高速機車走行部齒輪傳動系統(tǒng)的動力學仿真

劉海娥, 張建國

(鄭州鐵路職業(yè)技術學院 機電工程系，河南 鄭州 451460)

0 引 言

漸開線齒輪作為一種必不可少的連接和傳動的通用零件, 廣泛應用于機床、車輛、船舶及航空器等傳動裝置中。同時在機車傳動領域也有著重要地位，作為整個傳動裝置的核心部分，傳動齒輪使機車通過牽引電機電樞軸傳遞動力而使車輪轉動，而齒輪又是最容易損壞的機械零件之一，齒輪傳動機構的故障和失效將會對整個生產(chǎn)造成巨大的損失[1]。準確掌握齒輪傳動的力學特性及運動特點，對于齒輪系統(tǒng)的可靠性設計、校核計算及故障診斷具有重要作用[2]。

1 高速機車走行部齒輪傳動系統(tǒng)虛擬樣機模型

虛擬樣機仿真分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysisof Mechanical Systems)是對機械系統(tǒng)的運動學與動力學進行仿真計算的軟件，集建模、計算和后處理于一體。采用SolidWorks軟件建立齒輪傳動系統(tǒng)各零件的模型并進行裝配，高速機車走行部齒輪傳動參數(shù)如表1所示。裝配設定達到要求后，將三維模型導入ADAMS，完整的齒輪傳動系統(tǒng)虛擬樣機模型如圖1所示(為了更清楚地觀察齒輪傳動機構內(nèi)部接觸，對上箱體進行了隱藏)。

2 動力學模型仿真分析

某型機車走行部齒輪傳動系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。現(xiàn)假設電機轉速400 rad/s，車軸負載2 584.3 N·m。

為在電機軸上施加轉速時不出現(xiàn)突變，并模擬電機啟動和關閉狀態(tài)，使用STEP函數(shù)使轉速在1.5 s內(nèi)由0增加到400 rad/s；1.5～4.0 s保持勻速轉動；4.0～5.0 s轉速由400 rad/s減回0。即STEP(time，0.0，0.0，1.5，400)+STEP(time，1.5，0.0，4.0，0)+STEP(time，4.0，0.0，5.0，-400)，time為時間自變量。在車軸上施加負載2 584.3 N·m。

完成模型的定義之后，考慮到齒輪的轉速較高，以及進行仿真操作耗時較長，所以設置仿真總時長為5 s，總步數(shù)為2 500步。首先進行正常狀態(tài)仿真，用以驗證試驗的正確性，如圖2所示。

表1 某型高速機車傳動齒輪參數(shù)

圖2 正常工況下兩齒輪的加速度

在1.5～4 s的時間內(nèi)，從動齒輪轉速基本穩(wěn)定在91.90 rad/s。則有實際平均傳動比為：

與理論傳動比4.35誤差只有0.05%，可以忽略不計，滿足傳動比要求。同時驗證了齒輪齒形和建模方法的正確性。

為了分析各種故障狀態(tài)下齒輪的動力學表現(xiàn)，分別模擬了以下六種不同工況：

(1) 正常狀態(tài)：以導入的正常模型進行仿真分析；

1.1.5 排除標準 非隨機對照研究，患者為非慢性阻塞性肺疾病合并呼吸衰竭，對照組非無創(chuàng)正壓通氣治療，兩組常規(guī)治療不一致，數(shù)據(jù)統(tǒng)計不完整，無有效數(shù)據(jù)提取，重復發(fā)表的研究，綜述等。

(2) 齒輪偏心(徑向跳動)：導入正常模型之后，主動齒輪軸線與電機軸軸線偏離10 mm，然后進行仿真分析；

(3) 傳動軸偏斜：導入正常模型后，主動齒輪與電機軸旋轉0.04 rad，然后進行仿真分析；

(4) 中心距誤差：導入正常模型之后，主動齒輪與電機軸平移10 mm，然后進行仿真分析；

(5) 主動齒輪斷齒：以導入的主動齒輪斷齒模型進行仿真分析；

(6) 被動齒輪斷齒：以導入的被動齒輪斷齒模型進行仿真分析。

2.1 角速度曲線分析

通過ADAMS/View的后處理功能，可以得到仿真結果數(shù)據(jù)組成的曲線圖，如圖3所示。

圖3 各工況下從動齒輪角速度曲線

通過數(shù)據(jù)曲線，可以看出齒輪嚙合時，角速度不是平穩(wěn)的直線，而是在一定范圍內(nèi)波動的，通過ADAMS的數(shù)據(jù)處理功能，還可以得出角速度的極值和均值方便進行比較如表2。

表2 各工況下1.5～4 s角速度仿真值

由圖3及表2可以看出：

(2) 傳動軸偏斜時，曲線波動主要以小坡度曲線為主，傳動比均值與正常狀態(tài)下相差0.05 rad/s，變化不大。說明傳動軸平行度誤差不大時，雖然平均傳動正常，但是仍然存在瞬時傳動比的變化。

(3) 中心距存在誤差(偏大)時。從動齒輪角速度曲線較為平滑，波動情況不明顯。但是角速度平均值僅為79.34 rad/s，明顯小于理論值，說明此故障狀態(tài)下，傳動比較平穩(wěn)，但是傳動比明顯減小。

(4) 當齒輪傳動系統(tǒng)出現(xiàn)斷齒故障時。角速度曲線呈鋸齒狀，齒輪嚙合過程中產(chǎn)生瞬時傳動比變化，而主動齒輪斷齒比被動齒輪斷齒角速度曲線波動更為劇烈，主要是由于主動齒輪轉速要高于被動齒輪引起的，而兩種故障狀態(tài)下角速度平均值與正常狀況差值小于5 rad，說明對平均傳動比影響不是很大。

2.2 接觸力曲線分析

通過ADAMS/PostProcessor模塊，除了角速度曲線，還能得其它諸如加速度、力、力矩等許多測量值曲線，通過觀察齒輪接觸力曲線，與圖3比較分析，檢測角速度與接觸力的關系。各工況齒輪嚙合接觸力曲線如圖4所示。

圖4 各工況下齒輪嚙合力曲線

通過數(shù)據(jù)曲線可以看出：

(1) 與被動齒輪角速度曲線相似，齒輪嚙合力也不是平穩(wěn)的直線，而是在一定范圍內(nèi)波動的，這樣的數(shù)據(jù)更符合真實的齒輪嚙合情況。當齒輪的第一對輪齒嚙合后, 接觸行為便一直存在。

(2) 嚙合力的大小變化是因齒輪在克服負載轉矩做功過程中兩接觸輪齒嚙合時造成的接觸變形量的變化引起的, 在齒輪加速或者減速階段，隨著速度的變化，負載增大，嚙合力的大小一方面隨著負載的增加而增大，另一方面呈周期性波動。

(3) 輸入速度、外載荷和接觸剛度系數(shù)都相同的情況下，主動齒輪轉速穩(wěn)定時，齒輪出現(xiàn)故障，嚙合力曲線均呈鋸齒狀，其中以主動齒輪斷齒時最為劇烈。

(4) 從動齒輪角速度的波動趨勢與齒輪嚙合力波動趨勢基本保持一致，嚙合力波動幅值大較大的故障狀態(tài)的速度曲線波動幅值也大。角速度曲線越平穩(wěn)，嚙合力曲線也平穩(wěn)。

3 結 語

將所建立的齒輪傳動動力學模型導入MSC ADAMS，采用多體動力學方法對所建模型進行仿真分析，分析了齒輪傳動系統(tǒng)在各種故障狀態(tài)下的動力學行為表現(xiàn)形式，為機車牽引齒輪強度的提高和參數(shù)的優(yōu)化設計提供了依據(jù)。