[发明专利]含裂纹故障的变工况单级重载齿轮箱振动响应仿真分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种振动响应仿真分析方法，特别是一种含裂纹故障的变工况单级重载齿轮箱振动响应仿真分析方法。 

背景技术

大型重载装备齿轮箱传动系统(例如风力发电增速齿轮箱、高炉无料钟炉顶气密箱、炼钢转炉传动系统、水泥磨的传动设备、港口卸船机传动系统、门座式起重机传动设备、钢包旋转塔动力传动设备、棒线材粗轧机齿轮箱等)是现代工业中复杂系统及重大设施的关键设备，若发生突发事故将会产生连锁反应，严重影响企业的生产和经济效益。此类设备的突出特点是工作转速低，承载量大，运行中齿轮承受较大的冲击载荷且由于运行工况的变化使载荷动态变化。此类重载设备维修费用高，由于低速运转，载荷动态变化，且齿轮多属硬齿面闭式齿轮，因此易出现裂纹引起的停-启阶段或运行阶段的突发性断裂故障。鉴于此类设备的上述特点，传统的振动监测诊断理论与技术虽能起到一定的功效，但由于设备工况复杂，故障机理不清导致振动诊断技术还未完全发挥其应有的作用。因此研究此类设备齿轮箱传动系统的故障产生与传播机理及故障监测与诊断技术具有重要的工程和理论价值。 

为了促进实际系统中变工况重载齿轮故障的诊断及预测技术的发展，建立产生与实际工况相符的特定故障齿轮信号的仿真模型是必要的。 

对于齿轮故障的机理，建立研究对象的数学力学模型，并采用数值模拟技术展开深入研究是目前国际上普遍采用的方法。 

利用有限元法求解齿轮啮合刚度有其独特的优势；然而目前主流的有限元分析软件(如ansys)在实体建模，特别是在像含不同形态裂纹故障齿轮这样的复杂情况的建模时，有很大的局限性。SolidWorks是目前中端市场发展最快的三维设计软件之一，利用其强大的建模功能可以精确地仿真实际情况中含复杂裂纹故障的齿轮。MATLAB是国际上的标准计算软件，利用其求解齿轮箱系统的动力学微分方程组无论是效率还是精度都是毋庸置疑的。因此，结合ansys、SolidWorks和MATLAB对含裂纹故障的变工况单级重载齿轮箱振动响应进行精确地仿真，对重载齿轮故障机理的研究及其智能故障诊断的研究具有重要的理论与实际意义。 

发明内容

本发明为了简便、精确地求解含复杂形态裂纹的齿轮副任意位置啮合刚度，同时考虑齿轮系统的支撑刚度和变工况参数，提出了一种含裂纹故障的变工况单级重载齿轮箱振动响应仿真分析方法，采用此方法仿真的故障齿轮系统振动响应能够为重载设备故障诊断的机理研究奠定重要的基础。 

为实现上述目的，本发明的技术方案如下： 

一种含裂纹故障的变工况单级重载齿轮箱振动响应仿真分析方法，包括以下步骤： 

1)含裂纹齿轮副的三维建模与装配： 

利用三维建模软件SolidWorks，建立渐开线圆柱齿轮的高精度三维实体模型，根据实际工况要求方便、准确地绘制齿轮的任意形态裂纹故障，并使齿轮啮合装配； 

2)建立齿轮副有限元模型： 

将步骤1)的模型导入到有限元分析软件ansys，在ansys软件前处理模块中，根据实际工况，完成对材料属性、参数、载荷、约束和接触对的设定，并划分有限元网格； 

3)计算任意啮合位置齿轮副啮合刚度： 

利用ansys软件的APDL语言编制啮合刚度计算程序，通过设置齿轮转角控制其啮合位置，结合循环结构，实现任意啮合位置的齿轮啮合刚度的求解； 

4)建立齿轮系统动力学模型和微分方程： 

基于上述步骤3)中齿轮啮合刚度的计算，考虑齿轮系统支撑刚度，结合实际变工况参数，建立齿轮箱系统八自由度有阻尼动力学模型，推导出系统动力学微分方程组； 

5)求解微分方程并绘制系统振动加速度响应图： 

利用MATLAB软件编制程序，求解上述步骤4)中推导出的系统动力学微分方程组，最终求得含裂纹故障齿轮的系统振动加速度响应曲线图。 

所述的含裂纹故障的变工况单级重载齿轮箱振动响应仿真分析方法，其特征在于：所述步骤1)中，利用SolidWorks软件强大的三维建模功能，能够非常方便和精确的仿真出齿轮的任意裂纹故障，包括裂纹位置、大小和形态特性；同时，为了节省计算时间，建模时忽略了未参 与啮合的轮齿，从而能够很好的减少计算量，而由此引起的误差却相对极小。 

所述的含裂纹故障的变工况单级重载齿轮箱振动响应仿真分析方法，其特征在于：所述步骤2)中，为了提高网格划分的效率，采用了能较大地提高计算效率的六面体网格划分工具Sweep，并通过设置轮齿轮廓线、轴孔圆以及轴向齿宽这些典型位置的网格数量来控制网格质量。