吳家騰 楊 宇 程軍圣
湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙,410082
齒輪作為機(jī)械設(shè)備中常用的動(dòng)力傳遞裝置,對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷具有重要意義。齒輪故障機(jī)理研究是故障診斷的基礎(chǔ),目前對(duì)齒輪進(jìn)行故障機(jī)理的研究方法主要是將齒輪看作一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng),對(duì)其建立各種相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)揭示齒輪故障演變規(guī)律。作為齒輪系統(tǒng)振動(dòng)特性的主要激勵(lì),齒輪嚙合剛度具有時(shí)變性,其參數(shù)變化直接影響齒輪動(dòng)力學(xué)行為,因此,研究嚙合剛度的變化對(duì)齒輪故障機(jī)理研究具有深刻的意義。
目前嚙合剛度的計(jì)算主要有傳統(tǒng)法、有限元法(finite element method, FEM)和解析計(jì)算等方法。其中,應(yīng)用于嚙合剛度計(jì)算的石川算法、ISO6336-1-2006標(biāo)準(zhǔn)、ROMAX軟件等傳統(tǒng)方法都具有很大的局限性[1]。針對(duì)有限元法和解析法,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。CHAARI等[2]提出了一種計(jì)算齒輪嚙合剛度的解析計(jì)算方法,并研究了齒裂紋深度擴(kuò)展對(duì)齒輪嚙合剛度的影響。萬(wàn)志國(guó)等[3]通過(guò)改進(jìn)齒根圓與基圓不重合現(xiàn)象,對(duì)勢(shì)能法求解嚙合剛度進(jìn)行了改進(jìn),顯著減小了計(jì)算誤差。RINCON等[4]運(yùn)用有限元分析方法和赫茲接觸理論分析方法描述了齒輪嚙合傳動(dòng)過(guò)程中齒輪嚙合剛度的變化過(guò)程。LIANG等[5]將齒輪簡(jiǎn)化為一個(gè)變截面懸臂梁,利用解析法求取齒輪嚙合剛度隨嚙合點(diǎn)變化的曲線,提供了一種簡(jiǎn)單有效的時(shí)變嚙合剛度計(jì)算方法。MOHAMMED等[6]運(yùn)用解析法求解齒輪裂紋故障時(shí)變嚙合剛度并分析了3種不同裂紋擴(kuò)展?fàn)顩r的齒輪早期故障現(xiàn)象。PANDYA等[7]采用有限元法和勢(shì)能法研究了齒輪不同的裂紋擴(kuò)展路徑對(duì)齒輪嚙合剛度變化的影響。CHEN等[8]在考慮齒根裂紋沿齒寬和裂紋深度的擴(kuò)展的前提下模擬齒輪齒根裂紋,特別是齒根裂紋處于非常早期時(shí)的嚙合剛度計(jì)算方法。HE等[9]運(yùn)用有限元方法建立了直齒圓柱齒輪的嚙合模型,對(duì)不同裂紋層次的齒輪故障進(jìn)行定量診斷。然而,解析法和有限元法雖然能夠通過(guò)計(jì)算得到齒輪時(shí)變嚙合剛度,但依然存在局限性,如解析法計(jì)算過(guò)程復(fù)雜,不能準(zhǔn)確反映齒輪局部微小變化;有限元法計(jì)算量大、建模困難且無(wú)法驗(yàn)證等。
針對(duì)目前嚙合剛度計(jì)算存在的問(wèn)題,本文將現(xiàn)代測(cè)試方法、優(yōu)化方法與有限元法相結(jié)合,提出了基于參數(shù)反求的時(shí)變嚙合剛度計(jì)算方法??紤]到齒根動(dòng)態(tài)應(yīng)力與嚙合剛度之間存在隱式的映射關(guān)系,即嚙合剛度的變化會(huì)引起裂紋部位的齒根動(dòng)態(tài)應(yīng)力發(fā)生相應(yīng)的變化[10],該方法通過(guò)對(duì)各種不同裂紋狀態(tài)下的齒根動(dòng)態(tài)應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè),在構(gòu)建考慮時(shí)變嚙合剛度的齒根彎曲應(yīng)力正問(wèn)題模型的基礎(chǔ)上,采用優(yōu)化方法反向求解時(shí)變嚙合剛度。將計(jì)算結(jié)果與其他方法對(duì)比來(lái)驗(yàn)證該方法的有效性。同時(shí)構(gòu)建多自由度齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,將本文計(jì)算結(jié)果代入模型,模擬齒根裂紋故障下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),通過(guò)對(duì)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行時(shí)域及頻域分析來(lái)揭示齒輪裂紋故障機(jī)理。
正問(wèn)題模型包含齒輪嚙合剛度與齒根應(yīng)力之間的隱式映射關(guān)系,不同工作狀態(tài)的齒輪彎曲強(qiáng)度可通過(guò)有限元法進(jìn)行構(gòu)建。齒輪工作過(guò)程中,輪齒的嚙合作用可以簡(jiǎn)化為一個(gè)在嚙合線方向上的時(shí)變彈簧,即彈簧剛度為不同時(shí)刻的齒輪嚙合剛度,在不考慮慣性力的基礎(chǔ)上齒輪嚙合剛度可表示為
(1)
其中,N為法向載荷,Cm為齒輪嚙合黏性阻尼,δn為法向綜合彈性形變。根據(jù)輪齒傳遞誤差原理,實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)位移與理想轉(zhuǎn)動(dòng)位移之差
XT.E=θg-zpθp/zg
(2)
其中,θg、θp分別為大齒輪與小齒輪的轉(zhuǎn)角,zp、zg分別為大齒輪與小齒輪的齒數(shù)。將傳遞誤差轉(zhuǎn)換成嚙合線方向上的位移,故受載傳遞誤差(load transfer error, LTE)為
XLTE=Rbgθg-Rbpθp
(3)
其中,Rbp、Rbg分別為主動(dòng)輪、從動(dòng)輪的基圓半徑。當(dāng)有齒形誤差時(shí),產(chǎn)生無(wú)負(fù)載傳遞誤差。在不考慮制造誤差的情況下,綜合彈性形變可定義為
δn=Rbpθp-Rbgθg+xp-xg
(4)
式中,xp、xg分別為齒輪沿嚙合線方向上的位移誤差。
如圖1所示,嚙合齒接觸時(shí),實(shí)際作用于齒面的力包含法向載荷N和垂直于法向載荷的摩擦力Nf,故接觸點(diǎn)的載荷分力可以表示為
(5)
其中,根據(jù)庫(kù)侖定律Nf=μN(yùn),α為法向載荷與水平面的夾角,μ為齒面摩擦因數(shù)。則式(5)可表示為
(6)
圖1 齒輪齒面接觸示意圖Fig.1 The schematic diagram of gear surface contact
考慮到在有限元仿真中,齒根部位的應(yīng)力變化受到載荷分量Nx和Ny的影響,有
σc=σ(Nx,Ny)
(7)
其中,σc表示齒根動(dòng)態(tài)計(jì)算應(yīng)力。依據(jù)彈性力學(xué),σ=Eε,E表示彈性模量,ε表示應(yīng)變,因此,結(jié)合式(1)、式(6)、式(7)可得齒輪嚙合剛度與齒根動(dòng)態(tài)應(yīng)變之間的正問(wèn)題模型:
εc=ε(N(t),k(t))
(8)
時(shí)變嚙合剛度的反求過(guò)程實(shí)際上為一參數(shù)優(yōu)化過(guò)程。通過(guò)在齒輪根部應(yīng)力集中區(qū)域布置應(yīng)變片組,獲得齒根動(dòng)態(tài)測(cè)量應(yīng)變?chǔ)舖,結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)條件建立求解模型,得到相應(yīng)位置的齒根動(dòng)態(tài)計(jì)算應(yīng)變?chǔ)與,將計(jì)算應(yīng)變?chǔ)與與測(cè)量應(yīng)變?chǔ)舖相比較,構(gòu)建以齒輪嚙合剛度k為自變量的目標(biāo)函數(shù),進(jìn)而建立以優(yōu)化模型為基礎(chǔ)的反問(wèn)題模型:
(9)
基于參數(shù)反求的齒輪時(shí)變嚙合剛度計(jì)算方法步驟如下:①將應(yīng)變片粘貼在齒根的位置,即最大應(yīng)力區(qū)域。然后通過(guò)與虛擬儀器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接的應(yīng)變片獲得齒根的測(cè)量應(yīng)變。②通過(guò)FEM計(jì)算模擬齒根應(yīng)變。仿真模型具有與實(shí)驗(yàn)相同的約束條件,齒根部位應(yīng)變采樣點(diǎn)為應(yīng)變片粘貼位置,與實(shí)驗(yàn)設(shè)置相同。③采用優(yōu)化模型,以齒輪嚙合剛度、測(cè)量應(yīng)變和仿真應(yīng)變?yōu)槟繕?biāo)函數(shù)自變量,根據(jù)時(shí)變嚙合剛度與齒根應(yīng)變的關(guān)系,使FEM計(jì)算出的齒根應(yīng)力與實(shí)際測(cè)量的齒根應(yīng)變保持接近,最后得到實(shí)際齒輪裂紋狀態(tài)下的時(shí)變嚙合剛度。整個(gè)齒輪嚙合剛度反求的基本流程如圖2所示。
圖2 齒輪嚙合剛度反求流程圖Fig.2 The flow chart of the inverse calculation of TVMS
實(shí)驗(yàn)裝置由變頻電機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器、齒輪箱、應(yīng)變片、負(fù)載電機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,根據(jù)嚙合齒之間的可用空間,應(yīng)使應(yīng)變計(jì)盡可能??;此外,在安裝應(yīng)變片期間,應(yīng)先使用丙酮溶液清潔齒根表面;根據(jù)有限元云圖的齒根應(yīng)力分布,將應(yīng)變片粘貼在齒輪軸向最大應(yīng)力區(qū)域,通過(guò)軸上的孔將應(yīng)變片連接到齒輪軸伸出端的滑環(huán),然后連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖3所示,變速箱的內(nèi)部細(xì)節(jié)如圖4所示。
1.負(fù)載電機(jī) 2.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器 3.齒輪箱4.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器 5.驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖3 齒輪系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.3 Gear system rig
圖4 齒輪裂紋應(yīng)變片測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部細(xì)節(jié)Fig.4 The internal details of the gearbox
實(shí)驗(yàn)中,齒輪系統(tǒng)與仿真模型參數(shù)相同,均是模數(shù)為2.5 mm、齒數(shù)分別為40、80的標(biāo)準(zhǔn)直齒輪,裂紋故障通過(guò)人工在齒根切割0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm深度的裂紋,裂紋傾斜角為90°。故障齒輪如圖5所示。
圖5 四種裂紋故障齒輪Fig.5 Four kinds of crack fault gears
實(shí)驗(yàn)時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min,負(fù)載電機(jī)扭矩為50 N·m,應(yīng)變信號(hào)采樣頻率為2 500 Hz。5種不同齒根裂紋深度d的應(yīng)變信號(hào)如圖6所示??梢钥闯?,當(dāng)安裝了應(yīng)變片的齒輪進(jìn)行嚙合接觸時(shí),應(yīng)變信號(hào)會(huì)出現(xiàn)明顯的周期性脈沖,頻率為從動(dòng)輪軸頻4.16 Hz。同時(shí)從圖6中應(yīng)變值的對(duì)比可以看到,脈沖幅度大小隨著裂紋深度的增大而減小。
通過(guò)測(cè)量應(yīng)變來(lái)計(jì)算變嚙合剛度的另一個(gè)關(guān)鍵是需要定義測(cè)量應(yīng)變的嚙合位置。從接觸到脫離,測(cè)試齒的嚙合時(shí)間為5 ms。測(cè)量應(yīng)變的嚙合區(qū)域如圖7a所示,齒面上從接觸到脫離的正常載荷變化如圖7b所示,其中,節(jié)點(diǎn)A表示測(cè)試齒開(kāi)始嚙合,節(jié)點(diǎn)B表示測(cè)試齒開(kāi)始進(jìn)入單齒嚙合,節(jié)點(diǎn)C表示測(cè)試齒開(kāi)始接觸第2個(gè)雙齒接觸,節(jié)點(diǎn)D表示測(cè)試齒脫離。由圖7可以看出,節(jié)點(diǎn)A之前的應(yīng)變信號(hào)受到前齒嚙合的影響,在AB范圍內(nèi),齒根部位受壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的影響,主應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力,然后轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。在B和C節(jié)點(diǎn),當(dāng)前齒開(kāi)始脫離和后齒進(jìn)入嚙合時(shí),應(yīng)變波形出現(xiàn)明顯的沖擊現(xiàn)象。在CD范圍內(nèi),測(cè)試齒開(kāi)始退出嚙合,主應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。
實(shí)驗(yàn)臺(tái)齒輪參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)齒輪參數(shù)
(a) 正常齒
(b) d=0.5 mm
(c) d=1.0 mm
(d) d=1.5 mm
(e) d=2.0 mm圖6 不同裂紋齒輪的齒根應(yīng)變信號(hào)Fig.6 The tooth root strain signal of different gear crack
根據(jù)齒輪參數(shù)及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工況構(gòu)建有限元模型。為合理劃分計(jì)算精度與成本,只取每個(gè)齒輪的五齒模型,輪緣長(zhǎng)度取4m(m為模數(shù))。將三
(a) 測(cè)量應(yīng)變的嚙合分布區(qū)域
(b) 待測(cè)齒從嚙合到脫離的載荷變化
維實(shí)體幾何模型導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行計(jì)算,齒輪模型如圖8所示。進(jìn)一步,按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定邊界條件,小齒輪作為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速500 r/min,大齒輪為從動(dòng)輪負(fù)載據(jù)矩T=50 N·m,通過(guò)齒輪嚙合接觸分析,得到齒輪單雙齒嚙合過(guò)程的應(yīng)力分布云圖,見(jiàn)表2;提取實(shí)驗(yàn)裝置上每個(gè)應(yīng)變片覆蓋的所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大值,得到齒輪嚙合周期內(nèi)的齒根動(dòng)態(tài)應(yīng)力。
圖8 齒輪嚙合對(duì)的有限元模型Fig.8 The FE model of the gear pair
表2 齒輪單雙齒嚙合過(guò)程的應(yīng)力分布云圖
本文將遺傳算法作為優(yōu)化工具,對(duì)測(cè)得的齒輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)過(guò)程中嚙合齒輪根部應(yīng)力以及利用有限元仿真齒輪嚙合過(guò)程得到的應(yīng)力值進(jìn)行迭代尋優(yōu)。將測(cè)試齒的嚙合旋轉(zhuǎn)角數(shù)目離散為21,其中雙齒接觸點(diǎn)和單齒接觸點(diǎn)的數(shù)目分別為8和5。優(yōu)化參數(shù)二進(jìn)制字符串長(zhǎng)度定為28,變異和交叉概率分別為0.9和0.5。考慮到每個(gè)旋轉(zhuǎn)角的結(jié)果都需要優(yōu)化,為提高計(jì)算效率,遺傳代數(shù)設(shè)為15,因此,測(cè)試齒從嚙合到脫離經(jīng)過(guò)3360次迭代后,可以得到最佳的結(jié)果。遺傳算法的主要參數(shù)見(jiàn)表3。優(yōu)化過(guò)程中,目標(biāo)函數(shù)變化趨勢(shì)如圖9所示,說(shuō)明對(duì)于4種不同的裂紋深度0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm,在15代之前可以完成優(yōu)化迭代。
表3 優(yōu)化算法參數(shù)
圖9 目標(biāo)函數(shù)變化趨勢(shì)Fig.9 The change trend of the objective function
根據(jù)解析法計(jì)算結(jié)果,設(shè)定迭代范圍為108~109。根據(jù)上文,正常齒輪時(shí)變嚙合剛度計(jì)算結(jié)果如圖10所示。為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性,將反求計(jì)算得到的結(jié)果與解析法[2]和有限元法進(jìn)行比較,誤差判據(jù)依照ISO6336-1—2006標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)圖10,本文計(jì)算所得時(shí)變嚙合剛度曲線與解析法計(jì)算結(jié)果相似;由表4可知,從對(duì)比結(jié)果來(lái)看,本文結(jié)果更接近ISO標(biāo)準(zhǔn),解析結(jié)果誤差較大,單齒嚙合剛度誤差達(dá)16.365%。
(a) 解析法
(b) 本文方法
表4 正常齒輪嚙合剛度誤差對(duì)比
(a) d=0.5 mm
(b) d=1.0 mm
(c) d=1.5 mm
(d) d=2.0 mm
(a) 解析法
(b) 本文方法
不同齒根裂紋故障下的時(shí)變嚙合剛度計(jì)算結(jié)果如圖11、圖12所示。結(jié)果表明,4種裂紋深度(0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm)的嚙合剛度隨裂紋的增大而減小。鑒于ISO標(biāo)準(zhǔn)不存在故障剛度計(jì)算方法,故將本文計(jì)算結(jié)果與解析法計(jì)算得到的嚙合剛度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,4種裂紋深度的對(duì)比誤差分別為13.943%、17.045%、18.274%、22.802%。由表5可知,本文方法求得的平均嚙合剛度較小,當(dāng)裂紋深度取0~0.5 mm及1.0~1.5 mm時(shí),兩種方法的相對(duì)誤差的差值較小,分別為12.144%與13.943%、17.045%與18.274%,而裂紋深度取0.5 mm~1.0 mm及1.5~2.0 mm的相對(duì)誤差差值較大,說(shuō)明當(dāng)齒根裂紋深度變化時(shí),嚙合剛度的變化存在兩個(gè)增幅區(qū)域。
表5 兩種方法的齒輪裂紋平均嚙合剛度對(duì)比
根據(jù)搭建的齒輪系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)(圖3),建立6自由度齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,如圖13所示。齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表6。
圖13 齒輪系統(tǒng)6自由度模型Fig.13 The 6-DOF model of gear system
該模型忽略嚙合誤差、潤(rùn)滑劣化情況,將齒輪系統(tǒng)簡(jiǎn)化成2個(gè)集中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和4個(gè)支撐剛度、其動(dòng)力學(xué)方程為
(10)
式中,xp、xg、yp、yg分別為主動(dòng)輪、被動(dòng)輪的x方向和y方向平動(dòng)位移;mp、mg分別為主動(dòng)輪和被動(dòng)輪的質(zhì)量;jp、jg分別為主動(dòng)輪和被動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Cpx、Cpy、Cgx、Cgy、kpx、kpy、kgx、kgy分別為齒輪系統(tǒng)的阻尼系數(shù)和支撐剛度系數(shù);Tp、Tg分別為主被動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩;F、Ff分別為時(shí)變嚙合剛度力和摩擦力。
表6 齒輪動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)參數(shù)
將計(jì)算得到的時(shí)變嚙合剛度代入式(10),齒輪系統(tǒng)輸入軸轉(zhuǎn)速為500 r/min,裂紋故障特征頻率為裂紋齒軸頻4.17 Hz,對(duì)應(yīng)周期0.24 s,嚙合頻率為333.33 Hz,采用Runge-Kutta法求解動(dòng)力學(xué)方程,得到不同裂紋狀態(tài)下的齒輪動(dòng)力學(xué)響應(yīng),如圖14所示。由圖14可知,裂紋出現(xiàn)故障時(shí),會(huì)出現(xiàn)周期性的沖擊,故障頻率為裂紋齒所在軸的轉(zhuǎn)頻4.17 Hz (0.24 s)。
(a) 健康齒輪
(b) d=0.5 mm
(c) d=1.0 mm
(d) d=1.5 mm
(e) d=2.0 mm
將不同裂紋程度的仿真時(shí)域波形進(jìn)行整合觀察,如圖15所示,由于裂紋引起的嚙合剛度減小,導(dǎo)致時(shí)域波形幅值發(fā)生變化,且幅值大小隨著裂紋深度的增大而逐漸增大。進(jìn)一步,齒輪裂紋動(dòng)力學(xué)仿真信號(hào)頻域波形如圖16所示。由圖16的頻譜可以發(fā)現(xiàn),正常齒輪信號(hào)在嚙合頻率333.33 Hz及其倍頻處存在明顯的沖擊,然而當(dāng)存在裂紋故障時(shí),在嚙合頻率及其倍頻附近會(huì)出現(xiàn)明顯的邊頻帶,其帶寬為故障齒輪所在軸的轉(zhuǎn)頻4.17 Hz。
(a) 仿真響應(yīng)時(shí)域波形
(b) 局部放大圖
(a) 正常齒輪
(b) d=2.0 mm
(c) 頻譜0~300 Hz放大圖(正常齒輪)
(d) 頻譜0~300 Hz放大圖(d=2.0 mm)
本文方法基于實(shí)際齒根裂紋的測(cè)量應(yīng)力進(jìn)行反求,更加接近真實(shí)的齒根裂紋故障時(shí)變嚙合剛度,其計(jì)算結(jié)果具備驗(yàn)證手段和說(shuō)服力。同時(shí),根據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真案例,相比其他方法,本文方法計(jì)算結(jié)果更加精確,并且在滿足計(jì)算精度的前提下減小了計(jì)算量。通過(guò)構(gòu)建齒輪系統(tǒng)多自由度動(dòng)力學(xué)模型,分析裂紋狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),本文方法不僅能為動(dòng)力學(xué)建模提供準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)參數(shù),而且能有效地揭示裂紋故障狀態(tài)下的齒輪系統(tǒng)振動(dòng)機(jī)理,為齒輪裂紋故障診斷提供理論依據(jù)。