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基于刚柔耦合模型的行星传动固有特性分析

机械工程学报 2014年第15期50卷 104-112页

作者：张俊刘先增焦阳宋轶民安徽工业大学机械工程学院马鞍山243032 天津大学机械工程学院天津300072

采用动态子结构法建立计入内齿圈柔性的行星传动刚柔耦合动力学模型,将内齿圈视为弹性连续体,导出内外约束条件下的运动微分方程,并将其与刚体构件的集中参数方程相结合,构建出系统的运动微分方程。基于所建模型,进行柔性齿圈直齿行星... 详细信息

采用动态子结构法建立计入内齿圈柔性的行星传动刚柔耦合动力学模型,将内齿圈视为弹性连续体,导出内外约束条件下的运动微分方程,并将其与刚体构件的集中参数方程相结合,构建出系统的运动微分方程。基于所建模型,进行柔性齿圈直齿行星齿轮系的自由振动分析和相关试验验证。理论分析揭示出此类系统的振型可归结为4类:中心构件扭转振动模式、中心构件平移振动模式、行星轮振动模式和内齿圈振动模式,并给出每类振动模式的特征和降阶计算公式。数值仿真表明,内齿圈柔性使系统低阶固有频率降低,且新呈现的内齿圈振动模式对应的固有频率位于整个系统固有频率的中低频段,故在后续行星轮系的动态设计中应计及齿圈柔性的影响。振动试验则表明,内齿圈柔性对系统振动特性存在一定影响,除啮频激励和箱体结构共振外,行星传动中还存在低阶谐振现象;对于中低速工况下且太阳轮浮动的行星传动而言,减小齿圈柔性有利于降低系统振动。

关键词：行星传动动力学建模固有特性刚柔耦合模型

准静态工况下渐开线直齿轮齿面磨损建模与分析

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机械工程学报 2017年第5期53卷 136-145页

作者：张俊卞世元鲁庆刘先增安徽工业大学机械工程学院马鞍山243032

根据Hertz理论和Archard磨损公式,建立面向真实工况的直齿圆柱齿轮准静态磨损模型,并对其齿面磨损特性进行了数值仿真。计算表明,理想工况下直齿轮副齿面沿齿宽方向均匀磨损,其在节圆附近的磨损量最小,而在小齿轮靠近齿根部位的磨损量最... 详细信息

根据Hertz理论和Archard磨损公式,建立面向真实工况的直齿圆柱齿轮准静态磨损模型,并对其齿面磨损特性进行了数值仿真。计算表明,理想工况下直齿轮副齿面沿齿宽方向均匀磨损,其在节圆附近的磨损量最小,而在小齿轮靠近齿根部位的磨损量最大;当存在啮合偏差时,齿面磨损深度沿齿向不再均布。在此基础上,进一步分析了负载工况和磨损循环次数对齿面磨损量的影响。分析表明,负载转矩和循环次数对齿面磨损量影响显著,近似呈指数映射关系。当以减磨延寿为齿轮设计目标时,必须计入负载工况和齿轮役期的影响。最后,分析了齿轮啮合偏差和微观修形对齿面磨损量的影响。研究表明,从改善齿面载荷分布和减缓齿面磨损角度考量,应严控齿轮啮合偏差量,并可通过制定合适的齿面修形策略来减缓齿面磨损失效。

关键词：直齿轮齿面磨损啮合偏差齿轮微观俢形

含齿根早期裂纹损伤的行星齿轮箱故障机理研究

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2019年第11期52卷 1117-1128页

作者：张俊李习科汪建姚立纲刘先增福州大学机械工程及自动化学院福州350116 天津大学机械工程学院天津300350

行星齿轮箱中齿根早期裂纹损伤的故障特征微弱,导致其难以被识别.为揭示齿根早期裂纹的故障机理,采用集中参数法建立计入裂纹损伤效应的行星齿轮箱传动-结构耦合非线性动力学模型.首先,基于势能法建立含齿根裂纹损伤的齿轮副啮合刚度与... 详细信息

行星齿轮箱中齿根早期裂纹损伤的故障特征微弱,导致其难以被识别.为揭示齿根早期裂纹的故障机理,采用集中参数法建立计入裂纹损伤效应的行星齿轮箱传动-结构耦合非线性动力学模型.首先,基于势能法建立含齿根裂纹损伤的齿轮副啮合刚度与传动误差计算模型,通过刚度激励函数与位移激励函数将裂纹损伤的效应纳入行星传动系统的非线性动力学模型,进而求解行星传动系统的振动响应,结果表明内、外传动支路之间的传动误差差异导致各支路载荷分配不均.其次,采用ANSYS Workbench建立箱体结构的有限元模型.将行星传动系统中太阳轮、行星架以及内齿圈的支承反力施加于箱体结构的相应轴承座处,并通过窗函数计入行星架旋转对信号的调制效应以获取行星齿轮箱的振动信号;通过对箱体振动信号的频谱分析,提取了行星齿轮箱齿根早期裂纹损伤的故障特征.最后,搭建动力传动故障模拟实验台,对存在齿根早期裂纹损伤的行星齿轮箱进行了振动测试.仿真信号与实测信号基本一致,表明所建行星齿轮箱传动-结构耦合动力学模型能准确揭示行星齿轮箱齿根早期裂纹损伤的故障机理.行星齿轮箱中齿根早期裂纹损伤的故障特征表现为以啮合频率为中心、故障特征频率的分数倍频及行星架转频为间隔的调制边带.

关键词：行星齿轮箱齿根早期裂纹故障特征调制边带

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基于动力学模型的滚动轴承磨损特性分析

仪器仪表学报 2023年第8期44卷 218-227页

作者：曹正康梓秦樊中鼎刘先增刘永斌安徽大学电气工程与自动化学院合肥230601 智慧电网数字协同技术安徽省联合共建学科重点实验室合肥230601

本文建立了考虑轴承游隙、摩擦力和打滑的非线性滚动轴承动力学模型,并将动力学模型与Archard磨损理论结合,对轴承滚道磨损特性进行研究。首先通过动力学方程,计算出滚动轴承运行过程中的非线性接触力与接触表面滑移速度;然后将计算结... 详细信息

本文建立了考虑轴承游隙、摩擦力和打滑的非线性滚动轴承动力学模型,并将动力学模型与Archard磨损理论结合,对轴承滚道磨损特性进行研究。首先通过动力学方程,计算出滚动轴承运行过程中的非线性接触力与接触表面滑移速度;然后将计算结果带入磨损模型中,获得滚动轴承外滚道磨损分布;根据磨损后的滚动轴承径向游隙,更新动力学模型,研究轴承磨损特性以及轴承振动响应,并研究不同表面粗糙度下轴承磨损分布的变化趋势,结果表明:表面粗糙度对轴承磨损性能有较大影响,轴承表面粗糙度σ=0.42μm时外圈磨损速度是σ=0.2μm的6.9倍。本文研究成果为滚动轴承系统运行状态评估与寿命预测提供了理论基础。

关键词：磨损打滑振动响应磨损预测动力学分析

计入结构柔性和边界条件的内齿圈面内振动分析

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福州大学学报（自然科学版） 2016年第5期44卷 694-702页

作者：卞世元刘先增焦阳张俊安徽工业大学机械工程学院安徽马鞍山243032 天津大学机械工程学院天津300072 南京工艺装备制造有限公司江苏南京211178 福州大学机械工程及自动化学院福建福州350116

采用弹性力学方法推导内齿圈的运动微分方程,用摄动法求解无约束条件下内齿圈的固有频率和振型函数,并通过消除永年项获得了含约束条件下的内齿圈面内振动频率的解析表达式.以某汽车变速箱中的内齿圈为例,运用所获的解析式计算了该齿圈... 详细信息

采用弹性力学方法推导内齿圈的运动微分方程,用摄动法求解无约束条件下内齿圈的固有频率和振型函数,并通过消除永年项获得了含约束条件下的内齿圈面内振动频率的解析表达式.以某汽车变速箱中的内齿圈为例,运用所获的解析式计算了该齿圈的面内振动频率,其结果与前人研究中的有限元仿真及模态实测数据吻合较好.表明所提理论模型具有较高的计算精度,能准确揭示内齿圈的振动特性.最后,依托所建理论模型,分析内齿圈结构柔性和内、外约束条件对其面内振动特性的影响.计算结果表明,内齿圈面内振动频率随外约束刚度的增大而增大,且当内齿圈所有外约束的刚度之和不变时,降低单个外约束的刚度也即增大外约束的数目可小幅度地降低齿圈的面内振动频率;相比于外约束,内约束数目和刚度对内齿圈面内振动频率影响较小,随着内约束数目和刚度的增加,同一节径数下的内齿圈面内振动频率呈缓慢增大趋势.啮合相位变化时,面内振动模式的固有频率变化较大.

关键词：行星齿轮内齿圈结构柔性边界条件固有频率

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非对称循环交变动载荷下惰轮裂纹扩展研究

应用力学学报 2023年

作者：刘先增林高远刘永斌曹正汪航樊中鼎安徽大学电气工程与自动化学院高节能电机及控制技术国家地方联合工程实验室

惰轮轮齿的两工作齿廓依次与主、从动轮的轮齿工作齿廓交替接触啮合使轮齿承受非对称循环交变载荷，齿根处拉、压应力状态交替出现，致使其裂纹扩展行为复杂。通过等效离散化将惰轮两工作齿廓的啮合过程模拟为等效移动载荷依次在两工作... 详细信息

惰轮轮齿的两工作齿廓依次与主、从动轮的轮齿工作齿廓交替接触啮合使轮齿承受非对称循环交变载荷，齿根处拉、压应力状态交替出现，致使其裂纹扩展行为复杂。通过等效离散化将惰轮两工作齿廓的啮合过程模拟为等效移动载荷依次在两工作齿廓的离散点上加载，考虑闭合效应下拉、压应力状态交替变化引起的影响，提出了非对称循环交变载荷下惰轮裂纹扩展仿真方法，分别在准静态和动态载荷情况下开展惰轮裂纹扩展研究。结果表明：相比于拉应力受载状态，拉、压应力交变受载状态下压应力会延缓齿根应力强度因子KI增长，使裂纹前缘开裂角θ增大，且随着裂纹扩展压应力的影响逐渐减小，当压应力失效时KII显著下降，使有效应力强度幅值△Keq显著增大，导致裂纹扩展寿命降低；相比于准静态载荷，动态载荷会促进KI增长，使裂纹前缘开裂角θ减小，使有效应力强度幅值△Keq显著增大，导致裂纹扩展寿命降低。

关键词：非对称循环动态载荷惰轮裂纹扩展有限元

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考虑尺寸公差的摆线齿廓修形方法

机械设计 2018年第6期35卷 9-16页

作者：刘亭亭刘先增陈港杨玉虎天津大学机械工程学院天津300072

针对摆线针轮机构精度高、回差小及传动平稳的特点,提出了一种摆线齿廓修形补偿零部件尺寸偏差,以空回误差最小为目标的摆线齿廓修形方法。分析零部件尺寸偏差对啮合间隙或过盈的影响,针对各尺寸公差引起的侧隙或干涉量设计修形方案,确... 详细信息

针对摆线针轮机构精度高、回差小及传动平稳的特点,提出了一种摆线齿廓修形补偿零部件尺寸偏差,以空回误差最小为目标的摆线齿廓修形方法。分析零部件尺寸偏差对啮合间隙或过盈的影响,针对各尺寸公差引起的侧隙或干涉量设计修形方案,确定摆线齿廓修形方式和修形量。在此基础上,建立考虑摆线齿廓修形和零部件尺寸偏差的空回误差分析模型;通过仿真研究尺寸偏差对机构回差的影响规律,表明所设计的修形方案可实现机构回差最小的目的,验证了该方法的有效性。提出的修形方法为摆线齿廓修形提供了一种新的思路。

关键词：摆线针轮传动修形方案尺寸公差回差建模

计入齿面微观修形的斜齿轮动力学建模及修形可靠性研究

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龙岩学院学报 2017年第2期35卷 74-79页

作者：郭凡汪建刘先增河海大学文天学院安徽马鞍山243031 安徽工业大学安徽马鞍山243031 天津大学天津300072

为研究齿面微观修形对齿轮系统动态性能的影响,建立了计入齿面微观修形的斜齿轮动力学模型,分析了确定参数条件下齿轮修形对斜齿轮副动态啮合力和动态传递误差的影响,并给出了合理的齿面微观修形策略。在此基础上,分析斜齿轮修形参数的... 详细信息

为研究齿面微观修形对齿轮系统动态性能的影响,建立了计入齿面微观修形的斜齿轮动力学模型,分析了确定参数条件下齿轮修形对斜齿轮副动态啮合力和动态传递误差的影响,并给出了合理的齿面微观修形策略。在此基础上,分析斜齿轮修形参数的不确定性对传动系统动态响应的影响。利用响应面法和蒙特卡洛法,对计入随机因素的齿轮修形效果进行了可靠性评估,给出了动态传递误差波动量受修形量波动的响应概率。分析结果表明,在计入误差等随机因素的条件下,本文提出的修形策略能有效改善齿轮系统的动态特性。

关键词：修形动态啮合力动态传递误差响应面法蒙特卡洛法

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斜齿圆柱齿轮齿面磨损建模与数值分析

安徽工业大学学报（自然科学版） 2015年第2期32卷 147-151页

作者：刘先增鲁庆张鹏张俊安徽工业大学机械工程学院安徽马鞍山243032

综合运用Hertz接触理论和Archard磨损公式,建立斜齿圆柱齿轮齿面磨损模型,并对其齿面磨损特性进行数值仿真。仿真表明,理想工况下,斜齿轮副的齿面沿齿宽方向非均匀磨损,其在节圆附近的磨损量最小,在小齿轮靠近齿根部位的磨损量最大。在... 详细信息

综合运用Hertz接触理论和Archard磨损公式,建立斜齿圆柱齿轮齿面磨损模型,并对其齿面磨损特性进行数值仿真。仿真表明,理想工况下,斜齿轮副的齿面沿齿宽方向非均匀磨损,其在节圆附近的磨损量最小,在小齿轮靠近齿根部位的磨损量最大。在此基础上,进一步分析负载工况和磨损循环次数对齿面磨损量的影响。分析表明,负载转矩和循环次数对齿面磨损量影响显著。当以减磨延寿为齿轮设计目标时,必须计入负载工况和齿轮寿命的影响。

关键词：斜齿轮齿面磨损负载工况