齒輪嚙合運動下的齒根疲勞裂紋擴展、輪齒斷裂是導(dǎo)致齒輪傳動失效的主要原因之一。研究齒根疲勞裂紋擴展與齒輪嚙合振動特性之間的關(guān)聯(lián)性有助于借助齒輪系統(tǒng)振動信號的分析對齒根疲勞裂紋進行早期識別。本文基于線彈性斷裂力學(xué)理論框架,利用有限元分析軟件ABAQUS模擬出齒根裂紋擴展路徑。以含齒根裂紋的齒輪傳動系統(tǒng)為研究對象,在含齒根裂紋的齒輪對接觸分析有限元模型的基礎(chǔ)上建立了齒輪嚙合剛度隨齒根疲勞裂紋擴展的退化規(guī)律,并將此關(guān)系代入八自由度齒輪振動系統(tǒng)的運動微分方程動力學(xué)仿真模型中,進一步研究齒根裂紋擴展與傳動系統(tǒng)振動之間的關(guān)聯(lián)性。分析了不同長度裂紋對應(yīng)的振動信號的異常特征,總結(jié)了裂紋擴展和振動信號變化之間的規(guī)律。本文部分研究內(nèi)容依托于國家國際科技合作項目(計劃編號2015DFA71400)開展,主要研究工作如下:首先,利用UG三維建模軟件對相互嚙合的標(biāo)準(zhǔn)直齒輪進行參數(shù)化建模,導(dǎo)入ABAQUS軟件中建立齒輪對接觸分析有限元模型。通過靜力分析確定齒根最大彎曲應(yīng)力點,將其作為裂紋起裂點。在HyperMesh軟件中,將健康齒輪有限元網(wǎng)格模型齒根區(qū)域分割出裂紋塊并預(yù)制初始裂紋。將重新劃分的含裂紋網(wǎng)格模型導(dǎo)入ABAQUS進行計算得出應(yīng)力強度因子,代入斷裂力學(xué)最大周向正應(yīng)力理論公式計算得出擴展角度,假定裂紋擴展量后,確定該擴展步的裂紋。在裂紋塊進行裂紋定義和網(wǎng)格更新,重復(fù)上述步驟,模擬裂紋擴展軌跡。將應(yīng)力強度因子和Pairs公式相結(jié)合,計算出疲勞裂紋擴展壽命。然后,通過有限元法計算健康齒輪時變嚙合剛度,用經(jīng)典能量法驗證有限元法計算剛度的有效性,并采用有限元法計算隨齒輪嚙合運動的齒根裂紋擴展下齒輪的嚙合剛度。本文提取了不同長度齒根裂紋有限元模型的嚙合齒面節(jié)點的接觸力和位移,計算出齒輪嚙合形變量。結(jié)合剛度定義,在MATLAB中模擬不同長度齒根裂紋嚙合剛度隨轉(zhuǎn)角變化關(guān)系,總結(jié)出嚙合剛度隨齒根裂紋擴展的退化規(guī)律。最后,建立八自由度齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型。將健康齒輪時變嚙合剛度代入到該平移-扭轉(zhuǎn)振動微分方程中,在MATLAB中進行數(shù)值求解得出由時變嚙合激勵產(chǎn)生的振動信號;同理,將含不同長度齒根裂紋的齒輪時變嚙合剛度代入方程,求解得出含齒根裂紋的齒輪振動特征信號。對健康齒輪和齒根裂紋故障齒輪的徑向加速度信號,進行時域和頻域的對比分析。主要研究了在時域范圍和頻域范圍內(nèi)齒輪系統(tǒng)振動信號隨齒輪裂紋擴展的變化規(guī)律。
【學(xué)位單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH132.41
【部分圖文】：

1.1 課題來源與研究意義本課題來源于國家國際科技合作項目風(fēng)電齒輪箱可靠性設(shè)計與健康監(jiān)測技術(shù)合作研究（計劃編號 2015DFA71400）。自工業(yè)革命以來，隨著人類社會的飛速發(fā)展，化石燃料作為最主要能源形式其需求量也迅猛增長。截至 2017 年，包含煤、石油、天然氣在內(nèi)的三大化石燃料約占全球能源消費量的 85%。為了減少環(huán)境污染，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，在世界范圍內(nèi)掀起一場新能源革命的浪潮。風(fēng)能是一種可再生的綠色能源且儲量豐富，是目前最具商業(yè)化發(fā)展前景的能源[1]，2017 年可再生能源增量的一半以上來源于風(fēng)電。據(jù)全球風(fēng)能理事會(GWEC)統(tǒng)計，2017 年全球新增裝機 5257 萬千瓦，累計裝機容量達(dá)到 53958 萬千瓦[2]。風(fēng)電場通常建設(shè)在偏僻的山區(qū)或沿海地帶風(fēng)口處，風(fēng)電機組長期工作在離地面幾十米的惡劣環(huán)境中，面臨無規(guī)律的變相變負(fù)荷的風(fēng)力作用以及強陣風(fēng)沖擊，還伴隨著極端溫差的作用。因此，齒輪箱時常發(fā)生故障造成巨大的經(jīng)濟損失[3]，并且由于其所處環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致維修困難，維修成本極高。風(fēng)力發(fā)電機和齒輪箱模型如圖 1.1 所示。

技術(shù)路線

裂紋疲勞擴展壽命。本文涉及到的齒輪系統(tǒng)動力學(xué)理論主要包括，齒輪時變嚙合剛度的求解方法和齒輪統(tǒng)動力學(xué)模型的介紹。關(guān)于時變嚙合剛度，主要介紹了經(jīng)驗公式法、理論計算法和有限法；齒輪系統(tǒng)動力學(xué)模型的介紹中，主要是按照自由度的復(fù)雜程度來劃分。2.2 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)齒根疲勞裂紋擴展、輪齒斷裂是導(dǎo)致齒輪傳動失效的主要原因之一。引起齒輪產(chǎn)生紋的原因有很多，主要包括齒輪原材料的鍛壓過程以及齒輪的熱處理、機加工、運輸和面的化學(xué)腐蝕等都會使齒輪產(chǎn)生裂紋[37]。對齒根疲勞裂紋擴展的研究是后續(xù)齒輪嚙合剛的退化規(guī)律和故障齒輪振動特性研究的基礎(chǔ)。因此，研究齒根疲勞裂紋擴展規(guī)律和齒根紋疲勞擴展壽命具有重要意義。2.2.1 裂紋基本類型介紹含裂紋等缺陷構(gòu)件根據(jù)外界載荷的不同會產(chǎn)生不同形式的裂紋開裂，根據(jù)作用力和紋面的位置關(guān)系可以分為張開型、滑開型和撕開型裂紋，如圖 2.2 所示。
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本文編號：2873101