基于虚拟样机技术和显式动力的齿轮故障诊断模型

摘要

齿轮故障诊断模型的构建已经成为各种高端设备需要解决的共性关键问题。诊断齿轮裂纹故障，必须能够准确测定齿轮的动载荷曲线，并能综合利用这些动载荷曲线，对齿轮进行显式动力学分析。明确齿轮裂纹对齿轮运动参数中哪一项影响比较明显，并以此参数为监测对象在齿轮试验机上进行试验，验证此齿轮裂纹故障诊断模型的可行性。本文以齿轮副为研究对象，利用虚拟样机技术，提取齿轮的动载荷曲线，然后基于显式动力学构建有限元模型。在此模型基础上输入动载荷曲线对正常齿轮和故障齿轮进行有限元分析，对比齿轮的速度、角加速度、应力和应变等参数的曲线特征，选择有明显区别的特征参数来实现齿轮在线监测。
　　本论文首先简要阐述齿轮故障诊断的发展现状，选用虚拟样机技术和显式动力学理论研究齿轮故障的必要性以及齿轮裂纹故障检测的重要性。借助虚拟样机技术在SolidWorks中构建机械模型，LabVIEW中构建上位机控制软件，Ni Softmotion建立电气控制系统。操作上位机软件控制齿轮转速，采集齿轮的动载荷数据，生成动载曲线。与试验机上的传感器采集真实物理环境的动载荷曲线对比，证明使用虚拟样机采集的动载荷曲线具有可参考性和应用性。基于显式动力学理论建立齿轮的有限元模型，输入虚拟样机采集到的动载荷曲线，进行有限元分析得到应力云图、应变云图和角加速度曲线等。综合分析虚拟样机、有限元分析模型和试验机采集的数据，确定以角加速度为特征参数，对齿轮进行在线监测。当齿轮的角加速度出现异常时可以认为齿轮很有可能已经产生了裂纹。
　　最后通过使用现有试验机，采集实验数据，然后和模拟出的数据进行对比，验证有限元分析数据的准确性，证明本课题采用的齿轮故障诊断模型的可行性以及齿轮故障检测方法的实用性。虚拟样机的数据采集与分析，可以保证试验条件的统一性，降低了构建物理样机的实验成本，对试验数据的观察更为直观和形象。
　　基于虚拟样机技术和显式动力学理论构建的齿轮裂纹故障诊断模型可以推广应用到齿轮箱、变速箱和减速器等以齿轮传动为主的关键零部件齿轮的在线监测。预知齿轮裂纹的发生，及时更换齿轮，避免齿轮断裂突发故障，降低生产事故的发生。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源和研究背景

1．1．1 课题来源

1．1．2 齿轮故障的研究意义

1．2 国内外现状

1．3 裂纹故障的齿轮动力学研究概况

1．4 研究方法和研究目的

1．4．1 课题需要解决的关键问题

1．4．2 课题的研究方法

1．4．3 课题研究目的

1．5 课题的研究内容

第二章 齿轮的失效分析

2．1 齿轮的主要失效形式

2．1．1 齿面损耗

2．1．2 胶合

2．1．3 永久变形

2．1．4 裂纹

2．1．5 疲劳失效

2．1．6 轮齿折断

2．2 齿轮产生故障的主要原因及研究裂纹故障的重要性

2．2．1 齿轮失效的原因

2．2．2 研究对象齿根裂纹的选择

2．3 本章小结

第三章 基于虚拟样机技术提取齿轮动载荷

3．1 动载荷一般计算方法简介

3．2 虚拟样机系统模型的构建

3．2．1 建立虚拟样机机械系统

3．2．2 基于LabVIEW建立虚拟样机控制系统

3．2．3 在LabVIEW中编制控制软件

3．3 利用虚拟样机模型采集动载荷曲线

3．4 小齿轮驱动力矩实验

3．5 本章小结

第四章 基于显式动力学的齿轮故障分析

4．1 显式动力学分析原理

4．1．1 显式动力学分析基础

4．1．2 齿轮加速度原理

4．2 LS-DYNA分析的一般流程

4．3 齿轮模型的构建

4．3．1 齿轮的基本参数

4．3．2 ANSYS LS-DYNA中建立两组齿轮模型

4．4 齿轮有限元模型的构建

4．4．1 设置单元属性

4．4．2 划分模型网格

4．4．3 LS-PrePost定义运动参数

4．5 结果文件分析

4．6 本章小结

第五章 模拟结果的试验验证

5．1 试验机原理简介

5．1．1 试验机原理简图

5．2 试验装置简介

5．2．1 试验机主要零部件选择

5．2．2 试验机功能参数

5．2．3 试验机控制软件简介

5．3 试验故障齿轮裂纹模拟

5．4 实验数据采集与对比

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文