文摘
确定齿轮传动系统的故障频率特征的耦合故障下固定轴齿轮裂纹和行星齿轮磨损、无量纲建立了齿轮传动系统的动力学方程。分岔在正常条件和耦合故障情况对比。受影响的激励频率范围。故障频率特征在敏感区间内耦合故障造成的固定轴齿轮裂纹和行星齿轮磨损进行了分析。仿真分析表明,固定轴齿轮裂纹故障带来的山峰在1 ~ 10故障频率两倍,穿错的行星齿轮啮合频率和振幅增加两倍和三倍,和显示的耦合两种故障特征的行星齿轮啮合频率。
1。介绍
风力发电机齿轮箱是风力发电机的核心部件;它的传输系统是一个多级齿轮传动系统两级固定轴齿轮和一个单程行星齿轮。风力发电机齿轮箱的高失败率的障碍,可变荷载,风荷载和强劲的影响。振动机理和多级齿轮传动系统的故障机理不清楚,所以在线监测和故障诊断的风力发电机齿轮箱是不完美的。很多故障早期没有发现,导致连锁反应。它使整个传输系统停机时间,导致巨大的经济损失和不良的社会影响。只有通过研究振动机理和多级齿轮传动系统的故障机理和发现的复杂信号相关性特征造成的故障,齿轮的早期故障可以识别的信号处理方法。
当地有一个大区别行星齿轮箱故障振动信号和固定轴变速箱。单一副的动力学模型不能描述动态信号的调制效应的耦合状态,和错边频带的耦合状态无法正确提取。因此,有必要深入研究行星齿轮箱的振动信号的频谱特征(特别是在耦合故障的情况下),从而达到故障诊断的目的行星齿轮箱的故障特征频率分量。
研究耦合的缺点,李et al。1,2)使用智能的基于小波包信号分析方法相结合,经验模态分解,维格纳分布和AR模型识别五个单故障和三个耦合故障。然后他提出了一种新的方法(3),利用独立分量分析(ICA - R)作为故障频率跟踪工具来简化耦合到一个出错。罗等。4)提出了一种基于小波稀疏表示方法复合故障特征提取为基础,可以分离和提取不同的轴承和齿轮的瞬态特征。小雨et al。5差异化的单一故障和耦合故障通过相关维度和最大李雅普诺夫指数。研究耦合故障实验信号分析的基础上,和它的准确性依赖于大型数据准确性。数据可能包含其独特的特点和不同的试验平台没有普遍性故障诊断的其他设备。实验方法无法区分特性是共同特征是一个独特的特性和各种特性的机理。与耦合的非线性特性和故障机理研究断层从分岔和混沌特征的角度,我们可以区分的变化引起的耦合效应,发现耦合的一般特征。
在这篇文章(6),固定轴裂纹耦合故障,从非线性角度研究了行星齿轮凿,和耦合故障的故障频率特性进行了分析。然而,穿错发生更频繁和更难以识别凿的错。当系统有穿错,它将影响齿轮之间的间隙。间隙是体制内的碰撞运动的主要原因,这将改变系统的运动状态。因此,它具有重要意义研究磨损故障的影响系统的分岔特性而凿的错。文章的基础上(6),本文研究了固定轴裂纹耦合故障和行星齿轮磨损。非线性动态模型与固定轴裂纹耦合故障的故障,建立了行星穿错,和分岔特性和耦合系统中固定轴齿轮的故障特征进行了分析模拟方法在正常状态下,固定轴裂纹故障状态,行星磨损故障状态和耦合故障状态。特点,讨论了故障频率的频段不同激励频率。根据数值模拟结果,确定被测信号的故障频率。
2。扭转齿轮传动系统的动力学模型
系统研究了齿轮传动系统的试验装置,包含一个两级固定轴齿轮和一个单程行星齿轮,直齿圆柱齿轮1和2组合1 st-stage固定轴齿轮的输入,直齿圆柱齿轮3和4组成2 nd-stage固定轴齿轮和行星架输出。建立了扭转动态模型采用集中质量方法(图1)。
当齿轮系统,驱动轴、轴承和轴承刚度相对较大,然后不管他们的灵活性齿轮系统变成纯扭转振动模型。如果齿轮系统输入和输出轴刚度相对较小,齿轮系统可以孤立的原动机和负载,和一个单独的齿轮系统的振动模型可以建立。由于nonconsideration特定的振动形式的传动轴,传动轴的刚度和阻尼,支持轴承,盒子可以表示为合并后的等效值。模型不考虑齿轮的横向振动位移。齿轮参数模拟弹簧和阻尼器。
参见图1,在那里, , , , , , ,和代表太阳齿轮的角位移,行星齿轮,行星架( 、2、3、4),直齿圆柱齿轮1,2,3,4,分别。在这篇文章中,下标 , , , ,1、2、3和4表示太阳齿轮、行星架,行星,环形齿轮,直齿圆柱齿轮1,2,3,4。量 , , , , , ,和齿轮的基圆半径。量 , , ,和表示太阳齿轮与行星齿轮的啮合刚度 ,环形齿轮与行星齿轮 ,1 st-stage固定齿轮,和2 nd-stage固定装置。量 , , ,和表示太阳齿轮与行星齿轮的阻尼 ,环形齿轮与行星齿轮 ,1 st-stage固定齿轮,和2 nd-stage固定装置。是输入和是输出。
2.1。系统的运动微分方程
基于拉格朗日方程,建立了系统的运动微分方程的基础上,时变啮合刚度、综合啮合误差(7,8]: 在哪里 , : , , , , , ,和是每个齿轮轴上的转动惯量; , , ,和每个阶段的啮合力在啮合线, ( , , );是每个阶段的相对位移啮合线( , , ): 是间隙非线性函数( , , ),写成 在哪里一半的间隙( , , )。
齿轮副的时变啮合刚度将指定的部分吗2.2。
阻尼系数形式 在哪里 , , ,和阻尼率和 , , , , , ,和每个齿轮的质量。
综合使用第1谐波齿轮副的啮合误差的啮合函数形式 在哪里每个齿轮的啮合综合误差幅度( , , )。是每个齿轮的啮合综合误差初始阶段( , , );每个齿轮的啮合频率( , , )。
定义时间定类尺度 ,订单 ,在那里 ;是无量纲位移, , , , ; 是无量纲的激励频率, , , , ; 是无量纲综合啮合误差幅度, , , , 。无量纲非线性函数
归一化方程,可以得到系统的无量纲运动微分方程: 在哪里 是齿轮的等效质量;是齿轮的等效惯性矩:
2.2。啮合刚度
势能方法(9)是用来评估的啮合刚度考虑赫兹能量 ,弯曲的能量 ,剪切能量 ,和轴向压缩能量 。齿的梁模型图所示2(一个)。刚度的表达式是 在哪里代表了弹性模量;齿宽;齿数;是压力角;泊松比。
(一)
(b)
2.2.1。综合啮合刚度
齿轮齿廓之前渐开线曲线基圆,如图2(一个)。基圆之间的齿廓和齿根圆不是一个渐开线曲线和难以描述分析(10]。因此,直线和用于简化曲线。single-tooth-pair啮合的持续时间、总有效啮合刚度可以计算(11] 下标1和2表示主动齿轮和从动齿轮,分别。
double-tooth-pair啮合时间,有两对齿轮啮合在同一时间。总有效啮合刚度可以获得(11] 在哪里 第一对和 第二条啮合齿。
2.2.2。裂纹建模
的裂纹建模为一条直线齿危险区域(图2 (b))。裂纹沿直线传播,直到达到牙中线点 。然后,它改变了传播方向的观点的牙齿断裂。根据裂纹状态的试验装置,只有国家当裂纹不达到中心线研究,裂纹长度和裂纹之间的角线和牙中线的定义是 。
赫兹刚度和轴向抗压刚度将不会影响裂纹扩展(10]。只有弯曲刚度和剪切刚度将受到影响,由于牙牙齿长度和高度的变化由裂纹引起的。弯曲刚度和剪切刚度与裂纹故障
计算了牙齿的弯曲和剪切刚度,然后计算总了齿的啮合刚度(11)。在这项研究中,我们假设1 st-stage固定轴小齿轮(齿轮1)裂纹故障。裂纹齿轮试验台如图3(裂纹长度 毫米,裂角= 70°)。时变啮合刚度计算速度是1赫兹(图4)。齿轮传动系统的齿轮参数如表所示1。
2.2.3。磨损模型
牙齿磨损时改变之间的差距。当齿轮均匀磨损,断裂齿轮的牙齿之间的差距将会增加。因此,所有牙齿磨损故障可以用常数来表示。函数是 在参数是所有牙齿磨损的大小。假设有行星齿轮1,所有牙齿磨损故障齿轮如图5是一个行星齿轮与所有牙齿磨损故障的试验装置,及其故障特性设置为 。
3所示。分析耦合故障的非线性动态行为
3.1。系统分岔图
激励频率的分岔图改变了计算,分别系统处于正常状态时,行星齿轮磨损故障状态,和固定轴裂纹故障状态,两个缺点共存。系统的结构参数如表所示1和2,压力角α0= 20°,= 6.5 N·m= 8.5 N·m。表中的值2在齿轮的啮合线是相等的,所以下标吗是省略了。
因为有很多侧频率在1 st-stage固定轴齿轮的啮合点,以便研究这一点,分岔的非线性微分方程(7)数值使用可变步龙格-库塔方法求解得到的分岔图1 st-stage固定轴齿轮的相对位移与无因次励磁频率四个州改变(图6)。
(一)
(b)
(c)
(d)
在(7),可以看出,影响齿轮的所有阶段,不仅自己的振动特征,而且还通过相邻牙齿振动特性的影响。因此,当使用变量步龙格-库塔方法耦合迭代计算的缺点,行星齿轮磨损故障的故障特征的2 nd-stage固定轴齿轮传输通过行星齿轮的速度和位移和太阳齿轮啮合点,然后传播到1 st-stage固定轴齿轮有两种类型的错误(行星齿轮磨损故障和1 st-stage固定轴裂纹)。这两个缺点可以互动,然后显示耦合效应。
当激励频率在正常状态下,小的运动状态1 st-stage固定轴齿轮周期(图6(一))。当激励频率增加到0.5时,系统就变成了准周期的运动周期运动。当激励频率增加到1(临界转速),系统共振和运动变得混乱。系统分为三倍周期运动,最后到准周期的运动。
图6表明,当系统只有一个固定轴裂纹故障,它有一个时期,影响quasi-period, 3倍周期运动,当激励频率小于3。即故障周期运动增加了原来的周期运动,表明固定轴裂纹故障对低速很敏感。在实际操作中,电动机转速通常是一个较低的速度。这将创建固定轴故障容易识别,和行星齿轮故障很难识别。
当系统只有行星齿轮磨损故障,准周期的运动与激励频率大于3(3倍临界转速)成为间歇周期运动,表明行星齿轮磨损故障敏感的高速度。
系统耦合故障时,故障特征类似于单一固定轴裂纹故障励磁频率小于3时,和故障特征类似于单一行星齿轮磨损故障,当激励频率大于3。行星断层和固定轴故障影响不同的速度,所以振动耦合现象的两个分岔图是不明显的。由于相互影响的耦合故障不能从分岔图发现,有必要进一步研究造成的故障频率特性耦合故障。
3.2。耦合故障频率特征
固定轴裂纹故障的故障特征低励磁频率被描述在文献[6]。本文将研究行星穿错在高激发频率。振动是明显的间隔 。这部分将研究。时域、频域的相图、庞加莱截面1 st-stage固定轴齿轮如图7在正常状态下,固定轴裂纹状态,和固定轴裂纹的耦合故障状态+行星穿,当激励频率是3.5。齿轮传动系统的无量纲特征频率在各个阶段如表所示3。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
有一个增加故障时域(数据的影响7(一),8(一个),9(一个))作为故障数量的增加。相图的行为是准周期的运动乐队在正常状态(图7 (b)),乐队成为更广泛的裂纹故障状态(图8 (b))。当耦合故障发生时,故障周期使乐队(图9 (b))。点群的庞加莱截面(数字7 (c),8 (c),9 (c))与断层的增加也会增加。在频域耦合故障的振幅(数字7 (d),8 (d),9 (d))显著增加。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
数据7 (e),8 (e),9 (e)是数据的频谱细化7 (d),8 (d),9 (d)在低频率。从图可以看出7 (e)系统的主要峰值1 st-stage固定轴齿轮的啮合频率 ,2 nd-stage固定轴齿轮的啮合频率 ,行星齿轮的啮合频率 ,和它的两倍和三倍在正常状态。周围有大量的常规侧频率行星齿轮的啮合频率及其倍和三倍。频率是2 nd-stage转动轴的转动频率 。从图可以看出8 (e)固定轴裂纹的故障频率发生在1 ~ 10倍的峰值,振幅逐渐减小。图9 (e)表明,行星齿轮磨损故障的增加使行星齿轮啮合频率的振幅和它的两倍和三倍增加。所以两种故障特征在同一时间发生耦合故障状态,在行星齿轮啮合频率。
4所示。实验失效分析
齿轮传动系统的试验装置,包含一个两级固定轴齿轮和一个单程行星如图10。参数如表所示1和3。测试和分析试验台的信号在正常状态和耦合故障状态,其中1 st-stage上的裂纹故障齿轮(齿轮1图1与裂纹长度) 毫米和裂缝角度 °,如图3。行星磨损故障发生在第一个行星齿轮在图1,行星齿轮磨损参数 (图5)。采样频率为3000赫兹,采样点的数量是2048,固定轴的轴向测量分齿轮箱传动侧选择进行测试。为了方便比较,光谱归一化得到无量纲光谱在正常状态和耦合故障状态(图11)。
(一)
(b)
2的振幅nd-stage固定轴啮合频率和它的两倍增加耦合故障状态(数据(11日)和11 (b))。在固定轴齿轮啮合频率出现大量的固定轴故障特征频率 。但行星齿轮啮合频率的振幅是相对较弱的,和周围的频率是不容易识别。的无量纲径向光谱耦合下的行星齿轮箱故障状态调查,如图12。
(一)
(b)
行星齿轮啮合频率的振幅及其倍频( , ,和在行星齿轮箱的振动信号大大增加(数据12和11)。在频率细化图中可以看出频率附近的行星齿轮,固定轴的故障频率被发现在 ,这与数值模拟的结果是一致的。通过观察固定轴齿轮箱的振动信号和行星齿轮箱,固定轴裂纹故障和行星齿轮磨损故障识别。
5。结论
在这项研究中,无量纲齿轮传动系统的动力学方程含有一个两级固定轴齿轮裂纹故障和单程行星齿轮磨损故障。对比分岔和频谱特征,系统在正常状态和耦合故障条件下,研究发现,当系统耦合故障,故障特征类似于单一固定轴裂纹故障励磁频率小于3时,和故障特征类似于单一行星齿轮磨损故障,当激励频率大于3。本文研究了行星穿错在高激发频率。故障频率特征造成的裂纹耦合故障的固定轴和行星齿轮磨损故障进行了分析。仿真分析表明,固定轴齿轮裂纹故障带来的山峰在1 ~ 10故障频率两倍,穿错的行星齿轮啮合频率和振幅增加两倍和三倍,和显示的耦合两种故障特征的行星齿轮啮合频率。试验装置,通过观察固定轴齿轮箱的振动信号和行星齿轮箱,发现实验特性与数值模拟结果相一致。通过数值模拟结果固定轴裂纹故障和行星齿轮磨损故障准确识别。本研究探讨了复杂的多级齿轮传动系统故障特征和认识断层多级齿轮传动系统的动态行为全面准确地诊断复杂的多级齿轮故障。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者欣然承认金融支持的重点项目宝鸡大学艺术与科学学院(没有。209010861)。