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        某型發(fā)動機齒輪副接觸瞬態(tài)動力學及模態(tài)分析

        2021-10-18 12:52:59蘇雷蘆才軍葉航楊策
        航空維修與工程 2021年8期

        蘇雷 蘆才軍 葉航 楊策

        摘要:針對某型齒輪故障,利用有限元仿真技術對齒輪副進行仿真分析,根據(jù)瞬態(tài)動力學評判齒輪副嚙合的平穩(wěn)性以及嚙合過程中表現(xiàn)出的動態(tài)特性,對齒輪副接觸模態(tài)進行了分析,與瞬態(tài)分析結果進行了對比。結果表明,隨著轉速的增加,齒輪副嚙合表現(xiàn)出“脫嚙、反嚙合、雙邊嚙合”等異常嚙合狀態(tài),在轉速最大時齒輪副嚙頻與第12階固有頻率接近,導致故障齒輪軸在齒輪副嚙合時發(fā)生了彎曲共振,造成脫嚙。

        關鍵詞:齒輪副;接觸模態(tài);共振;固有頻率

        Keywords:gear pair;contact mode;resonance;natural frequency

        0 引言

        某型飛機在飛行時出現(xiàn)故障,經現(xiàn)場檢查,故障原因是金屬末信號器內存在較多金屬屑,導致金屬末信號器導通。進一步檢查發(fā)現(xiàn),其中一個齒輪兩側的軸呈八字型裂開,齒輪盤傾斜在殼體內部,齒輪軸一端軸承可轉動,另一端軸承卡死,無法轉動;另一個齒輪的齒牙存在不同程度的掉塊,從齒根至減重孔處有一條貫穿裂紋,如圖1所示。

        為了確定齒輪軸和齒輪齒牙根部裂紋的產生原因,決定采用有限元方法[1,2]對該型齒輪及其軸進行仿真分析。通過建立齒輪副瞬態(tài)動力學仿真模型,進行嚙合平穩(wěn)性和動態(tài)特性分析[3,4],并對齒輪嚙合進行接觸模態(tài)分析,進而對故障原因進行評判,為該產品的故障分析和修理提供理論支撐。

        1 齒輪副建模及邊界條件確定

        使用UG建模軟件建立齒輪及其軸的幾何實體模型,如圖2所示。根據(jù)使用工況確定工作條件,驅動齒輪軸(以下簡稱A軸)輸入轉速為15909rpm,故障齒輪軸(以下簡稱B軸)功率為191kW。齒輪副材料為12Cr2Ni4A,材料性能[5]如表1所示。

        在ANSYS中使用掃掠網(wǎng)格和結構化網(wǎng)格對結構進行有限元網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格均為八節(jié)點六面體單元,按照實際工況施加合適的轉速與轉矩,約束軸承處的徑向位移和止推軸承處的軸向位移,如圖3所示。

        2 瞬態(tài)動力學分析

        基于建立的故障齒輪副有限元模型進行瞬態(tài)動力學計算,該齒輪副整體應力云圖如圖4所示。從整體應力分布可以看出,應力斑分布正常,無發(fā)散現(xiàn)象,B軸齒輪軸的應力明顯大于A軸,且最大應力位于嚙合輪齒部位。

        通過轉速變化對嚙合齒輪部位進行分析。齒輪副轉速較低時,嚙合狀態(tài)較為正常,其中單齒嚙合時應力云圖如圖5a)所示,雙齒嚙合時應力云圖如圖5b)所示。隨著轉速的增加,齒輪副嚙合表現(xiàn)出“脫嚙、反嚙合、雙邊嚙合”等三種異常嚙合狀態(tài),如圖6~圖8所示。齒輪副旋轉時間歷程的接觸合力變化如圖9所示。從圖中可以看出,在齒輪副剛開始嚙合和轉速較低時,齒輪部位應力分布和接觸均屬正常,在轉速較高時該齒輪副嚙合狀態(tài)發(fā)生異常,且嚙合狀態(tài)較為復雜。在轉速達到15909rpm后,齒輪副接觸力波動極大且無規(guī)律,表明該齒輪副接觸狀態(tài)不穩(wěn)定,存在脫嚙等嚴重的異常振動現(xiàn)象。

        選取兩個齒輪的齒面節(jié)點(ID3892259和ID4332360)進行軸向(Z向)位移分析,得到軸向位移時間歷程曲線(見圖10)。從中可以看出,轉速加載階段兩個齒輪軸向振動較小,但是隨著時間的推移,兩個齒輪軸向振動增加且無規(guī)律,其結果與接觸合力時間歷程結果一致。

        將低轉速加載初始階段與高轉速階段齒輪副軸向位移圖進行放大(見圖11),從中可以發(fā)現(xiàn)低轉速階段齒輪副軸向振動較小,高轉速階段齒輪副軸向振動較大。

        3 齒輪對接觸模態(tài)分析

        為進一步分析齒輪副高速轉動時產生異常振動的原因,對齒輪副進行嚙合接觸模態(tài)分析,得到前16階振型固有頻率和振型圖(見表2、圖12)。

        轉速穩(wěn)定后的嚙頻約為9015Hz,但在轉速由0上升到15909rpm的過程中,還有一些持續(xù)時間很短的嚙合頻率成分,因此激勵頻率成分及激勵過程極其復雜。首先需要重點關注的是轉速穩(wěn)定后的嚙頻,因固有頻率與嚙頻接近的振型極易被激起,其次可能還有頻率低于嚙頻的振型在轉速上升過程中也被激起。由表2得知第12階的固有頻率與嚙頻幾乎一致,因此,此階振型需要重點關注。同時,第11、12、13、14階振型都是B軸在振動,與齒面端面節(jié)點的軸向(z向)位移曲線綜合考慮,可以初步判斷這對齒輪副存在共振現(xiàn)象。

        從12階振型圖還可以看出B軸是二階彎曲振動,模態(tài)振型圖與瞬態(tài)嚙合軸向位移放大圖高度相似,說明B軸極有可能在齒輪副嚙合時發(fā)生了彎曲共振。

        為了進一步判斷上述猜想,提取齒輪B軸齒輪兩側軸上節(jié)點的軸向位移時間歷程,發(fā)現(xiàn)兩者存在90°的相位差(見圖13)。說明在齒輪副傳動過程中,A軸和B軸都由于嚙合頻率激勵而發(fā)生了彎曲振動現(xiàn)象。

        4 結論

        根據(jù)上述分析結果可以看出,該齒輪副應力斑分布正常,無發(fā)散現(xiàn)象,故障齒輪軸的應力大于驅動齒輪軸,且最大應力位于嚙合輪齒部位。導致故障的主要原因是隨著轉速的增加,齒輪副嚙合表現(xiàn)出了“脫嚙、反嚙合、雙邊嚙合”等異常嚙合狀態(tài),在轉速達到15909rpm后,齒輪副嚙頻與第12階固有頻率十分接近,故障齒輪軸在齒輪副嚙合時發(fā)生了彎曲共振,造成脫嚙。

        參考文獻

        [1] O C Zienkiewicz,R L Taylor. The Finite Element Method Volume2:Solid mechanics(fifth edition)[M]. Butterworth-Heinemann,Oxford,2000.

        [2] Lin X B,Smith R A. Finite element modeling of fatigue crack growth of surface cracked plates-Part I:The numerical technique [J]. Engineering Fracture Mechanics,1999,63:503-522.

        [3]宋兆泓,陳光,張景武,等. 航空發(fā)動機典型故障分析[M].北京:北京航空航天大學出版社,1993.

        [4]陳聰慧,等. 航空發(fā)動機機械系統(tǒng)常見故障[M].北京:航空工業(yè)出版社,2013.

        [5]中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊[M].北京:中國標準出版社,2002.

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