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故障直齿轮传动系统动力学建模及振动响应分析

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故障直齿轮传动系统动力学建模及振动响应分析

作者：代鹏安徽工程大学

学位级别：硕士

直齿轮副传动系统以其瞬时传动比稳定、传动效率高、寿命长等优点被广泛应用于现代机械工业的传动机构中。由于恶劣工况、疲劳失效、磨损和装配等因素影响,极易造成部件的局部故障,严重威胁设备的安全可靠运行。为保证设备安全平稳运行... 详细信息

直齿轮副传动系统以其瞬时传动比稳定、传动效率高、寿命长等优点被广泛应用于现代机械工业的传动机构中。由于恶劣工况、疲劳失效、磨损和装配等因素影响,极易造成部件的局部故障,严重威胁设备的安全可靠运行。为保证设备安全平稳运行,需要利用传动系统的振动信号进行状态监测。齿轮系统的振动信号特征非常复杂,将直接影响状态监测结果的准确性。因此,为保证直齿轮副传动系统状态监测的准确性,本文通过建立故障直齿轮传动系统动力学模型,详细讨论不同工况和不同故障下齿轮系统的振动特性,为直齿轮系统的状态监测提供理论依据。主要内容如下:受服役环境影响,直齿轮传动系统工作工况多变,故障齿轮系统振动响应为非平稳信号,这使得齿轮系统状态识别变得更加困难。通过拉格朗日方程建立复合故障直齿轮传动系统动力学模型,以势能法和附加位移确定齿轮副啮合刚度和轴承局部故障,采用短时傅里叶变换处理齿轮系统产生的非平稳信号,深入分析齿轮系统在变速、变载、速度波动和载荷波动等变工况下的动态响应。结果发现:可变工况下齿轮传动系统振动频域上出现轴承内外滚道故障频率、齿轮副啮合频率和各自谐波频率;加速工况下的故障频率和频率幅值都随着速度增加而增加,加载工况下的故障频率保持不变,频率幅值增大;速度和载荷在目标设置值上下波动时,出现明显的故障频率波动和幅值波动。直齿轮传动系统中出现故障后,产生的冲击在传递过程中直接影响齿轮副和轴承之间耦合关系,而现有模型并未考虑此问题。因此,基于前一章所构建直齿轮系统动力学模型,引入传动轴的陀螺运动模型,建立考虑齿轮与轴承耦合关系的直齿轮系统动力学模型,深入分析耦合关系对齿轮系统振动特性的影响规律。结果表明:轴承的异步振动会引发传动轴的陀螺运动,降低齿轮副的啮合刚度;并且局部故障会使传动轴中心距和不对中偏角发生突变,造成啮合刚度进一步降低;当齿轮副或轴承存在单点故障时,频谱图上同时出现齿轮副和轴承的特征频率和谐波频率。直齿轮传动系统实际工作过程中,受工作环境或工况影响,轴承工作温度升高,外圈与轴承座之间出现间隙,以致传动轴的陀螺运动更加显著,严重影响齿轮系统的振动响应。因此,基于所建立考虑耦合关系的直齿轮传动系统动力学模型,通过赫兹理论和库仑摩擦模型计算外圈与轴承座之间的碰磨力,从而将外圈与轴承座配合间隙引入齿轮系统动力学模型,揭示配合间隙对齿轮系统振动特性的影响规律。结果表明:配合间隙使齿轮副啮合过程变得混乱,轴承外滚道故障频率对系统时域响应的调幅作用增强;由于衰减次数的增加,齿轮副和轴承的超谐波响应被激发,且随着轴承配合间隙的增大,响应频谱中将出现更高阶次的超谐波频率;提高输入转速虽然使齿轮系统振动幅值增大,但超谐波响应被抑制,齿轮系统主要以基频频率振动。为验证上述分析结果的准确性,开展故障直齿轮传动系统振动特性实验,并提出一种有效识别系统故障类型和故障程度的OWF-TSCNN诊断模型。在该模型中,通过多传感器信息融合采集振动信号,利用双树复小波和最优加权因子方法（OWF）实现数据层预处理和数据层融合;基于1D-CNN和2D-CNN构建双流CNN（TSCNN）模型,分别将振动信号小波时频图和FFT谱作为输入;训练后的特征在全连接层拼接,并由SVM进行分类。与OWF-1DCNN和OWF-2DCNN模型相比后发现,OWF-TSCNN模型的时间消耗增加了14.5%-26.6%,网络的收敛速度有所降低,但其在训练集和测试集的准确率显著上升,分别达到100%和99.83%;损失熵和过拟合率也大大降低,特征提取能力和泛化能力明显增加,对故障类型和故障程度均达到较高的诊断准确率。

关键词：直齿轮传动系统动力学建模振动响应齿轮副故障轴承故障故障诊断

Stewart平台多能域系统动力学全解建模与实验

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农业机械学报 2018年第4期49卷 404-411页

作者：李永泉刘天旭王立捷张立杰程雪利燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛066004 燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室秦皇岛066004 燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室秦皇岛066004 河南工学院机械工程系新乡453002

围绕六自由度Stewart并联平台的多能域动力学建模展开研究。首先,采用旋量键合图建立了电动缸驱动Stewart平台机构本体动力学模型,采用传统键合图建立了伺服电动缸键合图模型,得到了该平台完整的机、电耦合的多能域系统动力学全局模型... 详细信息

围绕六自由度Stewart并联平台的多能域动力学建模展开研究。首先,采用旋量键合图建立了电动缸驱动Stewart平台机构本体动力学模型,采用传统键合图建立了伺服电动缸键合图模型,得到了该平台完整的机、电耦合的多能域系统动力学全局模型。其次,给定平台末端轨迹,对比Matlab理论计算、ADAMS软件仿真以及实验实测驱动力结果,验证了Stewart平台机构本体旋量键合图模型的正确性。最后,借助理论计算得到的驱动力,由平台系统多能域动力学全解模型进一步计算得到伺服电机电流,与通过实验得到的电机电流实测值对比,验证了该平台多能域系统动力学全解模型的正确性。为后续包含驱动单元惯性参数和摩擦参数在内的动力学参数辨识以及平台控制研究奠定了基础。

关键词：并联机构动力学建模旋量键合图多能域

基于有效接触面的螺栓连接动力学有限元建模及试验验证

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应用力学学报 2021年第2期38卷 756-762页

作者：胡杰沈展鹏中国工程物理研究院总体工程研究所绵阳621999 工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室绵阳621999

考虑了摩擦非线性,以接触面积内节点合力与螺栓预紧载荷相等为依据,通过数值模拟确定了螺栓连接有效接触区域范围,提出了被连接件的有效接触区域固连的动力学建模方法。多种边界条件和连接形式的固有频率试验值和仿真值能够很好吻合,各... 详细信息

考虑了摩擦非线性,以接触面积内节点合力与螺栓预紧载荷相等为依据,通过数值模拟确定了螺栓连接有效接触区域范围,提出了被连接件的有效接触区域固连的动力学建模方法。多种边界条件和连接形式的固有频率试验值和仿真值能够很好吻合,各阶模态频率偏差均在5%以内。进一步分析了不同摩擦系数对模态分析结果的影响,研究结果证明了基于有效接触面的螺栓连接动力学有限元建模方法的有效性,且该方法能较好地应用于工程设计阶段结构的有限元仿真。

关键词：螺栓连接动力学建模有效接触面有限元

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大型空间柔性组合航天器动力学建模与控制

中国科学：物理学、力学、天文学 2019年第2期49卷 58-69页

作者：周志成王兴龙曲广吉中国空间技术研究院通信卫星事业部北京100094

航天器在轨组装制造和在轨服务维护任务中,捕获航天器通过空间机械臂捕获目标航天器后,整个系统构成一个大型空间柔性组合航天器.本文首先建立了综合考虑机械臂关节、臂杆和航天器太阳翼等柔性部件振动影响的组合航天器动力学模型,采用... 详细信息

航天器在轨组装制造和在轨服务维护任务中,捕获航天器通过空间机械臂捕获目标航天器后,整个系统构成一个大型空间柔性组合航天器.本文首先建立了综合考虑机械臂关节、臂杆和航天器太阳翼等柔性部件振动影响的组合航天器动力学模型,采用非线性扭簧模型描述柔性关节,采用假设模态法和有限元法描述柔性臂杆和太阳翼,通过动量守恒和拉格朗日方法推导了柔性组合航天器的动力学方程.然后设计了柔性组合航天器轨迹跟踪与振动抑制复合控制系统,采用奇异摄动方法对组合航天器动力学模型进行了降阶分解,在快慢两种不同时间尺度内分别独立设计了控制器.最后通过数值仿真验证了建模和控制方法的有效性.仿真结果表明,本文所建动力学模型精确有效,能够准确反映柔性组合航天器的运动学和动力学特性;复合控制方法能够保证组合航天器在实现机械臂精确轨迹跟踪控制的同时有效抑制柔性部件振动,具有工程实用性.

关键词：在轨服务柔性组合航天器空间机械臂动力学建模轨迹跟踪振动抑制

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多柔体系统动力学建模与优化研究进展

力学学报 2019年第6期51卷 1565-1586页

作者：孙加亮田强胡海岩南京航空航天大学航空学院机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016 北京理工大学宇航学院飞行器动力学与控制教育部重点实验室北京100081

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等.近年来,随着工程技术的发展,多柔体系... 详细信息

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等.近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学建模与计算,还涉及其动力学优化设计.事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法.本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法.系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和拓扑优化3个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展.本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.

关键词：多柔体系统动力学建模动力学优化动力学响应动力学特性灵敏度分析部件优化

空间并联指向机构实验平台动力学建模与仿真分析

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实验技术与管理 2023年第10期40卷 128-134页

作者：陈修龙杨伟涛邓昱山东科技大学机械电子工程学院山东青岛266590

为了提高学生的动力学建模和分析能力,基于3自由度3-转动副-转动副-转动副-转动副-转动副(3-RRRRR)空间并联指向机构实验平台,开展动力学建模与仿真分析研究。首先,分析3-RRRRR空间并联指向机构实验平台的结构特征,建立并联指向机构平... 详细信息

为了提高学生的动力学建模和分析能力,基于3自由度3-转动副-转动副-转动副-转动副-转动副(3-RRRRR)空间并联指向机构实验平台,开展动力学建模与仿真分析研究。首先,分析3-RRRRR空间并联指向机构实验平台的结构特征,建立并联指向机构平台的运动学模型;然后,利用拉格朗日乘子法推导并联指向机构平台的刚体动力学模型,基于四阶龙格库塔(Runge-Kutta)算法求解机构平台动力学模型,通过数值仿真分析不同驱动速度对并联指向机构平台动力学响应的影响;最后,采用ADAMS虚拟样机仿真验证动力学模型及模型求解的正确性。该研究为空间并联机构实验平台刚体动力学建模和仿真分析提供了有效方法,为机构动力学分析与控制奠定了理论基础。

关键词：空间并联指向机构实验平台动力学建模仿真分析

含复杂滚动轴承建模的航空发动机整机振动耦合动力学模型

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航空动力学报 2017年第9期32卷 2193-2204页

作者：陈果南京航空航天大学民航学院南京211106

在航空发动机整机振动模型中对滚动轴承进行了详细建模。建立了5自由度(DOF)球轴承动力学模型,推导了在5自由度复杂变形下的轴承力和力矩表达式;针对圆柱滚子轴承,利用"切片法",推导了考虑轴承径向变形、圆柱转子凸度、轴承间隙以及轴... 详细信息

在航空发动机整机振动模型中对滚动轴承进行了详细建模。建立了5自由度(DOF)球轴承动力学模型,推导了在5自由度复杂变形下的轴承力和力矩表达式;针对圆柱滚子轴承,利用"切片法",推导了考虑轴承径向变形、圆柱转子凸度、轴承间隙以及轴承倾斜引起的角向变形等复杂因素作用下的圆柱滚子轴承的作用力;将复杂的球轴承模型和滚子轴承模型与6自由度的转子和机匣有限元梁模型结合,建立了含复杂滚动轴承建模的航空发动机整机振动模型,并利用数值积分方法进行了动力学方程求解。利用带机匣的转子试验器进行了方法验证,与试验结果对比表明,仿真计算的整机振动前3阶固有频率误差在5%以内,对应振型完全相似。

关键词：航空发动机整机振动滚动轴承动力学建模耦合动力学

立式四轴舱体内腔加工专机机械动力学建模与分析

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制造技术与机床 2022年第8期 14-20页

作者：李凌霄成群林平昊袁桢棣叶磊上海航天精密机械研究所上海201600

针对立式四轴舱体内腔加工专机,基于动态子结构法进行了机械动力学建模。求解了专机动结合部的滚珠丝杠副和直线导轨副的动态刚度特性。由建立的动力学模型分析整机的固有模态,应用解析法求解整机的固有频率。应用有限元软件建立专机有... 详细信息

针对立式四轴舱体内腔加工专机,基于动态子结构法进行了机械动力学建模。求解了专机动结合部的滚珠丝杠副和直线导轨副的动态刚度特性。由建立的动力学模型分析整机的固有模态,应用解析法求解整机的固有频率。应用有限元软件建立专机有限元模型,求解结合部刚性接触与设定了动态刚度性的整机固有频率与振型及谐响应分析结果。结果显示建立的含动态刚度的动力学模型能够有效镜像专机动力学特性,可应用于专机的动力分析与数字孪生虚拟样机研究。

关键词：内腔加工专机子结构法结合部动特性动力学建模

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弱撞击对接机构动力学特性建模

南京航空航天大学学报 2021年第1期53卷 35-43页

作者：陈传志汪捷陈金宝邓卫华崔继云南京航空航天大学航天学院南京211106 深空星表探测机构技术工业和信息化部重点实验室南京211106 航天东方红卫星有限公司北京100094

针对空间飞行器捕获对接过程中复杂的多体动力学问题,鉴于弱撞击对接机构(Low impact docking mechanism,LIDM)不同于以往常见的刚性对接机构,其在对接过程中产生碰撞力远小于空间飞行器自身的重量,且自身对接环处安装有六维力传感器,... 详细信息

针对空间飞行器捕获对接过程中复杂的多体动力学问题,鉴于弱撞击对接机构(Low impact docking mechanism,LIDM)不同于以往常见的刚性对接机构,其在对接过程中产生碰撞力远小于空间飞行器自身的重量,且自身对接环处安装有六维力传感器,因此可以将捕获过程中LIDM处产生的碰撞力等效为作用于对接环质心处的时变载荷。依据第二类拉格朗日方程的动力学建模方法,推导了各组件动力学参数的具体表达式,建立了全刚体目标系统下的多体动力学模型,并基于MATLAB实现了动力学参数的输出。用ADAMS的多体动力学模型进行仿真验证,结果表明:两者的计算验证结果证明了以拉格朗日方程建立的LIDM捕获动力学模型的正确性。为研究空间对接机构的结构优化与工程应用打下了基础。

关键词：弱撞击对接机构空间对接拉格朗日方程动力学建模力学特性仿真验证