建模本身具有復(fù)雜性。并且,鑒于復(fù)合行星輪系自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),現(xiàn)有的簡(jiǎn)單行星輪系故障診斷理論無(wú)法有效地指導(dǎo)復(fù)合行星輪系的故障診斷。因此,本課題在國(guó)家863計(jì)劃—工程機(jī)械回收產(chǎn)品逆向物流技術(shù)集成與應(yīng)用研究的資助下,以工程機(jī)械變速箱的核心傳動(dòng)部件—復(fù)合兩級(jí)行星輪系為研究對(duì)象,開展了損傷建模及故障診斷技術(shù)的研究工作。論文的主要工作包括以下幾個(gè)方面:(1)基于動(dòng)力學(xué)理論,系統(tǒng)性的研究了復(fù)合兩級(jí)行星輪系的建模方法�；诙囿w動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)動(dòng)學(xué)特性及嚙合特性進(jìn)行了分析。基于集中參數(shù)動(dòng)力學(xué)理論,建立了系統(tǒng)平移—扭轉(zhuǎn)耦合動(dòng)力學(xué)模型,模型中考慮阻尼、支撐、時(shí)變嚙合剛度、齒側(cè)間隙、綜合傳動(dòng)誤差及嚙合相位等非線性因素。根據(jù)各構(gòu)件間相對(duì)位移分析,推導(dǎo)出系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)矩陣微分方程,為復(fù)合行星輪系動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。(2)基于復(fù)合行星輪系集中參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)模型中的非線性因素進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述,將損傷激勵(lì)引入到模型中,建立了故障復(fù)合行星輪系動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)復(fù)合行星輪系的固有特性進(jìn)行了分析。重點(diǎn)對(duì)模型中的時(shí)變嚙合剛度及其嚙合相位關(guān)系進(jìn)行了分析。首先將輪齒簡(jiǎn)化為齒根圓上的懸臂梁結(jié)構(gòu),根據(jù)能量法,建立了正常輪齒時(shí)變嚙合剛度模型。然后通過(guò)對(duì)典型損傷模式的簡(jiǎn)化,建立了損傷參數(shù)與時(shí)變嚙合剛度之間的量化關(guān)系,將這一量化關(guān)系與集中參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合,從而建立了故障復(fù)合行星輪系動(dòng)力學(xué)模型,該模型用于獲取復(fù)合行星輪系的故障響應(yīng)。進(jìn)一步通過(guò)嚙合機(jī)理分析,對(duì)各嚙合副的嚙合相位關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo),得到了考慮嚙合相位情況下的系統(tǒng)時(shí)變嚙合剛度。最后,通過(guò)求解系統(tǒng)自由振動(dòng)微分方程,研究了復(fù)合行星輪系固有特性,對(duì)時(shí)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(jìn)行了分析。區(qū)別于將嚙合剛度及其相位關(guān)系簡(jiǎn)化的模型,上述模型能更詳細(xì)地反映復(fù)合行星輪系的動(dòng)力學(xué)特性。(3)針對(duì)雙排行星輪系的故障診斷問(wèn)題,研究了典型損傷的建模方法,通過(guò)模型仿真,分析了典型損傷情況下行星輪的振動(dòng)響應(yīng)特性,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)行星輪的嚙合特性,首先對(duì)行星輪損傷輪齒進(jìn)入嚙合的時(shí)間間隔及周期進(jìn)行了推導(dǎo)。進(jìn)一步分析了典型行星輪損傷對(duì)系統(tǒng)時(shí)變嚙合剛度的影響。通過(guò)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(dòng)響應(yīng),并提取了振動(dòng)信號(hào)中的行星輪損傷信息。搭建了工程機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái),開展了行星輪損傷植入試驗(yàn),通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試信號(hào),提取了行星輪的實(shí)際故障特征。試驗(yàn)驗(yàn)證表明,故障復(fù)合行星輪系動(dòng)力學(xué)模型可以有效地表征行星輪損傷對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響,為工程應(yīng)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(duì)多級(jí)行星輪系的故障診斷問(wèn)題,研究了典型損傷的建模方法,通過(guò)模型仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證,分析了不同級(jí)太陽(yáng)輪典型損傷情況下的振動(dòng)響應(yīng)特性。建立了齒頂局部剝落齒輪時(shí)變嚙合剛度模型,推導(dǎo)了齒頂局部剝落損傷情況下的時(shí)變嚙合剛度算法,分析了不同級(jí)太陽(yáng)輪單齒及多齒損傷對(duì)系統(tǒng)時(shí)變嚙合剛度的影響�；谀Ｐ头抡婕霸囼�(yàn)分析,獲取了含太陽(yáng)輪損傷信息的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào),對(duì)不同級(jí)太陽(yáng)輪單齒及多齒損傷情況下的振動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行了分析及驗(yàn)證,為工程應(yīng)用多級(jí)行星輪系故障診斷提供了理論依據(jù)。(5)針對(duì)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(wèn)題,建立了裂紋損傷模型并研究了太陽(yáng)輪齒根裂紋擴(kuò)展對(duì)行星輪系非線性振動(dòng)特性的影響。建立了裂紋輪齒時(shí)變嚙合剛度模型,推導(dǎo)了裂紋輪齒時(shí)變嚙合剛度算法,建立了不同裂紋程度與時(shí)變嚙合剛度之間的量化關(guān)系。通過(guò)系統(tǒng)固有特性分析,研究了裂紋擴(kuò)展對(duì)固有頻率的影響。通過(guò)模型數(shù)值仿真獲取了含裂紋擴(kuò)展信息的系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào),綜合運(yùn)用時(shí)間歷程、相軌跡、Poincare映射圖及階次譜方法分析了裂紋擴(kuò)展對(duì)系統(tǒng)非線性振動(dòng)響應(yīng)的影響,提取了早期裂紋對(duì)應(yīng)的損傷特征,為齒根疲勞裂紋的早期診斷提供了方法依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH132.41

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本文編號(hào)：1297330