史麗晨,李 坤,王海濤,劉 洋
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拖拉機行星齒輪箱故障響應特性動力學仿真及驗證
史麗晨,李 坤,王海濤,劉 洋
(西安建筑科技大學機電工程學院,西安 710055)
針對目前農(nóng)業(yè)機械設備少有從振動機理方面研究行星減速輪系的故障特性,且缺乏對不同故障程度下系統(tǒng)故障特性的研究等問題,該文以拖拉機傳動系統(tǒng)中的行星齒輪減速箱為研究對象,建立了行星輪系動力學模型,考慮了其在運行時振動傳遞路徑時變效應對振動信號的影響;推導了行星輪故障下的嚙合剛度變化表達式,并引入故障因子,得到了不同故障程度下的嚙合剛度;采用變步長的Runge-Kutta方法求解行星輪系動力學模型,分析得到了行星輪分別出現(xiàn)裂紋及斷齒故障時系統(tǒng)響應的頻譜特性。模型分析結(jié)果表明,由于振動傳遞路徑時變效應對響應信號的調(diào)制作用,行星輪系頻譜中的嚙合頻率及其倍頻附近出現(xiàn)了以行星架轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的邊頻帶;當行星輪出現(xiàn)裂紋或斷齒故障時,嚙合頻率及其倍頻附近不僅出現(xiàn)了以行星架轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的邊頻帶,同時還會出現(xiàn)以行星輪故障頻率為調(diào)制頻率的邊頻,且斷齒故障狀態(tài)下的邊帶幅值較裂紋故障下更加明顯。最后將試驗信號與模型信號進行對比分析,分析發(fā)現(xiàn),試驗與模型響應信號對應頻率的最大相對誤差分別為4.65%和2.32%,決定系數(shù)R分別為0.999 6和0.999 8,所得試驗結(jié)果與模型結(jié)果基本一致,驗證了所建立模型的準確性。該文可為農(nóng)機設備中行星輪系的故障機理及系統(tǒng)健康監(jiān)測研究提供參考。
拖拉機;齒輪;振動;故障特性;動力學模型;嚙合剛度
行星齒輪傳動作為一種新型、高效的傳動形式,具有體積小、重量輕、傳動比大、傳動效率高、承載能力強等諸多優(yōu)點,因此被越來越廣泛地應用于諸多農(nóng)業(yè)機械中,如插秧機、大型聯(lián)合收割機、播種機、拖拉機等[1]。農(nóng)業(yè)機械的使用有較強的季節(jié)性和緊迫性,工作的氣候條件和環(huán)境復雜、惡劣,大多數(shù)是經(jīng)常工作在露天和不同的田野環(huán)境,且在不同性質(zhì)的質(zhì)地上行進工作[2-3]。所以行星齒輪箱在運行過程中時常出現(xiàn)齒輪裂紋、斷齒等故障,導致設備運行不平穩(wěn)而達不到耕作要求,甚至導致整個設備的停機,對農(nóng)忙季節(jié)的生產(chǎn)作業(yè)造成巨大損失[4]。因此,建立基于故障的行星齒輪系統(tǒng)動力學模型,并研究系統(tǒng)的振動響應特性,對研究農(nóng)機設備行星輪系故障機理及系統(tǒng)健康監(jiān)測至關(guān)重要。
國內(nèi)外現(xiàn)有基于行星齒輪系統(tǒng)的動力學模型,大部分都是對正常狀態(tài)下的行星輪系建模,且建立在很多假設之上,缺乏故障行星輪系建模分析[5-9];在對行星輪系故障振動特性分析時,少有從振動機理方面進行研究[10-14];即使建立了行星輪系故障仿真模型,也只是針對某一種故障進行研究,且未考慮其在運行時振動傳遞路徑時變效應對振動信號的影響[15-18]。本文針對目前模型及研究的不足,以拖拉機傳動系統(tǒng)中的行星齒輪減速箱為研究對象,建立考慮齒輪副嚙合綜合誤差[19]、齒側(cè)間隙[20]和時變嚙合剛度的行星輪系動力學模型,且考慮振動傳遞路徑時變效應對振動信號的影響;利用傅里葉級數(shù)表示齒輪副時變嚙合剛度,推導行星輪故障狀態(tài)下的嚙合剛度變化表達式,并引入故障因子,得到不同故障程度下的嚙合剛度;通過求解模型進行系統(tǒng)的響應特性分析;最后通過搭建行星齒輪箱試驗臺進行試驗,驗證所建立行星輪系動力學模型的準確性,為農(nóng)機設備行星傳動系統(tǒng)的健康監(jiān)測及故障診斷提供理論依據(jù)。
拖拉機的傳動系統(tǒng)有機械式、液力式和電力式,常見的拖拉機普遍采用機械式傳動系統(tǒng),即有級傳動[21]。有級傳動系一般由離合器、變速箱、中央傳動、差速器(或轉(zhuǎn)向機構(gòu))和最終傳動組成。最終傳動用以進一步降低發(fā)動機傳來的轉(zhuǎn)速,使傳動比滿足總傳動比的要求。由于行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大,因此常用作最終傳動[22-23]。圖1所示為輪式拖拉機傳動系統(tǒng)簡圖,最終傳動即為行星輪傳動。
圖2為拖拉機中行星齒輪傳動的機構(gòu)運動簡圖及所建立的動力學模型,系統(tǒng)由太陽輪、3個行星輪、行星架和內(nèi)齒圈構(gòu)成,其中太陽輪為輸入端,行星架為輸出端。
本文以拖拉機行星齒輪箱為研究對象,建立其動力學模型并進行故障響應特性分析[24-25]。
1. 離合器 2. 變速箱 3. 停車制動器 4. 中央傳動和差速器 5. 行駛制動器 6. 最終傳動 7. 雙速的動力輸出軸
注:、分別為行星架、太陽輪的旋轉(zhuǎn)角度,;為第個行星輪的自轉(zhuǎn)角度(),;、分別為太陽輪、內(nèi)齒圈與第個行星輪的嚙合剛度,;、分別為太陽輪、內(nèi)齒圈與第個行星輪的嚙合阻尼系數(shù),;、分別為太陽輪、內(nèi)齒圈與第個行星輪的嚙合齒輪副側(cè)隙,;、分別為輸入、負載轉(zhuǎn)矩,。
根據(jù)拉格朗日方程,可推導出圖2所示行星輪系的動力學微分方程為[26]:
微分方程組(1)中含有位移間的耦合項,造成方程組難以求解。因此為了消除耦合的影響,需要對方程組(1)引入相對位移坐標:
對微分方程進行歸一化處理,得系統(tǒng)無量綱運動微分方程組:
當測量行星齒輪箱的振動時,傳感器一般安裝在與固定內(nèi)齒圈相連的箱體上。由于行星輪的公轉(zhuǎn),嚙合點與傳感器之間的傳遞路徑周期性變化。在實際測試中,行星架轉(zhuǎn)動造成的振動傳遞路徑時變效應不可忽視[27]。上述動力學模型求得的動態(tài)響應并未考慮振動傳遞路徑時變效應對響應信號的調(diào)制作用。而固定傳感器采集到的是經(jīng)過時變傳遞路徑調(diào)制后的振動響應信號,為了模擬實際測試情況,需要對求得的動力學響應作進一步變換。
行星架旋轉(zhuǎn)對傳感器測試到的振動信號產(chǎn)生調(diào)幅效應,這種調(diào)幅效應可以通過以行星架旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的Hanning函數(shù)來表示[28]。
在齒輪嚙合過程中,單對齒和多對齒嚙合交替周期進行,因此嚙合剛度呈現(xiàn)周期性變化,而任何周期函數(shù)均可表示為正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的無窮級數(shù),因此本文采用傅里葉級數(shù)來描述齒輪的時變剛度[29]。首先推導單對嚙合齒輪系統(tǒng)輪齒發(fā)生故障時嚙合剛度的傅里葉級數(shù)表達式;然后推廣到行星齒輪系統(tǒng),分析得到行星輪輪齒故障時嚙合剛度的傅里葉級數(shù)表達式。
設每個齒的嚙合剛度變化相同,圖3a所示為正常狀態(tài)下齒輪的嚙合剛度曲線。
由圖3a可得正常狀態(tài)下齒輪嚙合剛度的傅里葉表達式為
圖3 單對嚙合齒輪系統(tǒng)正常狀態(tài)及單齒斷齒故障時的嚙合剛度
Fig.3 Meshing stiffness of single-pair meshing gear system under healthy condition and tooth broken condition
將圖3a和圖3b做差,結(jié)果如圖3c所示,即為斷齒時嚙合剛度變化前后的幅值差圖。
所以,具有斷齒故障的齒輪嚙合剛度表達式即圖3b的傅里葉表達式為
(9)
以單對嚙合齒輪系統(tǒng)故障齒輪嚙合剛度表示為基礎(chǔ),推導行星輪系中行星齒輪故障時的時變嚙合剛度表達式。
設各行星輪具有相同的物理和幾何參數(shù)、均勻承載,且正常狀態(tài)下各齒輪副嚙合剛度表達式均為式(7)所示。
注:、分別表示斷齒嚙合剛度、變化前后的幅值差,;為行星輪齒數(shù);為行星輪自轉(zhuǎn)周期,。
則
行星輪系動力學模型主要參數(shù)如表1所示。將行星齒輪箱參數(shù)與求得的齒輪時變嚙合剛度代入動力學模型中,采用變步長的Runge-Kutta方法求解行星輪系動力學模型,得到系統(tǒng)動力學響應信號,將其代入傳遞路徑表達式得到最終的振動響應信號,并對該信號作進一步分析,得到行星輪系的響應特性。
表1 行星齒輪箱參數(shù)
圖5 正常情況和未考慮振動傳遞路徑時變效應時的模型響應頻譜圖
如圖6a為行星輪裂紋故障下響應信號的頻譜圖,6b為嚙合頻率附近的局部放大頻譜圖。
圖6 行星輪齒根裂紋故障時的模型響應頻譜圖
為了驗證所建立的行星齒輪箱系統(tǒng)動力學模型的準確性,使用圖8a所示的行星齒輪箱故障診斷試驗臺對動力學模型進行驗證。圖8b、8c為進行試驗所用的故障齒輪的實物照片。其中圖8b為行星輪齒根裂紋,裂紋長度約20 mm,裂紋深度約0.9 mm。圖8c為行星輪斷齒,故障形式為1個齒從齒根部折斷。行星齒輪箱的參數(shù)與前文一致。
圖7 行星輪斷齒故障時的模型振動響應頻譜圖
圖8 行星齒輪箱故障診斷試驗臺及故障齒輪
試驗中采集了正常齒輪、行星輪斷齒及行星輪裂紋不同狀態(tài)下的行星齒輪箱系統(tǒng)振動信號,將模型分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比分析。
圖9 正常狀態(tài)時的試驗振動響應信號頻譜圖
表2 正常狀態(tài)下模型頻譜與實測信號頻譜對比結(jié)果
圖10 行星輪斷齒故障時的試驗振動響應信號頻譜圖
表3 行星輪斷齒故障時模型頻譜與實測信號頻譜對比結(jié)果
因行星輪裂紋故障的試驗分析結(jié)果與斷齒故障基本一致,故在此不再贅述。
1)建立了考慮齒輪副嚙合綜合誤差、齒側(cè)間隙和時變嚙合剛度的拖拉機行星齒輪傳動系統(tǒng)動力學模型,考慮了振動傳遞路徑時變效應對振動信號的調(diào)制作用。
2)利用傅里葉級數(shù)表示齒輪副時變嚙合剛度,推導了故障狀態(tài)下的嚙合剛度變化表達式,并引入故障因子,得到了行星輪不同故障程度下的嚙合剛度。
4)通過行星齒輪箱故障診斷試驗臺進行試驗,將試驗信號頻譜與模型響應頻譜進行了對比分析,分析發(fā)現(xiàn),試驗振動響應信號與模型響應信號對應頻率的最大相對誤差分別為4.65%和2.32%,R均大于0.99,驗證了所建立行星輪系動力學模型的準確性,對拖拉機等農(nóng)業(yè)機械行星輪減速箱故障診斷具有一定的理論指導意義。
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Fault response characteristics of tractor planetary gearbox based on dynamical simulation and its validation
Shi Lichen, Li Kun, Wang Haitao, Liu Yang
(710055,)
tractor; gears; vibrations; dynamic models; fault characteristics; meshing stiffness
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Shi Lichen, Li Kun, Wang Haitao, Liu Yang. Fault response characteristics of tractor planetary gearbox based on dynamical simulation and its validation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 66-74. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.009 http://www.tcsae.org
2017-07-06
2018-03-04
國家自然科學基金項目(51375361);國家自然科學基金青年基金項目(51105292)
史麗晨,女,陜西西安人,教授,博士,博士生導師,主要從事機電設備動力學分析及其動態(tài)設計研究。Email:lichenshi_xauat@163.com
10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.009
TH132.425;TH17
A
1002-6819(2018)-07-0066-09