基于剛柔耦合模型的行星齒輪機構裂紋故障研究*

劉 波,管品武,王思源

(1.電子科技大學成都學院,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 機電工程學院,湖北 武漢 430070)

0 引 言

目前,行星齒輪機構在汽車、輪船、飛機等傳動系統(tǒng),以及挖掘機、裝載機的傳動系統(tǒng)中得到了極其廣泛的應用。因此,行星齒輪機構的健康狀況直接關系到整臺機器能否正常運行[1]。

在實際工作環(huán)境中,由于行星齒輪機構常常承受較大的負載,致使其機構的關鍵部位極易發(fā)生故障,并可能引起非計劃停機等事故,嚴重時甚至會造成人員傷亡等重大事故。因此,對行星齒輪機構的結構和故障信號進行分析研究,對保障相應的機械設備安全、可靠運行具有重大的意義[2]。

目前,針對各類齒輪箱及對應的齒輪振動信號,國內外眾多學者進行了大量研究,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,該方法結合了諧波有效指數(shù)與精細復合多尺度散布熵,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)動力學模型,分析了齒輪出現(xiàn)裂紋故障對時變嚙合剛度以及傳遞誤差的影響,并總結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確率。陳臻禕等人[6]提出了一種新方法,即將改進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]基于行星齒輪機構動力學模型,對不同工況下,行星齒輪機構重要部位之間的嚙合剛度進行了分析,探究了多種工況下齒輪機構的信號特征。SHI Jun-chuan等人[9]利用雙向卷積LSTM網(wǎng)絡,對行星齒輪箱故障診斷進行了研究,并提出了一種新方法,采用該方法能夠較為準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)的動力學模型,研究了齒輪裂紋故障對齒輪嚙合剛度的影響,總結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?shù)霓D矩和輸入轉速有利于控制DPGSs振動的結論。

為了對行星齒輪機構行星輪裂紋故障進行更好的診斷,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,精準建立汽車行星齒輪機構剛柔耦合動力學模型,揭示行星齒輪裂紋故障機理;通過計算齒輪系傳動比來驗證該模型的準確性,并對仿真得出的裂紋故障信號特征進行研究分析。

1 行星齒輪機構齒輪三維模型

某汽車行星齒輪機構由太陽輪、3個行星輪、齒圈和行星架構成。其中,齒圈固定,太陽輪為主動輪。

該行星齒輪機構齒輪的具體參數(shù)如表1所示。

表1 行星齒輪機構齒輪參數(shù)

為了進行后續(xù)齒輪箱行星齒輪裂紋剛柔耦合動力學仿真研究,以及實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構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構的實體模型,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)各個零部件的實際裝配關系,建立了正常工況下行星齒輪機構裝配體。

正常工況下某汽車行星齒輪機構如圖1所示。

圖1 某汽車行星齒輪機構

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,對其進行仿真分析。在進行仿真分析前,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鍵。

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

1.2.1 靜力學分析

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

齒輪嚙合靜力學分析結果如圖2所示。

圖2 齒輪嚙合靜力學分析

由圖2可以看出,行星輪系齒輪齒根位置的區(qū)域為易發(fā)生裂紋故障的位置。

1.2.2 行星輪裂紋故障模型建立

結合上述的齒輪嚙合靜力學分析結果,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 行星齒輪機構齒圈柔性體

在上述行星齒輪機構仿真分析過程中,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 行星齒輪機構剛柔耦合動力學模型

3.1 模型導入

筆者將建立的行星齒輪機構三維模型整體導入到ADAMS軟件中,并將齒圈模型替換為齒圈柔性體,得到行星齒輪機構剛柔耦合模型,如圖5所示。

3.2 仿真參數(shù)設置

接下來,筆者進行行星齒輪機構剛柔耦合模型的仿真參數(shù)設置。

首先,筆者將該行星齒輪機構的材料設置為steel,使其與實體模型保持一致;

其次,在每個模型之間設置連接,具體的連接設置方式如下:

(1)太陽輪、行星架分別與大地設置轉動副;

(2)3個行星輪分別與行星架設置轉動副;

(3)齒圈與大地之間設置固定副。

再次,采用沖擊函數(shù)法[14]添加接觸,具體設置為:

(1)3個行星輪分別與齒圈和太陽輪添加接觸;

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

最后,在齒輪機構太陽輪上添加旋轉驅動。

3.3 測點布置

筆者以實驗室中的汽車行星齒輪箱故障診斷實驗平臺為研究載體,以齒圈上方的振動加速度信號為研究對象,進行測點的布置工作。

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

齒圈Mark點位置如圖6所示。

圖6 齒圈Mark點位置

3.4 模型驗證

筆者在旋轉驅動處設置行星齒輪轉速為3 600°/s,設置負載為100 N·m2,設置步數(shù)為30 720步,設置時間3 s,進行剛柔耦合動力學仿真。

筆者通過仿真獲得了行星齒輪箱行星架的轉速曲線,如圖7所示。

圖7 行星架轉速

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,進而驗證了該行星齒輪箱剛柔耦合動力學模型的準確性。

4 仿真及信號特征分析

接下來,筆者對行星齒輪進行仿真,并對其信號特征進行分析。

行星齒輪機構嚙合頻率[15]計算公式如下:

fm=zrfh

(1)

式中:fh—行星架旋轉頻率;zr—齒圈齒數(shù)。

行星輪故障頻率計算公式為:

(2)

式中:zp—行星輪齒數(shù)。

根據(jù)式(1,2)計算可得:該機構的嚙合頻率為fm=144 Hz,行星輪故障頻率為fp=5.2 Hz,行星架旋轉頻率為fh=2 Hz。

筆者讀取齒圈上方的Mark點振動加速度信息[16],得到其時域圖如圖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域圖轉化為頻譜圖,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,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即幅值均與行星齒輪機構的嚙合頻率,或其倍頻相對應。

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

圖10 頻譜圖局部放大圖

通過對圖10中峰值對應的橫坐標即頻率進行計算,可以從計算結果中得出結論,即頻譜圖局部放大圖中,峰值對應的頻率均與行星輪故障頻率有關。

峰值對應頻率如表2所示。

表2 峰值對應頻率

5 結束語

為了對行星齒輪機構行星輪裂紋故障進行更好地診斷,筆者以剛柔耦合動力學模型為依托,對行星齒輪機構裂紋故障進行了研究。

首先,筆者結合ANSYS Workbench中的嚙合靜力學分析結果,在SolidWorks軟件中建立了汽車行星齒輪機構三維模型;其次,在ANSYS APDL軟件中,將齒圈設置為柔性體;然后,在ADAMS軟件中,建立了行星齒輪機構剛柔耦合動力學模型;最后,根據(jù)仿真結果,對行星輪裂紋故障信號頻譜特征進行了分析。

研究結果表明:

(1)齒輪裂紋故障易發(fā)生在齒根位置;

(2)筆者建立的剛柔耦合動力學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,而嚙合頻率處的局部峰值均與行星輪故障頻率有關。

在后續(xù)的工作中,筆者將會針對多種單一故障工況及復合故障工況進行研究,以期為行星齒輪機構故障預測、健康管理提供依據(jù)。