基于ADAMS嚙合齒輪振動的檢測與分析

課程論文論文標題：基于ADAMS嚙合齒輪振動的檢測與分析姓名：蘇達子學(xué)號：0901301012專業(yè)：機械制造及其自動化專業(yè)學(xué)院：機械工程學(xué)院時間：2013年01月13日基于ADAMS嚙合齒輪振動的檢測與分析蘇達子機械工程學(xué)院0901301012【摘要】基于ADAMS2012(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)軟件的基礎(chǔ)上建立參數(shù)化直齒輪三維實體模型，使用多體動力學(xué)分析軟件ADAMS對齒輪黏合過程中產(chǎn)生的振動進行仿真分析，研究了在對應(yīng)轉(zhuǎn)速和力矩條件下齒輪振動在時域及頻域中的變化規(guī)律并對齒輪嚙合過程中可能產(chǎn)生的振動故障進行分析，提出診斷結(jié)果。關(guān)鍵詞：ADAMS；齒輪；振動；仿真【Abstract】BasedontheofsoftwareADAMS2012(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)createsparametriestraightspurgearin3Dphysicalmodel,theuseofmulti—bodydynamicsanalysissoftwareADAMSongearbondingprocessofvibrationsimulationanalysis,inthecorrespondingrotationalspeedandtorqueconditionsgearvibrationintimeandfrequencydomainandthechangeruleofgearmeshingmightoccurduringtheprocessofvibrationfaultisanalyzed,andthediagnosis.Keywords：Adams；Gear；Vibration；Simulation.引言機械故障診斷學(xué)時20世紀六七十年代逐漸發(fā)展起來的一門綜合性、交叉性的新學(xué)科。它通過獲得機械設(shè)備在靜止或運動中的狀態(tài)信息，并參考設(shè)備過去的運行經(jīng)歷，來獲得設(shè)備的實時狀況，并推斷未來的趨勢，從而確定必要的對應(yīng)策略在齒輪診斷方面，日本的白木萬博自60、70年代以來，發(fā)表了大量的故障診斷方面的文章，總結(jié)了豐富的現(xiàn)場故障處理經(jīng)驗并進行了理論分析。美國機械工藝技術(shù)公司，賽格研究所及麻省理工學(xué)院機械設(shè)計部對齒輪典型故障機理進行了大量的試驗研究。JS米切爾在“機器故障的分析與監(jiān)測”中也對齒輪故障機理做了詳細的論述。我國在齒輪故障機理研究方面也做了大量工作。如鄭州工業(yè)大學(xué)韓捷等在“齒輪故障的振動頻譜機理研究”中對齒輪的故障機理做了深入的探討，提出了將齒輪故障特征分為大周期齒輪故障特征和小特征齒輪故障特征［1］。齒輪振動原理齒輪產(chǎn)生振動的機理齒輪是機械設(shè)備中的常用部件，而齒輪傳動也是機械傳動中最常見的方式之一。齒輪失效的主要原因有：（1）輪齒的嚙合振動；齒輪的制造誤差和裝配誤差引起的振動；齒輪在使用過程中出現(xiàn)的損傷引起的振動；自由載荷引起的自由衰減振動。本文主要分析齒輪在嚙合過程中的振動情況。2.2嚙合齒輪振動分析若以一對齒輪作為研究對象，忽略齒面摩擦力的影響，則其力學(xué)模型如圖1所示。oooo其振動方程為Mx+Cx+K(t)x=K(t)E+K(t)E(t)(1)t12式中x—巖作用線上齒輪的相對位移；C—齒輪嚙合阻尼；K(t)—齒輪嚙合剛度；M—齒輪副的等效質(zhì)量；tE—齒輪受載后的平均彈性變形；1E(t)—齒輪的誤差和異常造成的兩個齒輪間的相對位移。2由式1可見，其振源來自兩部分：一部分為k(t)-E，它與齒輪的誤差和故障1無關(guān)，成為常規(guī)齒輪粘合振動；另一部分為K(t)-E(t)，它取決于齒輪的嚙合剛2度K(t)和故障函數(shù)E(t)[2]。2每當一個輪齒開始進入嚙合到下一個輪齒進入嚙合，齒輪的嚙合剛度就變化一次。變化曲線如圖2所示。若齒輪副主動輪轉(zhuǎn)速為n，齒數(shù)為z，主動輪轉(zhuǎn)速為n，齒數(shù)為z，則齒輪嚙合剛度的變化頻率（嚙合頻率）及它們的諧頻為f=Nfz=Nfz=N廣z（N=1,2,3）（2）c1122602理論上直徑相等的嚙合齒輪在轉(zhuǎn)動過程中的角速度大小和轉(zhuǎn)動周期應(yīng)該相等，但由于齒輪自身的剛度變化，其時域和頻域特征如圖3所示。圖3正常齒輪時域和頻域振動波形嚙合齒輪虛擬樣機模型的建立ADAMS是目前國際上使用最廣泛的機械系統(tǒng)動態(tài)模擬軟件。由于ADAMS之前的版本所提供的實體造型（SolidModeling）功能并不適合于復(fù)雜3D曲面的構(gòu)建，所以一般情況下都將3DCAD專業(yè)軟件當做幾何前處理器，在專業(yè)CAD（PROE，UG等）軟件建模后，通過專業(yè)接口軟件將模型輸入到ADAMS中進行分析［3］。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，經(jīng)常由于單位不一致而導(dǎo)致建模轉(zhuǎn)換失敗。本文采用ADAMS2012最新研發(fā)的參數(shù)化齒輪實體建模模塊直接進行齒輪的三維實體建模，減少了工作程序，提高了準確率。三維模型的建立在ADAMS2012環(huán)境下，建立模數(shù)為2,壓力角為20，齒數(shù)為40的嚙合齒輪實體模型。如圖4所示。虛擬樣機模型的建立在ADAMS2012環(huán)境下，對模型施加各種約束并定義嚙合齒輪內(nèi)之間的碰撞力、摩擦力和齒輪副。本文應(yīng)用用剛度系數(shù)和阻尼數(shù)來計算碰撞力的Impact函數(shù)計算接觸力，如圖5所示。并利用其中的控制分析軟件MATLAB進行仿真、有限元分析軟件ANSYS等集成擴展模塊進行分析。通過建立某指定機械系統(tǒng)的數(shù)字化虛擬樣機，準確地預(yù)測該系統(tǒng)的各種模擬實驗的性能指標。

OK議嘰1_1圖5虛擬樣機模型OK議嘰1_1圖5虛擬樣機模型傳感器及測點的選擇實際進行齒輪振動的測量時，傳感器的安裝位置（測點）不同，所得到的測定值會有較大的差異，最好的辦法是對各測點做出標記，以保證每次測點的部位不變。另外，還應(yīng)注意測定部位的表面應(yīng)是光滑整潔的，避免臟物對振動造成衰減。齒輪發(fā)生異常是各種各樣的，發(fā)生最大振動的方向也各不相同，因此一般應(yīng)盡可能地沿水平、垂直和軸向三個方向進行測定［4］。本文選用在齒輪正面表面設(shè)置壓電式加速度傳感器，進行正交式測量，再通過積分電路轉(zhuǎn)換成所需的參數(shù)。其工作流程如圖6所示。電動機待測齒輪加速度傳感器信號處理數(shù)據(jù)通信人機界面控制輸出虛擬樣機采樣電動機待測齒輪加速度傳感器信號處理數(shù)據(jù)通信人機界面控制輸出虛擬樣機采樣圖6系統(tǒng)故障檢測流程圖嚙合齒輪仿真分析4.1仿真條件

基于ADAMS/Postprocessor模塊建立仿真條件：主動輪轉(zhuǎn)速為30r/min；輸入轉(zhuǎn)矩是定靜態(tài)負載T=1500Nmm。為了施加負載時不出現(xiàn)陡變，在這里使用Step函數(shù)使負載在0.2s內(nèi)平緩作用，即step（time，0,0,0.2,1500）。其中time為時間變量。其靜態(tài)負載轉(zhuǎn)矩如圖7所示。Hju0.01.02.00.01.02.03.0405.0Time(sec)2013-01-14圖7力矩圖4.2仿真結(jié)果基于ADAMS/Controls和MATLAB集成模塊進行仿真。其中t=5s，step=100，電動機轉(zhuǎn)速為30r/min。在此轉(zhuǎn)速條件下，主動輪和從動輪理想狀態(tài)下的角速度和角加速度大小應(yīng)該相同，如圖8所示。但在實際測量時主動輪的角加速度卻波動較大，如圖9所示。chilunzuoye1chilunzuoye1圖8主動輪理論角速度chilunzuoye1chilunzuoye1通過ADAMS/Postprocessor對加速度時域數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換（FFT）以轉(zhuǎn)換到頻域，通過頻域特性能夠更加直觀地了解振動故障的頻率分布、掌握系統(tǒng)的振動特性，其結(jié)果如圖10所示。4.5E-008-4.0E-008-3.5E-0082.0E-008——rt-iMAU(namming(4.5E-008-4.0E-008-3.5E-0082.0E-008——rt-iMAU(namming(.pioi_o.curve_i.y_aaia)rz^o)\Aa!AA\AnAI\i!\A貝Ain1f\\\\AAAAii/II\r1f]\r\?Zf11/./\/\/?/iIn:(\\\VVv111i=u\\I\\v\J7Vi\/uJLIy-[zdL11rJL3.0E-008-2.5E-0085.010.015.0Frequency(Hz)匸5E-00840.020.0圖10角加速度FFT圖根據(jù)電動機的運動機理，從時域譜分析很明顯可以得出該系統(tǒng)在此狀態(tài)下存在明顯的振動故障。而從頻域譜也可以看出在OTOHz的范圍內(nèi)頻率變化比較小且持續(xù)時間長，不利于系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。5.結(jié)論（1）對比以上譜圖可以看出，正常齒輪與故障齒輪振動頻譜有明顯差異，正常齒輪譜圖上嚙合頻率的峰值很突出，其諧波峰值以很大的速度減小。齒輪在受迫振動后，從FFT的幅值譜可以很明顯的對齒輪故障作出判斷。（2）由分析結(jié)果可知，時域分析或頻域分析診斷的嚙合齒輪振動結(jié)果可以認為是等效的。用主動輪角加速度