[发明专利]一种考虑非均匀分布齿根裂纹故障的仿真方法

说明书

本发明公开了一种考虑非均匀分布齿根裂纹故障的仿真方法，包括：将齿轮沿齿宽方向分解为多个独立的切片齿，基于每个切片齿的动态响应建立切片齿动态传递误差计算公式，求解多个所述切片齿的时变啮合刚度；基于切片齿动态传递误差计算公式与时变啮合刚度计算切片齿时变啮合力并考虑每个切片齿啮合力相对齿轮质心产生的力矩，从而建立齿轮系统动力学方程；将当前待仿真齿轮系统参数代入齿轮系统动力学方程得到齿轮系统的动力学响应。本发明充分考虑沿齿宽方向非均匀裂纹对应的切片齿在啮合过程中产生的啮合力对于系统动力学的作用效应，相对于传统分析方法，本发明提出的分析方法能够更精确反映出在局部非均匀故障激励下齿轮传动系统的动力学特性。

技术领域

本发明涉及机械动力学技术领域，特别涉及一种考虑非均匀分布齿根裂纹故障的仿真方法。

背景技术

齿轮传动系统主要作用是传递动力和运动，因其具有传动比稳定、传递功率大、传动比稳定、承载能力高、使用寿命长等优点而被广泛运用于轨道交通、船舶、航天等各个领域的复杂机械装备中，是最常见的一种机械传动方式。齿轮在啮合过程中，由于参与啮合的齿对数呈现周期性交替变化的特性而使齿轮传动的综合啮合刚度呈现时变周期性。传递误差主要由制造误差、装配误差、齿廓缺陷和齿廓修形等齿轮几何参数，以及载荷作用下齿轮沿啮合线的弹性变形组成，齿轮的时变啮合刚度和传递误差是齿轮传动系统的两种主要激励。由于齿轮传动系统的复杂运行状态，以及受到传动系统内部动态激励与外部载荷激励的动态相互作用、过载、润滑不当、操作不当等其他因素的影响，齿轮齿根承受周期性的交变应力，容易产生疲劳损伤，引起局部裂纹的产生，严重影响齿轮传动系统的动态性能和服役寿命，同时齿轮裂纹的产生，会影响复杂机电装备运行的安全性与平稳性。因此，齿轮传动系统动力学的相关研究对保障机电装备运行性能及安全具有重大意义和工程应用价值。然而，现有的齿轮传动系统动力学模型对于非均匀齿根裂纹故障动力学仿真分析时，几乎都事先计算获得齿根裂纹的总体齿轮啮合刚度，然后将获得的时变啮合刚度曲线作为动态激励代入系统动力学模型进行求解分析。这些传统方法用于非均匀或非贯穿的齿根裂纹故障动力学分析时，忽略了非均匀齿根裂纹影响下沿齿宽方向的齿轮切片在啮合过程中会产生不同的动态传递误差、且采用总体齿轮啮合刚度未表征出单个切片齿沿齿宽方向啮合刚度，从而无法模拟出不均匀分布轮齿啮合力的真实动态响应、难以真实模拟出非均匀齿根裂纹分布引起的齿轮传动系统振动特征。

例如，申请号为2017106248080的中国专利，其公开了一种考虑基体刚度修正的剥落斜齿轮副的啮合特性分析方法，其通过势能法并引入有限元基体刚度修正系数来计算单片剥落直齿轮的时变啮合刚度，再求得每个切片齿的时变啮合刚度修正系数后，通过加权来得到齿轮整体刚度，从而得到更为准确的齿轮啮合力。该申请建立了切片齿模型，并采用有限元的方法求解得到了切片齿的时变啮合刚度，但其在得到了每个切片齿的时变啮合刚度后，是通过加权来得到齿轮整体刚度，而利用相应加权刚度直接计算加权啮合力计算整个齿轮的动力学方程，所得齿轮动力学方程与单个切片齿的动态响应并不明显，其也存在未考虑齿根裂纹影响下的切片齿的动态传递误差，无法准确模拟出不同深度裂纹对应的切片齿上的动态啮合力作用效应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中齿轮动力学方程与单个切片齿的动态响应并不明显、无法准确模拟出不同深度裂纹对应的切片齿上的啮合力作用效应的缺陷，提供一种考虑非均匀分布齿根裂纹故障的仿真方法，充分考虑不同深度裂纹对应的切片齿上的啮合力作用效应对于系统动力学的影响，更精确反映出在局部非均匀故障激励下齿轮传动系统的动力学特性，为齿轮故障诊断提供更为准确的理论指导。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种考虑非均匀分布齿根裂纹故障的仿真方法，包括：

步骤1：将齿轮沿齿宽方向分解为多个独立的切片齿，基于每个所述切片齿的角位移建立切片齿动态传递误差计算公式；

以及，基于变截面悬臂梁理论建立裂纹参数作用下的切片齿时变啮合刚度计算公式；