面齿轮副的典型故障振动分析.pdf

机械制造严伟等面齿轮副的典型故障振动分析第一作者简介:严伟()男山西临汾人硕士研究生研究方向为机械结构的故障机理以及故障诊断等.:./.面齿轮副的典型故障振动分析严伟王体春靳广虎(南京航空航天大学 直升机传动技术实验室江苏 南京)摘 要:目前国内外对齿轮以及轴承的故障动力学研究已经很完善但两者复合的故障动力学研究还不够深入 将面齿轮副与滚动轴承的动力学耦合到一起建立齿轮轴承耦合动力学模型通过实验研究获得了模型在单一以及复合故障下的时域以及频域响应规律为齿轮传动故障诊断提供理论依据关键词:面齿轮齿轮磨损轴承故障动力学振动分析中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():.:引言面齿轮具有体积小、质量轻、重合度大、传动平稳等众多优点在直升机主减速器中应用广泛 直升机的主减速器常常工作在变工况、超速和过载等恶劣工况下导致其不可避免地发生故障 如齿根部有较大的应力集中极易出现裂纹故障产生的冲击载荷会导致其他正常部件在这种冲击载荷长时间的作用下产生局部故障如轴承滚道磨损形成复合故障 因此为了保障直升机主减速器安全、可靠地运行需要建立面齿轮副轴承耦合动力学研究齿轮故障与轴承复合故障对传动系统的影响针对齿轮轴承动力学的动态特性国内外学者进行了诸多研究 等建立了一级齿轮轴承系统动力学模型分析了齿轮与轴承之间产生的相互作用 等建立了 自由度的齿轮轴承动力学模型参考了时变啮合刚度、非线性轴承支撑力和齿轮偏心等因素研究了齿轮偏心和转速对系统动态特性的影响分析了齿轮振动与轴承振动之间的作用关系 李明等综述了齿轮轴承系统动力学研究的发展状况并进行了评述和展望杨洋等分析了不同计算方法得到的轴承支撑刚度之间的差别进一步研究了支撑刚度对系统振动响应的影响 赵振兴建立了 自由度的齿轮轴承动力学模型通过时频域分析了齿轮裂纹以及轴承局部故障对轴承外圈竖直方向速度的影响综上所述国内外学者针对齿轮轴承动力学模型进行广泛研究 虽然对齿轮传动系统故障也开展了相关研究但只局限于齿轮故障和转子故障滚动轴承故障及其与齿轮的复合故障考虑较少 因此为了齿轮传动系统故障特征的精确识别有必要对传动系统的单一故障和复合故障的动态特性进行研究 面齿轮轴承的耦合动力学模型以单级面齿轮副为研究对象假设齿轮、轴承为线性弹性体传动轴为刚性轴不存在弯曲扭转变形忽略轮齿之间的摩擦力并将轴承内圈与轴、齿轮看做一个整体通过部件之间的位移和速度传递将面齿轮副和滚动轴承链接 采用集中质量法建立了如图 所示的动力学模型LTD,TDxyzF1xF1yF2yF2zF2xcmkm图 面齿轮与轴承的耦合动力学模型机械制造严伟等面齿轮副的典型故障振动分析图 中小齿轮为直齿轮大齿轮为面齿轮 以竖直方向为 轴、大齿轮轴线方向为 轴、小齿轮轴线方向为 轴建立坐标系 面齿轮副传动系统的位移向量可表示为()式中:表示直齿轮在 和 轴方向上的振动位移表示面齿轮在 和 轴方向上的振动位移表示直齿轮绕 轴转动的振动位移表示大齿轮绕 轴转动的振动位移表示直齿轮在 和 轴方向上的振动位移表示直齿轮在 和 轴方向上的振动位移在啮合时由于制造装配误差及振动源的存在会导致在啮合点法向方向产生一个相对位移量()()()式中:表示压力角和 表示啮合半径面齿轮对在轮齿啮合过程中齿面之间会产生动态的法向啮合力将该啮合力分解可以分解为 和 即圆周力和径向力()式中、为啮合刚度和啮合阻尼根据机械振动基本原理可得面齿轮传动系统在各个方向上的振动微分方程主动轮支撑处振动微分方程:()从动轮支撑处振动微分方程:()式中:()表示直齿轮、面齿轮的质量()表示直齿轮和面齿轮的转动惯量()表示直齿轮、面齿轮的扭转阻尼()表示直齿轮、面齿轮的扭转刚度表示输入力矩表示大齿轮的输出力矩、表示主动轮处轴承支撑力、为从动轮处轴承支撑力因为面齿轮 方向不受力故为、为轴承外圈的支撑刚度和阻尼 和 分别表示滚动体和滚道在水平方向和垂直方向上的非线性赫兹接触力计算公式如下:()()()式中:为滚动体与滚道接触刚度 为滚动体序号为滚动体个数球轴承时 取/滚子轴承时 取/的表达式为其他()为滚动体方位角表达式为()()式中:为滚动体直径为轴承节圆直径为轴承转速为保持架初始位置 为时间为接触变形表达式为()()()式中:为轴承径向间隙为轴承局部故障引起的附加位移、为轴承外点蚀与内点蚀引起的附加位移(图)cdocdiUBUD%;UCUD%;图 轴承局部故障示意图 传动系统的动态特性分析针对上节的动力学模型输入转矩为 转速为/采用四阶 法求解系统的振动响应 表 所示为传动系统的相关参数表 传动系统参数参数数值参数数值大齿轮齿数 内滚道直径/小齿轮齿数 外滚道直径/模数/节圆直径/.齿宽/球直径/.弹性模量/滚珠数目 泊松比.弹性模量/转速/(/)泊松比.压力角/()径向游隙/.假设直齿轮中一个齿发生磨损面齿轮为正常齿轮根据表 中的齿轮参数并根据文献中的齿轮磨损模型可得如图 所示的齿轮时变啮合刚度.hNNffKT/N图 齿轮时变啮合刚度机械制造严伟等面齿轮副的典型故障振动分析.单一故障下传动系统动态特性分析图 和图 为传动系统在齿面磨损、轴承内圈和外圈点蚀单一故障作用下主动轮在 方向上速度响应时域图以及频域图xyxyxyxyE N TE N TE N TE N TKTKTKTKTUBU TDUCUTL.UDUD%;UEUD%;图 直齿轮在 轴上的速度响应时域图 图 中正常情况下齿轮的运行处于平稳状态齿面出现磨损故障时直齿轮振动的速度响应出现了非常明显的冲击信号冲击信号时间间隔为.对应频率 为齿轮磨损故障频率当轴承内圈点蚀故障时冲击信号时间最短间隔为.对应频率.当轴承外圈点蚀故障时冲击信号在整个信号中一直存在且幅值呈现周期性的变化冲击信号时间最短间隔为.对应轴承外圈故障频率.xyxyxyxyxyxy N T N T N T N T ffffM()M()M()M()UBU TDUCUTL.UDUD%;UEUD%;图 单一故障下齿轮振动加速度频域图 图 中正常情况下主要频率成分是齿轮的啮合频率()及其倍频()当齿面磨损时 与图()相比其边频带幅值增大边频带由齿轮磨损故障频率()及其倍频组成当轴承内圈点蚀时图中 及其倍频幅值增加与图 中.相近当轴承外圈点蚀时图中 及其倍频幅值增加与图 中.相近机械制造严伟等面齿轮副的典型故障振动分析.复合故障下传动系统动态特性分析图 是齿面磨损与轴承内圈点蚀故障复合作用之下主动轮在 方向上的速度时域以及频域图 通过与图、图 相对比可以发现速度时域图中冲击信号包含了轴承内圈点蚀故障和齿面磨损的时域故障特征 图()中主要频率成分是齿轮的啮合频率()、轴承内圈故障频率 和倍频以及转频N TxyEN TKTM()BCMf图 磨损与内圈点蚀复合故障图 是轴承外圈点蚀故障与齿面磨损时主动轮在 方向上速度时域图以及频域图 通过对比可以发现在时域图中冲击信号为轴承外圈点蚀故障和齿面磨损引起的冲击信号的叠加 频域图不仅包含有轴承外圈点蚀的故障频率 及其倍频还有边频带的成分E N TUBUKTxy N T fM()UCUM图 磨损与外圈点蚀复合故障动态响应 结语)传动系统受齿面磨损故障时主动轮速度有周期性的波动其频率为齿轮磨损故障频率频域图中其边频带幅值增大 轴承内圈点蚀故障时主动轮速度同样有周期性波动且一个周期内有多次波动其频率为轴承内圈故障频率频域图中出现了故障频率 轴承外圈点蚀故障时速度波动及其幅值都呈现周期性的变化其频率为轴承外圈故障频率频域图中外圈点蚀的特征频率幅值增大)传动系统受齿轮和轴承复合故障影响时主动轮速度波动更加复杂包含了轴承和齿轮单一故障时的影响特征 频域图中轴承故障频率以及边频幅值都有明显增加参考文献:徐连香徐兵孙影等.汽车变速箱常见故障及分析.机械制造与自动化():.():.:.李明孙涛胡海岩.齿轮传动转子轴承系统动力学的研究进展.振动工程学报():.杨洋魏静孙伟.齿轮轴承转子系统支撑刚度特性研究.机械设计与制造():.赵振兴.齿轮传动系统典型故障振动特性研究.兰州:兰州理工大学.冯松毛军红谢友柏.齿面磨损对齿轮啮合刚度影响的计算与分析.机械工程学报():.收稿日期: