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机车齿轮耦合转子系统振动特性分析

机车齿轮耦合转子系统振动特性分析

作者：陈聚龙西南交通大学

学位级别：硕士

齿轮转子系统是机车传动系统的核心部件,在高速、重载等服役环境下,齿轮系统易于损坏。在齿轮啮合的情况下,相比于单转子系统,齿轮轴系的振动响应特性有着本质的不同,其振动特性不再相互独立,各轴间弯扭耦合、相互作用。由于耦合振动对... 详细信息

齿轮转子系统是机车传动系统的核心部件,在高速、重载等服役环境下,齿轮系统易于损坏。在齿轮啮合的情况下,相比于单转子系统,齿轮轴系的振动响应特性有着本质的不同,其振动特性不再相互独立,各轴间弯扭耦合、相互作用。由于耦合振动对整个系统影响比较大,所以,从系统的角度考虑,对机车齿轮转子系统进行弯扭耦合研究十分必要。本文以某型号机车牵引电机齿轮转子系统为研究的对象,对整个系统从固有特性和动力学响应特性分别进行分析与研究,其工作内容包括:(1)本文以机车牵引电机齿轮转子系统作为研究的对象,考虑齿轮静态传递误差、齿轮几何偏心、输入输出转矩等因素,建立了全自由度平行轴齿轮动力学啮合模型。(2)由于齿轮耦合的存在,会对整个系统产生影响,建立了双轴的系统模型。并对单轴和整个系统进行模态分析对比。(3)根据文献[54]给出的标准,对整个系统在额定转速、不同转速情况下的不平衡响应特性进行了研究。(4)考虑静态传递误差,对系统进行了动力学响应分析。研究了额定转速下静态传递误差对响应的影响。同时,分析了静态传递误差对整个系统响应的影响。(5)建立了齿轮偏心情况下系统的动力学方程,并对模型进行了动力学响应分析。本文针对斜齿轮转子系统展开了动力学特性序列研究,分析了系统不同位置的动力学响应。期望数值计算得出的相应结果,能为牵引电机齿轮转子系统进一步研究和设计提供理论参考。

关键词：齿轮耦合齿轮转子系统有限元分析动力学响应齿轮偏心

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裂纹齿轮—转子系统振动特性分析

裂纹齿轮—转子系统振动特性分析

作者：宋溶泽东北大学

学位级别：硕士

齿轮副是机械设备中最为常用的动力和运动传递装置,其力学行为和工作性能直接影响着机械系统的整体性能和可靠性。由于齿轮的受力情况相当复杂,即使精细设计的齿轮箱也难免出现故障,这种不期望的故障可能导致严重的经济损失甚至危及生命... 详细信息

齿轮副是机械设备中最为常用的动力和运动传递装置,其力学行为和工作性能直接影响着机械系统的整体性能和可靠性。由于齿轮的受力情况相当复杂,即使精细设计的齿轮箱也难免出现故障,这种不期望的故障可能导致严重的经济损失甚至危及生命,因而对齿轮的早期故障特征进行分析并尽早识别齿轮早期故障具有重要的工程意义。本文以一个试验台齿轮转子系统为研究对象,建立齿轮副啮合模型及齿轮转子系统有限元模型,探讨齿根裂纹故障对齿轮啮合刚度和系统振动响应的影响,并通过试验对理论结果进行分析和对比。论文的主要研究内容如下：(1)对啮合刚度的三种求解方法,即变形法、能量法和有限元法进行详细的介绍,在传统能量法求啮合刚度的基础上提出改进能量法。通过变形法、改进能量法和有限元三种啮合刚度求解方法的对比表明,有限元法可以考虑更多的实际因素,计算结果较为准确,但计算效率较低。传统的能量法将轮齿视为基圆上的悬臂梁,在轮齿较多或较少时会产生很大的误差,而改进能量法考虑了真实的齿根过渡曲线,将轮齿视为齿根圆上的悬臂梁,更加符合轮齿的形状和受力情况,计算结果更为准确。(2)考虑较为真实的裂纹扩展路径和齿根裂纹对轮齿有效厚度的削弱作用,求解含齿根裂纹的齿轮啮合刚度,分析了裂纹深度、宽度、起始位置和扩展方向对齿轮啮合刚度的影响。研究结果表明,采用直线来模拟裂纹的扩展路径是合理的;在裂纹深度较大时应采用抛物线作为裂纹对轮齿有效厚度削弱的限制线。随着裂纹深度和宽度的增加,啮合刚度的降低幅度增加;随着裂纹起始位置角的增大,啮合刚度的降低幅度减小;随着裂纹扩展方向角的增大,啮合刚度先减小后增大。(3)探讨了齿根裂纹前后系统振动响应的变化以及不同裂纹参数对系统振动响应的影响。研究结果表明,裂纹出现后系统振动响应发生变化,时域波形中出现了以裂纹齿轮转动周期为间隔的周期性冲击,在啮合频率及其谐波附近出现边频,并且冲击、边频以及统计量的幅值随着裂纹深度和宽度的增加而增大,随裂纹起始位置角的增大而减小,随裂纹扩展方向角的增大先增加后减小。(4)考虑由轮齿弹性变形导致的延长啮合效应,基于有限元模型,分析了延长啮合对齿轮啮合刚度和系统振动响应的影响。分析结果表明,考虑延长啮合效应后,单双齿交替时啮合刚度不再是突变的而是渐变的,并且随着扭矩的增大,延长啮合现象越来越显著。另外,考虑延长啮合效应后,系统振动响应的时域和的频域特征也发生改变。(5)通过实验对理论分析进行验证,寻找有效识别早期裂纹故障的方法。研究表明,裂纹出现后,实验和仿真信号的瞬时能量在时间分布上产生周期性冲击,并且随着裂纹深度的增加,冲击能量的幅值越来越大。因而,通过Hilbert瞬时能量的变化可以较为轻松的检测齿轮裂纹故障。

关键词：齿根裂纹啮合刚度延长啮合齿轮转子系统振动响应裂纹识别

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斜齿轮耦合转子系统动力学特性研究

斜齿轮耦合转子系统动力学特性研究

作者：王奇斌东北大学

学位级别：硕士

齿轮转子系统是各种机器和机械设备中应用最广泛的动力和运动传递装置之一,其力学性能和工作性能对整个机器有重要影响。由于齿轮的啮合作用,齿轮轴系的振动特性与简单转子系统有着根本的区别,突出特征为系统各轴间的弯扭耦合振动,对于... 详细信息

齿轮转子系统是各种机器和机械设备中应用最广泛的动力和运动传递装置之一,其力学性能和工作性能对整个机器有重要影响。由于齿轮的啮合作用,齿轮轴系的振动特性与简单转子系统有着根本的区别,突出特征为系统各轴间的弯扭耦合振动,对于斜齿轮还存在弯扭轴摆耦合振动。如果不考虑耦合振动的影响,不仅造成计算精度低,而且容易丢失一些重要信息,如模态耦合派生的新频率,扭转激励激发的横向响应等。因此,应从系统的角度对齿轮耦合转子系统进行研究。本文以一个两对斜齿轮耦合的三平行轴转子系统为研究对象,考虑静态传递误差、齿轮几何偏心的影响建立了全自由度通用齿轮啮合动力学模型,并考虑转子系统的影响,建立了平行轴系齿轮转子系统有限元模型。从固有特性和动力学响应两方面对系统进行了分析,主要内容包括以下几个方面：(1)本文以斜齿圆柱齿轮系统为研究对象,考虑齿轮静态传递误差、齿轮几何偏心、输入输出转矩等因素,建立了全自由度通用平行轴齿轮动力学啮合模型。(2)考虑转子系统的影响,建立了平行轴系齿轮转子系统有限元模型。并对系统进行弯扭轴摆耦合固有特性分析。(3)为了判断系统的各阶主导模态、主导轴,更好的预测转子系统结构的失效部位、失效性质和实现结构在动力特性上的优化设计,本文提出使用模态应变能和模态应变能密度定量的识别转子系统主导模态和主导轴。并与定性识别的模态振型进行对比,证明了本文提出方法的正确性。(4)分析了多种参数对系统固有特性的影响。1)不同自由度下齿轮耦合;2)不同的主动轴、主动轴的转向、齿轮的旋向;3)齿轮的啮合刚度、安装角、螺旋角、方位角等因素。(5)基于API617标准分析了齿轮转子系统在定转速、变转速下的不平衡响应。结果表明在转速范围内,系统响应没有出现峰值,幅值也小于API617标准,因此系统在此范围内运行是安全可靠的。(6)通过建立齿轮几何偏心的系统动力学方程,分析了齿轮偏心对系统不平衡响应的影响。最后,分析了齿轮偏心量对系统响应的影响。(7)基于ANSYS软件建立了齿轮的有限元啮合模型。通过接触分析求得多种载荷下齿轮静态传递误差。然后考虑静态传递误差,对系统进行了动力学响应分析。最后,分析了多种载荷下齿轮传递误差的系统动力学响应。本文针对斜齿轮转子系统展开动力学特性的研究,通过大量数值计算得出动态特性的相应结果,为进一步的理论研究和高性能齿轮转子系统的设计提供理论基础。

关键词：斜齿轮齿轮转子系统动力学特性模态应变能弯扭轴摆耦合静态传递误差

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齿轮耦合多转子系统动力学特性研究

齿轮耦合多转子系统动力学特性研究

作者：苏武会西北工业大学

学位级别：硕士

随着旋转机械转速不断增加、性能不断提高，转子系统的振动特性越来越成为人们研究的焦点。含有齿轮传动的转子系统获得了广泛的应用，并已成为转子系统中重要的一个研究领域。由于齿轮的啮合作用，使得系统各转子之间的弯曲振动和扭转... 详细信息

随着旋转机械转速不断增加、性能不断提高，转子系统的振动特性越来越成为人们研究的焦点。含有齿轮传动的转子系统获得了广泛的应用，并已成为转子系统中重要的一个研究领域。由于齿轮的啮合作用，使得系统各转子之间的弯曲振动和扭转振动相互耦合，因而转子系统的动力学特性不能仅从单转子来考察。为此需要建立系统的弯扭耦合频率方程，对其动力学特性进行分析。论文首先介绍了现有转子系统动力特性的常用计算方法，深入研究了整体传递矩阵法、Riccati传递矩阵法和Riccati奇点消除法等算法。在此基础上作者提出了整体传递矩阵改进型Riccati法。该方法既保留了整体传递矩阵法的优点，又消除了Riccati传递矩阵法引入的异号无穷型奇点。本方法易于编制通用计算机程序，便于工程人员掌握。建立了斜齿轮、锥齿轮传动的线性力耦合模型，介绍了齿轮啮合刚度与啮合阻尼的计算方法，推导出了齿轮转子系统中斜齿轮耦合单元和锥齿轮耦合单元的耦合矩阵，成功地将整体传递矩阵法应用于齿轮转子系统的弯扭耦合振动分析。分析结果表明，由于齿轮的啮合作用，齿轮转子系统的弯振和扭振是耦合在一起的，各转子之间的振动也产生了耦合。如果不考虑齿轮的啮合作用，计算将丢失由于转子之间的耦合而产生的临界转速。以直齿圆柱齿轮为例，研究了齿轮转子系统稳态不平衡响应计算的整体传递矩阵法。根据直齿轮传动的线性动力学模型，推导出了齿轮耦合单元的耦合矩阵，将本文提出的方法成功地应用于齿轮耦合多转子系统稳态不平衡响应计算。算例结果表明，依据具体情况不同，齿轮的啮合作用会对转子系统的不平衡响应起到加剧或抑制的作用。

关键词：齿轮转子系统整体传递矩阵法弯扭耦合临界转速不平衡响应

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齿轮耦合对碰摩转子系统振动响应的影响分析

风机技术 2022年第5期64卷 57-67页

作者：孟磊尤小梅李朝峰沈阳鼓风机集团股份有限公司沈阳理工大学机械工程学院东北大学机械工程与自动化学院

针对含有碰摩故障的工业用离心压缩机齿轮耦合转子系统,利用有限元法建立了含碰摩故障的单转子及齿轮耦合转子系统的动力学模型,基于转子动力学理论和现代非线性动力学求解理论,进行了含齿轮耦合系统和不含齿轮耦合系统的碰摩故障响应... 详细信息

针对含有碰摩故障的工业用离心压缩机齿轮耦合转子系统,利用有限元法建立了含碰摩故障的单转子及齿轮耦合转子系统的动力学模型,基于转子动力学理论和现代非线性动力学求解理论,进行了含齿轮耦合系统和不含齿轮耦合系统的碰摩故障响应的对比研究,得到了齿轮耦合对于该类系统碰摩故障的响应规律,为齿轮耦合转子系统故障诊断及动态优化设计提供了理论参考。

关键词：离心压缩机齿轮转子系统非线性系统有限元法碰摩动态特性

轮转子系统稳态不平衡响应分析的整体传递矩阵法

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机械科学与技术 2009年第12期28卷 1613-1615,1620页

作者：兰贤辉李育锡苏武会西北工业大学机电学院西安710072

根据齿轮传动线性动力学模型,深入研究了齿轮转子系统稳态不平衡响应的整体传递矩阵法,推导出了计算稳态不平衡响应时齿轮耦合单元的耦合传递矩阵。使用笔者推导的计算方法,利用Matlab对齿轮耦合转子系统的稳态不平衡响应算例进行了分... 详细信息

根据齿轮传动线性动力学模型,深入研究了齿轮转子系统稳态不平衡响应的整体传递矩阵法,推导出了计算稳态不平衡响应时齿轮耦合单元的耦合传递矩阵。使用笔者推导的计算方法,利用Matlab对齿轮耦合转子系统的稳态不平衡响应算例进行了分析和编程计算。结果表明:齿轮啮合效应对转子系统的稳态不平衡响应有明显的加剧或抑制作用;并且成功地将笔者方法推广应用于包含齿轮啮合效应的齿轮多转子系统弯扭耦合振动的稳态不平衡响应分析中。

关键词：齿轮转子系统整体传递矩阵法不平衡响应

考虑多间隙耦合关系的齿轮系统非线性动力学分析

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振动与冲击 2015年第8期34卷 144-150,192页

作者：张慧博王然陈子坤魏承赵阳游斌弟哈尔滨工业大学航天工程系哈尔滨150001

建立了一种新的考虑径向间隙与动态齿侧间隙耦合的齿轮转子系统动力学模型,分析了径向间隙与齿侧间隙的耦合关系及其对系统动力学特性的影响。在系统动力学模型中,建立了考虑径向间隙的接触碰撞模型;通过推导齿轮中心距与齿侧间隙之间... 详细信息

建立了一种新的考虑径向间隙与动态齿侧间隙耦合的齿轮转子系统动力学模型,分析了径向间隙与齿侧间隙的耦合关系及其对系统动力学特性的影响。在系统动力学模型中,建立了考虑径向间隙的接触碰撞模型;通过推导齿轮中心距与齿侧间隙之间的函数关系,建立了考虑动态齿侧间隙的齿轮扭转振动模型。进而利用该模型对多间隙齿轮系统的动力学特性进行分析。给出了一对直齿轮副的数值仿真结果,分别分析了径向间隙大小和齿侧间隙大小对齿轮系统动力学特性的影响规律,分析结果对含间隙齿轮转子系统的研究具有重要的理论与工程价值。

关键词：动态齿侧间隙径向间隙多间隙耦合齿轮转子系统动力学特性

质量不平衡对齿轮传动系统振动影响的数值分析

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热能动力工程 2010年第3期25卷 312-316,359页

作者：张坤李应生郑百林中国船舶重工集团公司第七○三研究所黑龙江哈尔滨150036 同济大学航空航天与力学学院上海200092

对于大型高速齿轮转子系统,质量不平衡会产生周期的离心惯性力,使系统产生振动,影响强度和寿命。基于***建立齿轮系统弯扭耦合振动模型,并考虑了啮合型耦合和转子动力型耦合两种情况,将齿轮做刚性化处理而轴做柔性化处理。采用多柔体动... 详细信息

对于大型高速齿轮转子系统,质量不平衡会产生周期的离心惯性力,使系统产生振动,影响强度和寿命。基于***建立齿轮系统弯扭耦合振动模型,并考虑了啮合型耦合和转子动力型耦合两种情况,将齿轮做刚性化处理而轴做柔性化处理。采用多柔体动力学分析方法仿真得出齿轮在正常啮合和齿轮质量不平衡引起的转子涡动条件下的齿轮动态激励力和齿轮中心的涡动轨迹,以此进行分析比较,为齿轮箱动力学分析提供依据。在***中建立齿轮箱动力分析有限元模型,利用***对齿轮箱进行瞬态动力学分析,得到齿轮正常啮合和质量不平衡引起的涡动两种工况下箱体的振动特性。

关键词：弯扭耦合振动齿轮转子系统涡动质量不平衡振动.

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高速重载燃气轮机齿轮转子动力学特性研究

高速重载燃气轮机齿轮转子动力学特性研究

作者：钱恩重庆大学

学位级别：硕士

随着齿轮传动系统转速不断增加、性能不断提高,对于高速齿轮传动转子系统的动力特性研究越来越成为人们研究的焦点。由于齿轮的啮合作用,使得各转子之间的弯曲振动和扭转振动相互耦合,因而齿轮转子系统的动力学特性不能仅从单个转子来考... 详细信息

随着齿轮传动系统转速不断增加、性能不断提高,对于高速齿轮传动转子系统的动力特性研究越来越成为人们研究的焦点。由于齿轮的啮合作用,使得各转子之间的弯曲振动和扭转振动相互耦合,因而齿轮转子系统的动力学特性不能仅从单个转子来考察,为此必须建立系统的弯扭耦合系统模型来分析其动力学特性。论文依托国家科技支撑项目计划《高速、重载齿轮传动系统共性关键技术》,以高速重载燃气轮机齿轮传动转子系统为研究对象,结合现有的对简单转子系统动力特性的研究方法,对齿轮转子的动力学特性包括临界转速及不平衡响应进行研究,为燃气轮机齿轮箱的设计提供参考。论文首先简单介绍了转子振动问题的研究现状和当前面临的主要问题以及国内外对此问题的解决方法。总结了计算转子系统临界转速及振动模态的传递矩阵法,对简单转子系统弯振和扭振分析问题做了细致的研究,列举了几种典型单元的传递矩阵;并对滑动轴承支承转子的动力学特性的计算方法进行了研究。讨论了滑动轴承动力特性及油膜动力特性系数的确定,并就转子振动量的复数表示进行了深入研究,对转子系统的运动形态进行了分析,推导了各向异性支承转子典型单元的传递矩阵。应用整体传递矩阵法的基本理论对多平行轴耦合转子系统进行了建模及分析,推出了其整体传递矩阵。针对高速、重载燃气轮机齿轮转子系统,讨论并计算其轴承阻尼,刚度,齿轮啮合刚度,啮合阻尼以及齿轮转子系统各相关参数,导出耦合刚度阵,阻尼阵,运用传递矩阵法建立单轴转子的弯振模型及齿轮耦合转子系统的弯扭耦合振动模型,并对其固有特性进行了分析计算。结果表明,由于齿轮的啮合作用,使得转子系统的弯曲振动和扭转振动耦合在一起,并派生出一些新的临界转速及相应模态,因此在系统设计时需特别注意齿轮传动对这些模态的影响。最后,本文对齿轮转子系统的不平衡量响应进行了分析,结果表明,由于齿轮耦合作用,系统某一转子上的激振力将传递给其他转子,特别是高速轴上的不平衡量将引起转子系统的剧烈振动,因此要注意提高转子尤其是高速转子的动平衡精度,降低不平衡激励,以提高系统的动态品质。

关键词：齿轮转子系统弯扭耦合传递矩阵法临界转速不平衡响应