劉海娥, 張建國(guó)

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)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(dòng)的通用零件, 廣泛應(yīng)用于機(jī)床、車輛、船舶及航空器等傳動(dòng)裝置中。同時(shí)在機(jī)車傳動(dòng)領(lǐng)域也有著重要地位，作為整個(gè)傳動(dòng)裝置的核心部分，傳動(dòng)齒輪使機(jī)車通過牽引電機(jī)電樞軸傳遞動(dòng)力而使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而齒輪又是最容易損壞的機(jī)械零件之一，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障和失效將會(huì)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)造成巨大的損失[1]。準(zhǔn)確掌握齒輪傳動(dòng)的力學(xué)特性及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)于齒輪系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)、校核計(jì)算及故障診斷具有重要作用[2]。

1 高速機(jī)車走行部齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型

虛擬樣機(jī)仿真分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysisof Mechanical Systems)是對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真計(jì)算的軟件，集建模、計(jì)算和后處理于一體。采用SolidWorks軟件建立齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)各零件的模型并進(jìn)行裝配，高速機(jī)車走行部齒輪傳動(dòng)參數(shù)如表1所示。裝配設(shè)定達(dá)到要求后，將三維模型導(dǎo)入ADAMS，完整的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型如圖1所示(為了更清楚地觀察齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部接觸，對(duì)上箱體進(jìn)行了隱藏)。

2 動(dòng)力學(xué)模型仿真分析

某型機(jī)車走行部齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。現(xiàn)假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速400 rad/s，車軸負(fù)載2 584.3 N·m。

為在電機(jī)軸上施加轉(zhuǎn)速時(shí)不出現(xiàn)突變，并模擬電機(jī)啟動(dòng)和關(guān)閉狀態(tài)，使用STEP函數(shù)使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)；4.0～5.0 s轉(zhuǎn)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(shí)間自變量。在車軸上施加負(fù)載2 584.3 N·m。

完成模型的定義之后，考慮到齒輪的轉(zhuǎn)速較高，以及進(jìn)行仿真操作耗時(shí)較長(zhǎng)，所以設(shè)置仿真總時(shí)長(zhǎng)為5 s，總步數(shù)為2 500步。首先進(jìn)行正常狀態(tài)仿真，用以驗(yàn)證試驗(yàn)的正確性，如圖2所示。

表1 某型高速機(jī)車傳動(dòng)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(shí)間內(nèi)，從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在91.90 rad/s。則有實(shí)際平均傳動(dòng)比為：

與理論傳動(dòng)比4.35誤差只有0.05%，可以忽略不計(jì)，滿足傳動(dòng)比要求。同時(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)表現(xiàn)，分別模擬了以下六種不同工況：

(1) 正常狀態(tài)：以導(dǎo)入的正常模型進(jìn)行仿真分析；

1.1.5 排除標(biāo)準(zhǔn) 非隨機(jī)對(duì)照研究，患者為非慢性阻塞性肺疾病合并呼吸衰竭，對(duì)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(jì)不完整，無有效數(shù)據(jù)提取，重復(fù)發(fā)表的研究，綜述等。

(2) 齒輪偏心(徑向跳動(dòng))：導(dǎo)入正常模型之后，主動(dòng)齒輪軸線與電機(jī)軸軸線偏離10 mm，然后進(jìn)行仿真分析；

(3) 傳動(dòng)軸偏斜：導(dǎo)入正常模型后，主動(dòng)齒輪與電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)0.04 rad，然后進(jìn)行仿真分析；

(4) 中心距誤差：導(dǎo)入正常模型之后，主動(dòng)齒輪與電機(jī)軸平移10 mm，然后進(jìn)行仿真分析；

(5) 主動(dòng)齒輪斷齒：以導(dǎo)入的主動(dòng)齒輪斷齒模型進(jìn)行仿真分析；

(6) 被動(dòng)齒輪斷齒：以導(dǎo)入的被動(dòng)齒輪斷齒模型進(jìn)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(jié)果數(shù)據(jù)組成的曲線圖，如圖3所示。

圖3 各工況下從動(dòng)齒輪角速度曲線

通過數(shù)據(jù)曲線，可以看出齒輪嚙合時(shí)，角速度不是平穩(wěn)的直線，而是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)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(jìn)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(dòng)軸偏斜時(shí)，曲線波動(dòng)主要以小坡度曲線為主，傳動(dòng)比均值與正常狀態(tài)下相差0.05 rad/s，變化不大。說明傳動(dòng)軸平行度誤差不大時(shí)，雖然平均傳動(dòng)正常，但是仍然存在瞬時(shí)傳動(dòng)比的變化。

(3) 中心距存在誤差(偏大)時(shí)。從動(dòng)齒輪角速度曲線較為平滑，波動(dòng)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(dòng)比較平穩(wěn)，但是傳動(dòng)比明顯減小。

(4) 當(dāng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)斷齒故障時(shí)。角速度曲線呈鋸齒狀，齒輪嚙合過程中產(chǎn)生瞬時(shí)傳動(dòng)比變化，而主動(dòng)齒輪斷齒比被動(dòng)齒輪斷齒角速度曲線波動(dòng)更為劇烈，主要是由于主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速要高于被動(dòng)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(duì)平均傳動(dòng)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(cè)量值曲線，通過觀察齒輪接觸力曲線，與圖3比較分析，檢測(cè)角速度與接觸力的關(guān)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(dòng)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(dòng)的，這樣的數(shù)據(jù)更符合真實(shí)的齒輪嚙合情況。當(dāng)齒輪的第一對(duì)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(fù)載轉(zhuǎn)矩做功過程中兩接觸輪齒嚙合時(shí)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(fù)載增大，嚙合力的大小一方面隨著負(fù)載的增加而增大，另一方面呈周期性波動(dòng)。

(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(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，齒輪出現(xiàn)故障，嚙合力曲線均呈鋸齒狀，其中以主動(dòng)齒輪斷齒時(shí)最為劇烈。

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

3 結(jié) 語(yǔ)

將所建立的齒輪傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型導(dǎo)入MSC ADAMS，采用多體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)所建模型進(jìn)行仿真分析，分析了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在各種故障狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)行為表現(xiàn)形式，為機(jī)車牽引齒輪強(qiáng)度的提高和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。