任菲,王得璽,時(shí)桂芹,梁棟,王琪,王寧,白溫毓,易園園
(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河南 鄭州 450002;2.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,河南 鄭州 450001;3.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院,重慶 400074;4.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450016;5.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州 310000;6.江漢大學(xué) 智能制造學(xué)院,湖北 武漢 430056)
與斜齒輪和直齒輪相比,人字齒輪具有更大承載能力、較小軸向力和更高重合度等優(yōu)點(diǎn),因此,人字行星傳動(dòng)被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、艦船汽輪機(jī)、起重機(jī)械、采煤機(jī)等重型機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中[1-4]。人字行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析具有重要的現(xiàn)實(shí)和工程意義。
目前對(duì)于行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)研究仍以理論分析為主,GUO Y等[1]采用集中參數(shù)法建立了包含軸承間隙的非線性直齒行星齒輪動(dòng)力學(xué)模型,研究了其動(dòng)力學(xué)特性;DAI H等[2]提出了一種新的行星齒輪傳動(dòng)齒輪嚙合力的計(jì)算方法;REN F等[3-5]建立了考慮制造誤差的人字行星齒輪數(shù)學(xué)模型,采用數(shù)值方法得到了系統(tǒng)的數(shù)值解;莫帥等[6]建立了星型傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型,研究其均載機(jī)理。以上研究需建立各個(gè)構(gòu)件的自由度動(dòng)力學(xué)方程,在面對(duì)特別復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí),求解過(guò)程繁瑣,不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)行星齒輪傳動(dòng)的工作性能。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,通過(guò)建立齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型,運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬已成為一種高效準(zhǔn)確的研究方法。截至目前,很多學(xué)者通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。秦濤等[7]建立了不同工況下直齒行星齒輪虛擬樣機(jī)模型并研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律;劉振皓等[8]建立了復(fù)合直齒行星齒輪動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型,重點(diǎn)研究其接觸力特征;劉凱文等[9]對(duì)雙輸入行星減速器進(jìn)行了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析;張鴻等[10]使用虛擬樣機(jī)技術(shù)研究了行星傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)特性;王敏等[11]使用仿真軟件對(duì)齒輪箱蝸桿副接觸變形進(jìn)行了研究;張永祥等[12]利用虛擬樣機(jī)技術(shù)研究了齒輪裂紋故障。這些成果對(duì)行星齒輪動(dòng)力學(xué)特性研究有重要影響,目前研究主要集中在直齒輪和斜齒輪,國(guó)內(nèi)對(duì)雙齒圈人字行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真研究還很少。
本文結(jié)合ADAMS,考慮摩擦系數(shù)、支撐剛度、嚙合阻尼等因素,建立系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型,研究行星輪傳動(dòng)時(shí)振動(dòng)規(guī)律、接觸力頻譜特性、系統(tǒng)故障特征以及支撐剛度對(duì)系統(tǒng)均載特性的影響。研究結(jié)果以期對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性、故障診斷研究和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
本文研究的雙圈人字行星傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由中心構(gòu)件(太陽(yáng)輪s、右側(cè)內(nèi)齒輪r1、左側(cè)內(nèi)齒輪r2和行星架c),若干個(gè)行星輪pi(i=1,2,…,N)以及輸入軸和輸出軸等構(gòu)成。輸入扭矩T經(jīng)太陽(yáng)輪s分流到各個(gè)行星輪,最后經(jīng)行星架輸出。太陽(yáng)輪和各個(gè)行星輪采用人字齒輪,考慮到安裝條件限制,內(nèi)齒輪采用2個(gè)旋向不同、其他參數(shù)均相同的斜齒齒圈r1和r2。
圖1 人字齒行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of herringbone planetary gear transmission system
行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。
表1 行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Planetary gear parameters
內(nèi)齒圈固定時(shí),系統(tǒng)傳動(dòng)比為
式中,zs、zr分別為太陽(yáng)輪和齒圈的齒數(shù)。
內(nèi)齒圈固定的人字齒行星齒輪傳動(dòng)的嚙合頻率的計(jì)算公式為
式中,ωs為太陽(yáng)輪的角速度。
由于ADAMS仿真軟件無(wú)法建立復(fù)雜的人字行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)模型,需使用建模軟件建模后再將模型導(dǎo)入到ADAMS中。根據(jù)表1提供的行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù),使用SolidWorks建立傳動(dòng)系統(tǒng)模型。將SolidWorks建立的裝配體另存為Parasolid(*.x_t)格式,然后導(dǎo)入到ADAMS。這種方法不能導(dǎo)入約束和配合關(guān)系,需要在ADAMS中重新添加約束。導(dǎo)入后生成的虛擬樣機(jī)模型如圖2所示,選取各構(gòu)件材料后,ADAMS將自動(dòng)生成構(gòu)件質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等信息。
圖2 雙內(nèi)齒圈行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)Fig.2 Virtual prototype of double ring gear planetary transmission mechanism
如表2所示,對(duì)雙齒圈人字行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的各個(gè)齒輪副添加約束如下:太陽(yáng)輪與大地的旋轉(zhuǎn)副、齒圈與大地的固定副、行星輪與行星架的旋轉(zhuǎn)副、行星架與大地的旋轉(zhuǎn)副。
表2 約束條件Tab.2 Constraints
行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在齒輪副嚙合過(guò)程中產(chǎn)生接觸力,采用沖擊函數(shù)法計(jì)算一對(duì)齒輪副的接觸力[13]。
接觸力定義為
式中:K為接觸剛度;x為碰撞過(guò)程中兩物體的距離;d為穿透深度;C為阻尼系數(shù);x1為實(shí)常數(shù)。
碰撞力中的參數(shù)為兩個(gè)輪齒碰撞引起的沖擊力,作為兩個(gè)變曲率半徑柱體的撞擊問(wèn)題,可以直接從Hertz靜力彈性接觸理論中得到[14]。其中接觸剛度可由Hertz接觸剛度K代替,它與物體的材料和結(jié)構(gòu)形狀有關(guān),計(jì)算公式為
式中:R為綜合曲率半徑;E*為綜合彈性模量。
綜合曲率半徑的計(jì)算公式為
式中,R1、R2為接觸點(diǎn)的當(dāng)量半徑,可用分度圓半徑代替齒輪接觸點(diǎn)的當(dāng)量半徑[15]。
綜合彈性模量的計(jì)算公式為
由于各齒輪副材料相同,所以彈性模量均取E=2.06×109Pa,泊松比μ1=μ2=0.29,計(jì)算出太陽(yáng)輪和行星輪的接觸剛度K1=3.17×108N·m-3/2,行星輪和內(nèi)齒圈的接觸剛度K2=3.65×108N·m-3/2。穿透深度d=0.1 mm,阻尼系數(shù)取剛度大小的1%,非線性指數(shù)e=1.5。
基于上述虛擬樣機(jī)模型,在太陽(yáng)輪上順時(shí)針施加輸入轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速設(shè)置為ns=100 r/min。在行星架上逆時(shí)針施加負(fù)載,負(fù)載設(shè)置為100 kN·m。為使轉(zhuǎn)速和扭矩平緩加載,防止造成仿真結(jié)果的失真,使用step函數(shù)對(duì)太陽(yáng)輪施加轉(zhuǎn)速,仿真時(shí)間t=5 s,仿真步數(shù)step=2 500,得到傳動(dòng)系統(tǒng)的角速度輸入輸出曲線,如圖3所示。為體現(xiàn)系統(tǒng)中的振動(dòng)特性,給出行星輪運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)心位移曲線圖,如圖4所示。行星架的輸出角速度出現(xiàn)了周期性波動(dòng),這是齒輪副嚙合傳動(dòng)過(guò)程中的周期性沖擊造成的。
圖3 傳動(dòng)系統(tǒng)角速度輸入輸出曲線Fig.3 Input and output curves of transmission system
仿真得到行星架的平均輸出角速度為2.98 rad/s,由仿真角速度結(jié)果計(jì)算系統(tǒng)的理論傳動(dòng)比為3.51,與理論傳動(dòng)比相比,對(duì)應(yīng)傳動(dòng)比誤差為1%,結(jié)果與理論相吻合,驗(yàn)證了所建模型的合理性和正確性。由圖4可以觀察到行星輪質(zhì)心在X,Y方向的位移變化規(guī)律,可以看出,行星輪在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中齒頻振動(dòng)較高,表明由行星架在配合系統(tǒng)輸出時(shí)不夠平穩(wěn),系統(tǒng)中除了齒輪副嚙合產(chǎn)生的振動(dòng)外,齒輪本身還存在著較大振動(dòng),振動(dòng)幅值與齒輪嚙合狀態(tài)和構(gòu)件間的裝配精度都有關(guān)系。
圖4 行星輪質(zhì)心位移曲線圖Fig.4 Displacement curve of planetary gear center of mass
對(duì)系統(tǒng)健康和故障兩種狀態(tài),系統(tǒng)健康時(shí)分別考慮有構(gòu)件支撐剛度和無(wú)構(gòu)件支撐剛度兩種情況,對(duì)接觸力進(jìn)行仿真分析,模擬行星輪發(fā)生斷齒故障,支撐剛度用軸套力代替,設(shè)置仿真時(shí)間為1661 s,其他設(shè)置不變。
3.2.1 健康狀態(tài)接觸力
對(duì)有構(gòu)件支撐剛度和無(wú)構(gòu)件支撐剛度兩種狀態(tài)下的健康狀態(tài)接觸力進(jìn)行仿真分析,以系統(tǒng)中的行星輪與其他齒輪組成的內(nèi)外齒輪副在無(wú)支撐剛度下接觸力為例給出時(shí)域頻域圖,如圖5~6所示。分析可知,0 Hz處的接觸力幅值最大,系統(tǒng)接觸力曲線呈周期變換且具有明顯的調(diào)制特征;系統(tǒng)彈性導(dǎo)致接觸力曲線波動(dòng)幅值較大,內(nèi)外嚙合的嚙合周期約為0.002 4 s。由圖5可以看出,最大接觸力為1.59×104N,平均接觸力為8.59×103N。內(nèi)嚙合接觸力頻域曲線主峰值約27.48 Hz,和理論公式計(jì)算的基頻27.37 Hz相近,基頻相對(duì)誤差為0.4%;隨后峰值約為基頻的2,3,4倍等,這些頻率稱為嚙合頻率的諧波頻率,在健康的系統(tǒng)頻域圖中,嚙合頻率和倍頻占主導(dǎo)地位。由圖6可知,最大接觸力為4.08×104N,平均接觸力為1.95×104N;從頻域曲線局部放大圖分析可知,內(nèi)外嚙合頻域曲線特征相似,其規(guī)律具有一致性,外嚙合基頻相對(duì)誤差為1.8%;外嚙合副的接觸力約為內(nèi)嚙合副的2.5倍??梢钥吹剑佑|力不存在低頻成分,這是由于輸入轉(zhuǎn)速和負(fù)載都為定值。內(nèi)嚙合副在0.3 s時(shí)接觸力達(dá)到最大值,外嚙合副在0.1 s時(shí)接觸力達(dá)到最大值,這個(gè)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)處于啟動(dòng)階段,接觸力最大,最大接觸力發(fā)生在兩齒輪接觸位置的齒根處??紤]構(gòu)件支撐剛度時(shí),其時(shí)域頻域曲線與無(wú)構(gòu)件支撐剛度的時(shí)域頻域曲線有著相同的特征,其接觸力幅值有所增大或減小。此外,由于嚙合相位影響,各齒輪副之間不僅存在相位差,而且接觸力波形也存在差異。
圖5 行星輪-內(nèi)齒圈內(nèi)嚙合副無(wú)故障接觸力時(shí)域頻域圖Fig.5 Time domain and frequency domain diagram of contact force of inner meshing pair of planetary gear and inner ring gear
圖6 太陽(yáng)輪-行星輪外嚙合副無(wú)故障接觸力時(shí)域頻域圖Fig.6 Time domain and frequency domain diagram of contact force of external meshing pair of trouble free sun gear and planetary
表3~6分別詳細(xì)列出了系統(tǒng)在健康狀態(tài)下考慮有構(gòu)件支撐剛度和無(wú)構(gòu)件支撐剛度時(shí)各齒輪副的接觸力,從表3~6可以看出:不管系統(tǒng)是否考慮構(gòu)件支撐剛度,系統(tǒng)中始終存在載荷分配不均勻現(xiàn)象,這與系統(tǒng)裝配誤差等因素有關(guān)。外嚙合接觸力始終比內(nèi)嚙合接觸力大,不考慮構(gòu)件支撐剛度時(shí),內(nèi)嚙合的平均接觸力大約為8.7×103N,外嚙合約為1.95×104N;考慮構(gòu)件支撐剛度時(shí),內(nèi)嚙合的平均接觸力約5.57×103N,外嚙合約為3.51×104N。明顯看出,因此考慮構(gòu)件支撐剛度時(shí),內(nèi)嚙合的接觸力減小了約40%,外嚙合增加了約1倍,各構(gòu)件載荷分布比無(wú)構(gòu)件支撐剛度時(shí)更為均勻,考慮構(gòu)件支撐剛度可以很大程度改善系統(tǒng)的均載特性。
表3 無(wú)故障不考慮支撐剛度內(nèi)嚙合接觸力Tab.3 Internal meshing contact force without considering support stiffness
表4 無(wú)故障不考慮支撐剛度外嚙合接觸力Tab.4 External meshing contact force without considering support stiffness
3.2.2 故障狀態(tài)接觸力
圖7為行星輪斷齒模型,不考慮系統(tǒng)構(gòu)件支撐剛度時(shí),對(duì)存在斷齒故障的行星傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,得到故障時(shí)內(nèi)外嚙合接觸力時(shí)域頻域曲線,如圖8~9所示。
圖7 行星輪斷齒故障圖Fig.7 Fault diagram of planetary gear broken teeth
表5 無(wú)故障考慮支撐剛度內(nèi)嚙合接觸力Tab.5 Internal meshing contact force with considering support stiffness
表6 無(wú)故障考慮支撐剛度外嚙合接觸力Tab.6 External meshing contact force with considering support stiffness
由圖8~9可以看到,行星輪發(fā)生斷齒故障時(shí),接觸力出現(xiàn)幅值跳躍現(xiàn)象,時(shí)域中出現(xiàn)明顯的周期性沖擊;系統(tǒng)健康情況下,每?jī)蓚€(gè)齒嚙合為一個(gè)周期,斷齒故障發(fā)生后,系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為周期性沖擊且周期變大。從接觸力幅值大小判斷:內(nèi)嚙合過(guò)程中最大接觸力為1.09×105N,平均接觸力為4.76×104N,其數(shù)值約為系統(tǒng)健康時(shí)接觸力的6倍;外嚙合過(guò)程中最大接觸力為2.29×105N,平均接觸力為5.33×104N,存在故障的行星輪與其他齒輪嚙合時(shí)的接觸力出現(xiàn)倍增現(xiàn)象,斷齒的行星輪明顯發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。從頻域圖可看出,系統(tǒng)出現(xiàn)了故障頻率,內(nèi)嚙合基頻為29.3 Hz,外嚙合基頻為54.95 Hz,與無(wú)故障基頻27.48 Hz相比誤差較大;外嚙合基頻約為無(wú)故障基頻的2倍。從頻域的局部放大圖可以直觀看出頻域曲線與健康狀態(tài)下的頻域曲線有很大的差異,其基頻和幅值變化與健康狀態(tài)下相差甚遠(yuǎn)。在對(duì)齒輪箱進(jìn)行故障判斷和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí),通過(guò)與健康狀態(tài)下的幅頻曲線進(jìn)行對(duì)比,可以初步判斷行星輪系是否存在故障,為物理樣機(jī)故障診斷提供可靠的數(shù)據(jù)。
圖8 行星輪-內(nèi)齒圈內(nèi)嚙合副故障接觸力時(shí)域頻域圖Fig.8 Time and frequency domain diagram of contact force of inner meshing pair of trouble planetary gear and inner ring gear
圖9 太陽(yáng)輪-行星輪外嚙合副故障接觸力時(shí)域頻域圖Fig.9 Time and frequency domain diagram of contact force of external meshing pair of trouble sun gear and planetary
表7~8為故障時(shí)各個(gè)齒輪副接觸力,其中行星輪5為存在斷齒故障行星輪,從表7~8可以看出,系統(tǒng)中故障齒輪的接觸力大小是其他無(wú)故障齒輪接觸力的數(shù)倍,表明有故障的齒輪嚙合時(shí)存在非常大的沖擊和振動(dòng),同時(shí)伴隨著應(yīng)力集中。與正常狀態(tài)下的接觸力相比,內(nèi)嚙合的最大接觸力和平均接觸力都在增大,外嚙合的平均接觸力有所減小。斷齒故障不但對(duì)自身的接觸力有影響,而且對(duì)其他健康齒輪副也有影響。
表7 故障內(nèi)嚙合接觸力Tab.7 Failure internal contact force
表8 故障外嚙合接觸力Tab.8 Failure external contact force
在人字行星傳動(dòng)系統(tǒng)中,由于不可避免地受到制造誤差和彈性變形的影響,每個(gè)行星輪承擔(dān)的載荷不是相等的,通常使用均載系數(shù)表示傳動(dòng)系統(tǒng)載荷分配的均勻性。行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)理論均載系數(shù)為1,均載系數(shù)越大,傳動(dòng)載荷分配越不均勻。根據(jù)仿真得到的系統(tǒng)健康和故障時(shí)各齒輪副的接觸力,分別計(jì)算健康和斷齒故障兩種狀態(tài)下的內(nèi)外嚙合副的均載系數(shù)。人字齒行星傳動(dòng)系統(tǒng)的均載系數(shù)計(jì)算公式為
式中:Kcpi為行星輪-內(nèi)齒圈內(nèi)嚙合副均載系數(shù);Kspi為太陽(yáng)輪-行星輪外嚙合副均載系數(shù);N為行星輪個(gè)數(shù);Fcpi,F(xiàn)spi分別代表內(nèi)、外嚙合齒輪副的接觸力。
計(jì)算健康和故障兩種狀態(tài)下以及健康狀態(tài)下有無(wú)構(gòu)件支撐剛度的內(nèi)外嚙合均載系數(shù)結(jié)果如表9所示。由表9可以明顯看出,健康狀態(tài)下系統(tǒng)的載荷分布情況比較均勻,當(dāng)齒輪發(fā)生斷齒故障時(shí)均載系數(shù)變大,內(nèi)嚙合均載系數(shù)為2.81,外嚙合均載系數(shù)為2.23,約為系統(tǒng)健康時(shí)均載系數(shù)的2~3倍,系統(tǒng)發(fā)生斷齒故障時(shí),系統(tǒng)載荷分配不均勻現(xiàn)象變得非常顯著。當(dāng)考慮構(gòu)件支撐剛度時(shí),系統(tǒng)均載系數(shù)比無(wú)構(gòu)件支撐剛度時(shí)的均載系數(shù)更小,表明考慮構(gòu)件支撐剛度時(shí),系統(tǒng)載荷分配更加均勻,構(gòu)件支撐剛度對(duì)系統(tǒng)均載特性有明顯的改善。
表9 均載系數(shù)Tab.9 Load factor
(1)基于雙齒圈人字行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu),應(yīng)用Solid Works對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模,以動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS為平臺(tái),建立雙齒圈人字行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型,基于赫茲接觸理論,考慮摩擦系數(shù),分析了傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及健康和故障兩種狀態(tài)下的接觸力變化特征并計(jì)算出均載系數(shù),分析了構(gòu)件支撐剛度和斷齒故障對(duì)系統(tǒng)接觸力和均載特性的影響。
(2)系統(tǒng)健康狀態(tài)下,行星輪在傳動(dòng)過(guò)程中存在較高的齒頻振動(dòng),內(nèi)外嚙合接觸力曲線比較相似,齒輪副的接觸力幅值波動(dòng)較大,呈周期性變化,具有明顯的調(diào)制特征,外嚙合接觸力幅值始終大于內(nèi)嚙合接觸力幅值。內(nèi)外嚙合副的接觸力幅頻曲線具有一致性且系統(tǒng)基頻呈倍數(shù)增加,系統(tǒng)中存在基頻2倍以上的諧波頻率。故障時(shí)接觸力出現(xiàn)了幅值跳躍現(xiàn)象,且在故障位置發(fā)生了應(yīng)力集中。故障時(shí)的均載系數(shù)約為健康狀態(tài)下的2倍,考慮構(gòu)件支撐剛度時(shí),系統(tǒng)均載系數(shù)變得更為理想,各齒輪受力更加均勻。
(3)由于模型在裝配過(guò)程中存在不可避免的裝配誤差,仿真得到各個(gè)齒輪副接觸力不完全相同,系統(tǒng)始終伴隨著載荷分配不均勻現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,可為下一步深入研究系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)以及故障診斷研究提供思路。