基于剛?cè)狁詈夏Ｐ偷男行驱X輪機(jī)構(gòu)裂紋故障研究*

劉 波,管品武,王思源

(1.電子科技大學(xué)成都學(xué)院,四川 成都 611731;2.上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545000;3.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

0 引 言

目前,行星齒輪機(jī)構(gòu)在汽車、輪船、飛機(jī)等傳動系統(tǒng),以及挖掘機(jī)、裝載機(jī)的傳動系統(tǒng)中得到了極其廣泛的應(yīng)用。因此,行星齒輪機(jī)構(gòu)的健康狀況直接關(guān)系到整臺機(jī)器能否正常運(yùn)行[1]。

在實(shí)際工作環(huán)境中,由于行星齒輪機(jī)構(gòu)常常承受較大的負(fù)載,致使其機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部位極易發(fā)生故障,并可能引起非計(jì)劃停機(jī)等事故,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐扇藛T傷亡等重大事故。因此,對行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和故障信號進(jìn)行分析研究,對保障相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備安全、可靠運(yùn)行具有重大的意義[2]。

目前,針對各類齒輪箱及對應(yīng)的齒輪振動信號,國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究,并已取得了豐碩的成果。

李宇恒等人[3]提出了一種新的行星齒輪箱故障診斷方法,該方法結(jié)合了諧波有效指數(shù)與精細(xì)復(fù)合多尺度散布熵,解決了齒輪故障信息難以量化的問題。桂勇等人[4]搭建了含各種制造誤差的行星齒輪系統(tǒng)動力學(xué)模型,分析了齒輪出現(xiàn)裂紋故障對時(shí)變嚙合剛度以及傳遞誤差的影響,并總結(jié)出了齒輪裂紋故障的特征頻率。LI Yong-zhuo等人[5]利用振動分離法,對齒輪輪齒故障做了深入的研究,采用振動分離法,提高了齒輪故障分類的準(zhǔn)確率。陳臻禕等人[6]提出了一種新方法,即將改進(jìn)符號序列熵引入到滾動軸承退化的特征提取中,該方法提高了軸承對噪聲和沖擊的濾除能力。ZUO M J等人[7,8]基于行星齒輪機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型,對不同工況下,行星齒輪機(jī)構(gòu)重要部位之間的嚙合剛度進(jìn)行了分析,探究了多種工況下齒輪機(jī)構(gòu)的信號特征。SHI Jun-chuan等人[9]利用雙向卷積LSTM網(wǎng)絡(luò),對行星齒輪箱故障診斷進(jìn)行了研究,并提出了一種新方法,采用該方法能夠較為準(zhǔn)確地辨別出行星齒輪箱故障類型、位置和方向。丁闖等人[10]建立了行星齒輪系統(tǒng)的動力學(xué)模型,研究了齒輪裂紋故障對齒輪嚙合剛度的影響,總結(jié)了齒輪故障特征頻率。LIU Jing等人[11]研究了行星軸承滾子型面修形對行星齒輪系統(tǒng)振動的影響,得出了適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩和輸入轉(zhuǎn)速有利于控制DPGSs振動的結(jié)論。

為了對行星齒輪機(jī)構(gòu)行星輪裂紋故障進(jìn)行更好的診斷,基于上述研究,筆者以某型汽車行星齒輪箱為研究對象,利用SolidWorks、ANSYS APDL、ANSYS Workbench、ADAMS軟件,精準(zhǔn)建立汽車行星齒輪機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型,揭示行星齒輪裂紋故障機(jī)理;通過計(jì)算齒輪系傳動比來驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性,并對仿真得出的裂紋故障信號特征進(jìn)行研究分析。

1 行星齒輪機(jī)構(gòu)齒輪三維模型

某汽車行星齒輪機(jī)構(gòu)由太陽輪、3個(gè)行星輪、齒圈和行星架構(gòu)成。其中,齒圈固定,太陽輪為主動輪。

該行星齒輪機(jī)構(gòu)齒輪的具體參數(shù)如表1所示。

表1 行星齒輪機(jī)構(gòu)齒輪參數(shù)

為了進(jìn)行后續(xù)齒輪箱行星齒輪裂紋剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真研究,以及實(shí)際故障振動信號特征頻率分析,筆者在SolidWorks軟件中,分別建立了行星齒輪機(jī)構(gòu)正常工況和行星輪裂紋故障工況下的三維模型。

1.1 行星齒輪正常模型

根據(jù)某型號汽車行星齒輪機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型,筆者采用SolidWorks軟件,分別建立了太陽輪、行星輪、行星架和齒圈等部件的三維模型;再根據(jù)各個(gè)零部件的實(shí)際裝配關(guān)系,建立了正常工況下行星齒輪機(jī)構(gòu)裝配體。

正常工況下某汽車行星齒輪機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某汽車行星齒輪機(jī)構(gòu)

1.2 行星齒輪裂紋故障模型

筆者以行星齒輪裂紋故障為例,對其進(jìn)行仿真分析。在進(jìn)行仿真分析前,需要建立行星輪裂紋故障三維模型,而裂紋故障位置的確定是其中的關(guān)鍵。

因此,需要首先利用ANSYS Workbench軟件對行星輪系齒輪嚙合進(jìn)行靜力學(xué)分析,以找出齒輪易發(fā)生裂紋故障的位置。

1.2.1 靜力學(xué)分析

筆者將齒輪嚙合模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中,通過添加接觸-網(wǎng)格劃分-設(shè)置固定和距離等,對齒輪嚙合進(jìn)行靜力學(xué)分析。

齒輪嚙合靜力學(xué)分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 齒輪嚙合靜力學(xué)分析

由圖2可以看出,行星輪系齒輪齒根位置的區(qū)域?yàn)橐装l(fā)生裂紋故障的位置。

1.2.2 行星輪裂紋故障模型建立

結(jié)合上述的齒輪嚙合靜力學(xué)分析結(jié)果,筆者建立行星輪裂紋故障三維模型,如圖3所示。

圖3 行星輪裂紋故障模型

2 行星齒輪機(jī)構(gòu)齒圈柔性體

在上述行星齒輪機(jī)構(gòu)仿真分析過程中,由于要采集齒圈上方位置的振動加速度信號,需要先將齒圈生成為柔性體[12]。

筆者將建立好的齒圈三維模型導(dǎo)入到ANSYS APDL軟件中,通過創(chuàng)建單元和材料、劃分網(wǎng)格單元等步驟[13],生成齒圈柔性體,如圖4所示。

圖4 齒圈柔性體

3 行星齒輪機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型

3.1 模型導(dǎo)入

筆者將建立的行星齒輪機(jī)構(gòu)三維模型整體導(dǎo)入到ADAMS軟件中,并將齒圈模型替換為齒圈柔性體,得到行星齒輪機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ?如圖5所示。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

接下來,筆者進(jìn)行行星齒輪機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷姆抡鎱?shù)設(shè)置。

首先,筆者將該行星齒輪機(jī)構(gòu)的材料設(shè)置為steel,使其與實(shí)體模型保持一致;

其次,在每個(gè)模型之間設(shè)置連接,具體的連接設(shè)置方式如下:

(1)太陽輪、行星架分別與大地設(shè)置轉(zhuǎn)動副;

(2)3個(gè)行星輪分別與行星架設(shè)置轉(zhuǎn)動副;

(3)齒圈與大地之間設(shè)置固定副。

再次,采用沖擊函數(shù)法[14]添加接觸,具體設(shè)置為:

(1)3個(gè)行星輪分別與齒圈和太陽輪添加接觸;

(2)軸承內(nèi)環(huán)和外環(huán)分別與行星架和行星輪之間添加接觸。

最后,在齒輪機(jī)構(gòu)太陽輪上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。

3.3 測點(diǎn)布置

筆者以實(shí)驗(yàn)室中的汽車行星齒輪箱故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺為研究載體,以齒圈上方的振動加速度信號為研究對象,進(jìn)行測點(diǎn)的布置工作。

因此,筆者在此處選擇在齒圈上方的柔性節(jié)點(diǎn)處添加Mark點(diǎn),通過讀取Mark點(diǎn)信息完成信號采集工作。

齒圈Mark點(diǎn)位置如圖6所示。

圖6 齒圈Mark點(diǎn)位置

3.4 模型驗(yàn)證

筆者在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動處設(shè)置行星齒輪轉(zhuǎn)速為3 600°/s,設(shè)置負(fù)載為100 N·m2,設(shè)置步數(shù)為30 720步,設(shè)置時(shí)間3 s,進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真。

筆者通過仿真獲得了行星齒輪箱行星架的轉(zhuǎn)速曲線,如圖7所示。

圖7 行星架轉(zhuǎn)速

根據(jù)圖7可知:該行星齒輪箱行星架平均值為720°/s,符合傳動比要求,進(jìn)而驗(yàn)證了該行星齒輪箱剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型的準(zhǔn)確性。

4 仿真及信號特征分析

接下來,筆者對行星齒輪進(jìn)行仿真,并對其信號特征進(jìn)行分析。

行星齒輪機(jī)構(gòu)嚙合頻率[15]計(jì)算公式如下:

fm=zrfh

(1)

式中:fh—行星架旋轉(zhuǎn)頻率;zr—齒圈齒數(shù)。

行星輪故障頻率計(jì)算公式為:

(2)

式中:zp—行星輪齒數(shù)。

根據(jù)式(1,2)計(jì)算可得:該機(jī)構(gòu)的嚙合頻率為fm=144 Hz,行星輪故障頻率為fp=5.2 Hz,行星架旋轉(zhuǎn)頻率為fh=2 Hz。

筆者讀取齒圈上方的Mark點(diǎn)振動加速度信息[16],得到其時(shí)域圖如圖8所示。

圖8 齒圈上方振動加速度信號

筆者采用MATLAB軟件,將圖8中齒圈上方振動加速度信號時(shí)域圖轉(zhuǎn)化為頻譜圖,如圖9所示。

圖9 齒圈上方振動加速度信號頻譜圖

從圖9可以看出:

(1)頻譜圖的橫坐標(biāo),即頻率的最大值為采樣頻率的一半;

(2)頻譜圖中峰值的縱坐標(biāo)即幅值均與行星齒輪機(jī)構(gòu)的嚙合頻率,或其倍頻相對應(yīng)。

在嚙合頻率處,筆者將該頻譜圖進(jìn)行局部放大,并在頻譜圖局部放大圖中對該圖的峰值進(jìn)行一一標(biāo)注,其結(jié)果如圖10所示[17]。

圖10 頻譜圖局部放大圖

通過對圖10中峰值對應(yīng)的橫坐標(biāo)即頻率進(jìn)行計(jì)算,可以從計(jì)算結(jié)果中得出結(jié)論,即頻譜圖局部放大圖中,峰值對應(yīng)的頻率均與行星輪故障頻率有關(guān)。

峰值對應(yīng)頻率如表2所示。

表2 峰值對應(yīng)頻率

5 結(jié)束語

為了對行星齒輪機(jī)構(gòu)行星輪裂紋故障進(jìn)行更好地診斷,筆者以剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型為依托,對行星齒輪機(jī)構(gòu)裂紋故障進(jìn)行了研究。

首先,筆者結(jié)合ANSYS Workbench中的嚙合靜力學(xué)分析結(jié)果,在SolidWorks軟件中建立了汽車行星齒輪機(jī)構(gòu)三維模型;其次,在ANSYS APDL軟件中,將齒圈設(shè)置為柔性體;然后,在ADAMS軟件中,建立了行星齒輪機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型;最后,根據(jù)仿真結(jié)果,對行星輪裂紋故障信號頻譜特征進(jìn)行了分析。

研究結(jié)果表明:

(1)齒輪裂紋故障易發(fā)生在齒根位置;

(2)筆者建立的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型符合傳動比要求,并且模型的精度高;該建模方法可以為其他模型的建立提供參考;

(3)在行星輪裂紋故障頻譜圖中,峰值均與嚙合頻率或其倍頻相對應(yīng),而嚙合頻率處的局部峰值均與行星輪故障頻率有關(guān)。

在后續(xù)的工作中,筆者將會針對多種單一故障工況及復(fù)合故障工況進(jìn)行研究,以期為行星齒輪機(jī)構(gòu)故障預(yù)測、健康管理提供依據(jù)。