基于虛擬樣機(jī)的機(jī)車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)建模與故障仿真分析

李翠省， 廖英英， 劉永強(qiáng)

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

基于虛擬樣機(jī)的機(jī)車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)建模與故障仿真分析

李翠省1， 廖英英2， 劉永強(qiáng)1

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

以DF4B型機(jī)車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)斷齒故障為研究對(duì)象，利用三維實(shí)體建模軟件SolidWorks精確建立正常齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)及3種不同程度輪齒斷裂模型。將模型導(dǎo)入ADAMS中添加約束和驅(qū)動(dòng)，建立多體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而對(duì)斷齒故障模型的振動(dòng)影響進(jìn)行仿真分析，測(cè)量齒輪箱振動(dòng)信號(hào)。利用Matlab進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，將不同故障程度齒輪分析結(jié)果與正常模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到了齒輪箱斷齒故障發(fā)生與否及不同程度下的故障特點(diǎn)。

機(jī)車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)；斷齒故障；ADAMS；仿真分析

0 引言

齒輪傳動(dòng)裝置是機(jī)車走行部中關(guān)鍵的組成部分，其主要功能是減小車輪轉(zhuǎn)速和提高扭矩，并將牽引電動(dòng)機(jī)的功率傳給輪對(duì)，對(duì)走行部動(dòng)力的傳動(dòng)極為重要。鐵路機(jī)車常在高速、重載等環(huán)境下工作，所以齒輪故障發(fā)生頻繁。齒輪常見故障有齒面磨損、齒根裂紋、齒面剝落以及嚴(yán)重的斷齒故障[1-2]。目前，對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的研究比較成熟，但對(duì)斷齒故障的研究較少。斷齒故障類型多樣，主要分為全齒折斷、局部折斷和過載折斷，其中以齒輪根部受到彎曲應(yīng)力造成的全齒折斷最為常見。斷齒故障嚴(yán)重影響機(jī)車的正常運(yùn)行，因此及時(shí)且精確地診斷出故障，對(duì)整列車組的正常運(yùn)行意義重大。國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)車齒輪傳動(dòng)裝置斷齒故障的檢測(cè)方法主要有磁粉探傷[3-4]，斷齒的金相組織分析[5]、計(jì)算齒輪強(qiáng)度等。本文依據(jù)齒輪發(fā)生斷齒故障時(shí)齒輪箱振動(dòng)增強(qiáng)，采集齒輪箱振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行斷齒故障研究分析。

DF4B型內(nèi)燃機(jī)車是中國(guó)鐵路史上出產(chǎn)量最高、應(yīng)用范圍最廣、設(shè)計(jì)較完善的內(nèi)燃機(jī)車車型之一，占據(jù)著鐵路客貨運(yùn)的主要部分。截止今年，仍有部分DF4B型機(jī)車在各線路服役。本文以DF4B型機(jī)車的齒輪箱為研究對(duì)象，將斷齒故障模型分為3種不同程度的齒輪折斷，進(jìn)而對(duì)仿真得到的齒輪箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域多指標(biāo)分析，最后將不同程度的斷齒故障與正常齒模型進(jìn)行對(duì)比，得到斷齒故障發(fā)生與否以及不同程度下的故障特點(diǎn)。

1 DF4B型內(nèi)燃機(jī)車(貨車)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的建模

DF4B型機(jī)車的使用率比較廣泛，自重22.7 t，時(shí)速達(dá)100 kg以上。牽引電機(jī)將動(dòng)力傳遞給齒輪箱，齒輪箱中傳動(dòng)比為4.5,主動(dòng)輪齒數(shù)為14，從動(dòng)輪齒數(shù)為63，模數(shù)為12。用SolidWorks建立主動(dòng)齒輪斷齒模型，如圖1所示。圖1(a)中，斷齒1模型的斷裂程度最為嚴(yán)重，斷裂位置位于輪齒的齒根處；與圖1(a)相比，圖1(b)中斷齒2模型的斷裂程度較為嚴(yán)重，斷裂位置位于輪齒的中間部位處，其位置距圓心80 mm；圖1(c)中，斷齒3模型的斷裂程度最輕，斷裂位置位于輪齒接近齒頂處，距圓心位置為89 mm。依據(jù)DF4B型內(nèi)燃機(jī)車(貨車)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)其他零件的參數(shù)，建立零件圖，模型如圖2所示。

圖1 3種斷齒模型

圖2 其他主要零件圖

圖3 總體裝配體

電機(jī)輸出軸與主動(dòng)齒輪間的配合方式為過盈配合，其與主動(dòng)齒輪配合段具有與主動(dòng)齒輪相同的1∶10的斜度。從動(dòng)齒輪與箱體間距離為13 mm，在車軸的兩端和電樞(用圓柱體簡(jiǎn)單表示其模型)的下方裝上3個(gè)支撐，將建立的所有零件裝配起來(lái)，形成總體裝配圖如圖3所示。

2 多體動(dòng)力學(xué)模型

只有仿真模型、參數(shù)設(shè)置合理，才能得到符合實(shí)際的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而才能在后期進(jìn)行可靠的振動(dòng)信號(hào)分析，最終才能得到正確的結(jié)果。在Solidworks中經(jīng)過干涉檢查后，將裝配好的軸承模型導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中。將小齒輪和大齒輪材料分別設(shè)置為合金鋼和鑄鐵，楊氏模量為207 GPa，泊松比為0.29。對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行布爾和運(yùn)算后模型僅剩7個(gè)部件，分別為：主動(dòng)齒輪及其相關(guān)部件、從動(dòng)齒輪及其相關(guān)部件、箱體、電機(jī)輸出軸、電樞、支撐1和支撐2。根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況在零件之間以及零件與大地之間添加約束：主動(dòng)齒輪與電樞、主動(dòng)齒輪與箱體、從動(dòng)齒輪與箱體、從動(dòng)齒輪與支撐2之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副；箱體、支撐1、支撐2和大地之間添加固定副；主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間添加接觸。在主動(dòng)齒輪上施加驅(qū)動(dòng)，使轉(zhuǎn)速為3 840 °/s，在從動(dòng)齒輪上添加阻力矩，單位基本阻力為ω0=2.28+0.029 3v+0.000 178v2。同時(shí)建立柔性襯套，以保證機(jī)車運(yùn)行過程中輪對(duì)相對(duì)于輪軌間的振動(dòng)模擬。

兩齒輪嚙合時(shí)，會(huì)在接觸的位置產(chǎn)生接觸力，本文采用沖擊函數(shù)法計(jì)算輪齒接觸力。沖擊算法所要確定的參數(shù)如下[6]：依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，阻尼系數(shù)C取1 500 Ns-1/mm，最大穿透深度dmax取0.1 mm，碰撞指數(shù)e取1.5，剛度系數(shù)K根據(jù)式(1)求得。

(1)

式中，E為綜合彈性模量；R為綜合曲率半徑；R1、R2為兩接觸齒輪接觸點(diǎn)的當(dāng)量半徑；E1、E2為兩個(gè)接觸齒輪材料的彈性模量，E1=E2=2.07×109Pa；μ1、μ2為兩個(gè)接觸齒輪材料的泊松比，μ1=μ2=0.29。

3 仿真分析

測(cè)量齒輪箱箱體上表面不同位置的5個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，以此仿真實(shí)際情況中，在機(jī)車齒輪箱箱體表面放置加速度傳感器，測(cè)量機(jī)車運(yùn)行時(shí)箱體的振動(dòng)信號(hào)。通過振動(dòng)信號(hào)的分析結(jié)果，得出齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)故障與否，及如若發(fā)生得出故障嚴(yán)重程度。在齒輪箱上端蓋上布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，由左至右依次為測(cè)點(diǎn)1至5，位置如圖4所示。

在ADAMS中分別對(duì)正常齒輪和3種不同故障程度齒輪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。仿真時(shí)長(zhǎng)為1s；步長(zhǎng)0.000 1s，仿真方式為交互式仿真。測(cè)量箱體上5個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)，以文本格式導(dǎo)出。用Matlab對(duì)3個(gè)不同程度的斷齒模型和1個(gè)正常齒模型共20個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，得到的均方根值XRMS如表1所示。

表1 各測(cè)點(diǎn)均方根值

由分析得到的表1和圖5知，斷齒程度越嚴(yán)重，模型的均方根值越大，即該點(diǎn)的振動(dòng)情況越嚴(yán)重。正常齒模型的各測(cè)點(diǎn)的均方根值明顯小很多，這說(shuō)明齒輪發(fā)生斷齒故障時(shí)，其振動(dòng)加劇，相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的均方根值變大。通過同一模型的不同測(cè)點(diǎn)的均方根值的比較，可知齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞性是從主動(dòng)輪到從動(dòng)輪。對(duì)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析可以知，通過分析振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征值就可以得出故障與否，因此可以利用信號(hào)的時(shí)域特征值，進(jìn)行齒輪故障的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

對(duì)20個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可知3個(gè)故障模型的故障特征頻率均在齒輪的轉(zhuǎn)頻10.67 Hz左右，而且正常齒模型的特征頻率同樣也與轉(zhuǎn)頻十分接近，所以不能通過頻率值來(lái)判斷故障與否。觀察頻譜的另一個(gè)參數(shù)——特征頻率幅值，如表2所示。根據(jù)表2和圖6可知，3個(gè)斷齒故障較正常齒頻率幅值大很多，所以依據(jù)頻率幅值來(lái)判斷是否發(fā)生了斷齒故障是可行的。

表2 各測(cè)點(diǎn)特征頻率幅值 mm/s2

對(duì)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率譜密度分析，將功率譜密度曲線分為測(cè)點(diǎn)數(shù)量個(gè)長(zhǎng)梯形，分別計(jì)算每個(gè)梯形的面積，得到?jīng)_擊能量如表3所示。由表3和曲線圖7知，斷齒程度越嚴(yán)重，其沖擊能量越大，并且正常齒模型的沖擊能量較斷齒故障模型小得多，沖擊能量從主動(dòng)輪到從動(dòng)輪逐漸遞減。

表3 各測(cè)點(diǎn)沖擊能量 (mm/s2)2

圖4 測(cè)點(diǎn)位置

圖5 均方根值趨勢(shì)

圖6 頻率幅值趨勢(shì)

圖7 沖擊能量趨勢(shì)

4 結(jié)論

本文從工程實(shí)際出發(fā)，對(duì)高速機(jī)車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的斷齒故障進(jìn)行了分析。以DF4B機(jī)車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)不同程度斷齒故障的振動(dòng)信號(hào)為研究對(duì)象，通過對(duì)動(dòng)力學(xué)仿真得到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域的各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算、分析，得到斷齒故障和正常齒間的差別，從而可以判斷故障類型及故障嚴(yán)重程度。從分析結(jié)果可知，所建立的動(dòng)力學(xué)仿真模型比較準(zhǔn)確，可以用于齒輪的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、故障產(chǎn)生機(jī)理和發(fā)展規(guī)律的研究等方面。

[1]陳予恕. 機(jī)械故障診斷的非線性動(dòng)力學(xué)原理[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007,43(1) :25-34．

[2]丁康，李巍花，朱小勇. 齒輪及齒輪箱故障診斷實(shí)用技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3]陳博.磁探法非解體探測(cè)機(jī)車輪對(duì)齒輪斷齒故障[J].機(jī)車電傳動(dòng), 2007(6):65-66．

[4]陳金方.機(jī)車齒輪磁粉探傷方法的研究[J].機(jī)車車輛工藝, 2000(2):37-38．

[5]馮愛軍,張凱亮,趙文彬.機(jī)車牽引齒輪的斷裂分析與無(wú)損探傷[J].內(nèi)燃機(jī)車,1994(2):34-35.

[6]郭會(huì)珍，譚長(zhǎng)均，陳俊鋒. 基于ADAMS的行星輪系的動(dòng)力學(xué)仿真[J].機(jī)械傳動(dòng), 2013,37(5) :86-89．

Modeling and Fault Simulation Analysis of Locomotive GearTransmission System Based on Virtual Prototype

Li Cuixing1, Liao Yingying2, Liu Yongqiang1

(1.School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China;2.School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

In view of the broken tooth fault of DF4Btype locomotive gear drive system, the models of normal gear transmission system and three kinds of different degrees of tooth fracture are established by using SolidWorks. The models are introduced into the ADAMS to establish the multi-body dynamics models by adding constraints and drives, then the vibration effect of broken tooth fault models are simulated and analyzed, and the vibration signal of the gear box is measured. Matlab is used to analyze the time domain and frequency domain. The results of different degrees of tooth fracture are compared with the normal model to judge whether the fault occurs or not and obtain the fault characteristics of different degrees.

locomotive gear transmission system;broken tooth fault;ADAMS;simulation analysis

國(guó)家自然科學(xué)基金(11227201;11472179;U1534204;11572206;11302137;11172182;11372199;11372197)；河北省自然科學(xué)基金(A2015210005)；河北省教育廳項(xiàng)目(YQ2014028)

李翠省(1988-),男，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)車車輛故障診斷。E-mail:854116499@qq.com

劉永強(qiáng)(1983-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。E-mail:liuyq125@126.com李翠省，廖英英，劉永強(qiáng).基于虛擬樣機(jī)的機(jī)車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)建模與故障仿真分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(2):53-56.

TH113;TH132.4

A

2095-0373(2017)02-0053-05

2016-03-14 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.09