考慮裂紋故障的時變嚙合剛度計算研究與分析

程俊杰

重慶交通大學機電與車輛工程學院,重慶 400074

0 引言

齒輪在現代工業(yè)中起著十分重要的作用,具有效率高、結構緊湊、動態(tài)精度高的特點,因此,齒輪系統(tǒng)在航空航天、交通運輸和海洋等領域,具有重要的作用[1]。齒輪系統(tǒng)由于結構復雜且經常在惡劣環(huán)境下工作,較容易發(fā)生故障,嚴重時會影響設備的正常運轉。為此,研究含裂紋直齒輪副的時變嚙合剛度,分析裂紋對齒輪系統(tǒng)動態(tài)特性的影響具有重要意義。

時變嚙合剛度的計算和裂紋齒輪的動態(tài)特性分析已被國內外較多學者所研究。孫宇夢[2]基于齒輪嚙合理論和牛頓定律,構建8自由度齒輪軸承耦合系統(tǒng)動力學模型,并通過仿真分析研究不同裂紋擴展長度對齒輪軸承系統(tǒng)動態(tài)響應的影響規(guī)律;祝赫鍇 等[3]通過建立齒輪嚙合的瞬態(tài)動力學仿真,得知了齒根最大應力節(jié)點處最容易萌生裂紋,并發(fā)現了裂紋轉角度會隨著加載位置的下移而減小;代鵬 等[4]通過應用勢能法,構建齒輪副的齒根裂紋模型,并推導出其在局部故障發(fā)生后的時變嚙合剛度的計算解析式,同時,對齒輪副在不同工況下的振動信號進行短時傅里葉變換,以分析其在不穩(wěn)定工況下的振動特性。

在上述研究成果的基礎上,本文利用勢能法推導出了裂紋直齒輪副時變嚙合剛度的改進算法,為了減小誤差,將輪齒齒根簡化為一個懸臂梁結構。為接近實際的工況,本文考慮了在基圓與齒根圓不重合的情況下,同時計算齒根裂紋區(qū)的裂變情況。通過分析不同的裂紋參數,可了解其對齒輪系統(tǒng)的影響規(guī)律。

1 齒輪裂紋時變嚙合剛度模型建立

1.1 時變嚙合剛度模型

齒輪根裂紋模型(見圖1)給出了計算初始直裂紋齒輪副嚙合剛度的簡化懸臂梁模型,該齒輪副的主動輪齒存在裂紋故障。其中,齒廓曲線可分為過渡曲線CD、漸開曲線BC和齒頂曲線AB;Rr為齒根圓的半徑;Rb為基圓半徑;α1、α2、αg分別為嚙合點的端面壓力角、過渡線點C到中心線OY的壓力角、嚙合點B基圓切線的壓力角。

圖1 裂紋故障齒輪懸臂梁模型[5]

本文假設裂紋出現在點CD段,此處q1為裂紋深度;v為齒根裂紋與故障輪齒中心線所形成的夾角;hx為任意嚙合點x距齒輪中心線的距離。由于CD段是過渡曲線函數,而BC段為漸開線函數,因此hx為參數x到中心線oy的坐標值。由BC段的漸開線性質可以得到如下函數。

hx=

(1)

式中:a1為齒輪滾刀頂圓角距中線距離;d1為過渡線CD兩點的距離;r為分度圓半徑;rρ為齒輪滾刀頂圓角半徑;γ為變參數,α0≤γ≤π/2,α0為壓力角。

因此,考慮輪齒的彎曲勢能Ub、剪切勢能Us、徑向壓縮勢能Ua、赫茲接觸勢能Uh,采用勢能法計算齒輪副嚙合剛度。齒輪勢能計算公式如下[6]。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:F為嚙合力;Fb為周向力;kb為彎曲剛度;ks為剪切剛度;Fa為徑向力;ka為徑向壓縮剛度;kh為赫茲接觸剛度;kf為齒輪基體剛度;E為彈性模量;G為剪切模量;h為嚙合點與輪齒中心線的距離;d為嚙合點到齒輪齒根的距離;x為基圓到嚙合點之間任意一點到基圓的距離;L為齒寬;v為泊松比;δf為齒輪基礎體受載荷產生的變形;Ix為基圓到嚙合點之間任意一點到基圓的距離為距離齒根圓x處齒輪截面慣性矩;Ax為截面面積。

由上述可知,每個單對直齒輪齒輪副總嚙合剛度,公式如下[7]。

(8)

式中:下標中1代表主動輪、2代表從動輪。

1.2 齒輪裂紋剛度計算

本文采用勢能法對直齒輪的時變嚙合剛度進行建模。根據國內外學者研究,當齒輪嚙合區(qū)域發(fā)生齒根裂紋故障時,齒輪整體就會發(fā)生變形,而單個輪齒的截面積Ax和慣性矩Ix也將發(fā)生變化,從而導致齒輪副的剪切剛度Ks、彎曲剛度Kb和徑向壓縮剛度Ka發(fā)生變化,但對齒輪基礎體受載荷產生的變形和泊松比的變化不大,所以齒輪基體剛度和赫茲接觸剛度影響很小,可以忽略不計。

Ix和Ax為輪齒慣性矩和截面積,可由下式計算。

他從未見天葬師有過那樣的表現。面前這個已不知活了多大年歲的神權者，經歷過了太多的事情，本已對一切變得麻木，卻在與神明的溝通中，首次露出了絕望的表情。

(9)

(10)

式中:Ax1、Ix1為齒輪的正常面積矩和輪齒慣性矩;Ax2、Ix2為含有裂紋的面積矩和輪齒慣性矩。

利用Tian的結論,由式(9)(10)化簡后,可得到齒輪副裂紋的彎曲剛度Kb為:

(11)

裂紋的剪切剛度Ks為:

(12)

裂紋的徑向壓縮剛度Ka為:

(13)

根據上述建立了齒輪副裂紋故障嚙合剛度計算模型。

2 裂紋參數對直齒輪嚙合剛度影響因素分析

通過調整裂紋參數的深度q、長度Lc、角度v值來研究不同齒根裂紋對直齒輪副時變嚙合剛度的影響,本算例中主動輪的輸入轉速為1 600 r/min,其主要的參數設置與參數變化如表1所示。

表1 裂紋齒輪副計算參數

由表1可知,設定v為30°,Lc為10 mm,q為0,針對q為1、2、3 mm共3種不同裂紋深度情況對齒輪副時變嚙合剛度進行計算,其計算結果如圖2所示。

圖2 不同裂紋深度的嚙合剛度

設定裂紋角度v為30°,裂紋深度q為3 mm,q0為 0,針對裂紋長度Lc為5、10、15 mm共3種不同裂紋長度情況對齒輪副時變嚙合剛度進行計算,求解結果如圖3所示。

圖3 不同裂紋長度的嚙合剛度

設定裂紋深度q為2 mm,裂紋長度Lc為15 mm針對裂紋角度v變化15°、30°及45°的3種不同裂紋角度情況對嚙合剛度進行計算,其計算結果如圖4所示。

圖4 不同裂紋角度的嚙合剛度

3 結論

本文采用簡化齒輪為懸臂梁的方式,利用勢能法計算齒輪的時變嚙合剛度,再根據改進后的時變裂紋剛度模型并通過MATLAB編程對不同深度、長度、角度的參數進行調整得到結果。結果表明:不同的齒輪副裂紋深度對嚙合剛度有較大的影響,隨著裂紋深度的增加,嚙合剛度降低,且降低幅度變小;當裂紋為5mm時,齒輪副根部裂紋對綜合嚙合剛度的影響較小,嚙合剛度隨裂紋長度的增加而降低,且降低幅度明顯增大;不同的裂紋角對齒輪副的嚙合剛度影響不大,嚙合剛度隨裂紋角的增大略有增加。

本文討論了單對齒輪的裂紋故障,后續(xù)研究中會考慮研究齒輪動態(tài)系統(tǒng)中多對齒輪副的時變嚙合剛度的變化影響。