基於動力學特性的多級行星齒輪傳動系統故障機理研究

《基於動力學特性的多級行星齒輪傳動系統故障機理研究》是依託昆明理工大學，由肖正明擔任項目負責人的地區科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於動力學特性的多級行星齒輪傳動系統故障機理研究
• 項目類別：地區科學基金項目
• 項目負責人：肖正明
• 依託單位：昆明理工大學

項目摘要

多級行星齒輪傳動具有結構緊湊、傳動比大、功率密度高等優點，在能源裝備、盾構機、直升機、車輛傳動等領域有廣泛套用需求。本項目針對多級行星齒輪箱可靠性較低、故障機理不明等影響其工程套用的難點問題，運用集中參數法建立多級行星齒輪-轉子-軸承耦合動力學模型，分析傳動系統固有特性以及時變剛度、輪齒間隙、傳動誤差、變工況載荷等多源激勵下的動態回響，基於有限元和動態子結構方法計算傳動系統激勵下的齒輪箱振動回響,揭示動態參數對系統振動的影響規律；分析行星輪系典型故障對動態參數的影響，建立含裂紋、斷齒、剝落等故障的多級行星齒輪系統非線性動力學模型，基於分岔理論研究齒輪故障與系統振動回響的映射關係；結合理論研究，開展多級行星齒輪箱台架試驗，從動力學角度闡明多級行星齒輪故障機理。本項目前期針對三級行星齒輪扭轉動力學已取得一定的研究進展，進一步研究將為多級行星齒輪裝置的可靠性設計與故障診斷提供理論依據和技術支持。

結題摘要

本項目針對複雜行星齒輪系統振動問題突出及故障率較高的工程背景，基於齒輪嚙合理論、Lagrange方程和有限元等方法，構建行星架隨動坐標系，提出有效的多級行星齒輪傳動系統動力學建模方法。開展了系統固有特性分析，考慮內外部激勵因素預測了系統動態回響，研究了傳動系統參數對系統振動回響的影響。 仿真分析了不同程度裂紋及斷齒故障對齒輪時變嚙合剛度的影響，建立了含故障的行星齒輪傳動系統動力學模型，獲得了故障齒輪模型的動力學回響。以背靠背形式搭建了75kW行星齒輪系統綜合試驗台，開展了正常與含齒根裂紋故障的行星齒輪系統動力學實驗，獲得了正常與故障齒輪箱的振動信號，對正常與故障齒輪振動的信號進行時域與頻域的分析，對比理論仿真與實驗的回響結果，驗證了仿真模型的可行性及準確性。基於齒側間隙、齒面摩擦力、時變嚙合剛度、級間耦合等因素，建立了多級行星齒輪傳動系統非線性動力學方程，獲取了傳動系統在激勵頻率作用下，分岔通往混沌道路的非線性振動特性，綜合運用相圖和Poincare截面對系統的混沌問題進行了闡述。 綜合考慮了齒輪嚙合剛度、誤差激勵和振動傳遞路徑的影響，分析了裂紋故障在系統振動回響中的故障特徵，研究了行星齒輪系統在正常情況和含齒根裂紋故障時的頻譜譜線分布特徵，並通過試驗信號驗證了理論推導結果。基於參數最佳化Morlet小波的包絡解調分析方法在行星齒輪系統故障特徵分析的套用，利用小波熵最佳化得到小波的形狀參數，實現母小波與信號故障特徵的最佳匹配，利用小波係數峭度來最佳化小波的中心頻率，確定最優的解調頻帶。根據最佳化的參數對齒輪振動信號進行包絡解調分析，提出了有效的行星齒輪系統的故障特徵提取方法。綜合仿真和試驗結果，探索了齒輪故障與系統振動回響的映射關係，從動力學角度初步闡明了多級行星齒輪的故障機理。研究工作及相關成果可為複雜齒輪傳動系統的可靠性設計與故障診斷提供理論依據和技術支撐。