基于ADAMS啮合齿轮振动的检测与分析

课程论文论文标题：基于ADAMS啮合齿轮振动的检测与分析姓名：苏达子学号：0901301012专业：机械制造及其自动化专业学院：机械工程学院时间：2013年01月13日基于ADAMS啮合齿轮振动的检测与分析苏达子机械工程学院0901301012【摘要】基于ADAMS2012（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems）软件的基础上建立参数化直齿轮三维实体模型，使用多体动力学分析软件ADAMS对齿轮黏合过程中产生的振动进行仿真分析，研究了在对应转速和力矩条件下齿轮振动在时域及频域中的变化规律并对齿轮啮合过程中可能产生的振动故障进行分析，提出诊断结果。关键词：ADAMS；齿轮；振动；仿真【Abstract】BasedontheofsoftwareADAMS2012(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)createsparametricstraightspurgearin3Dphysicalmodel,theuseofmulti-bodydynamicsanalysissoftwareADAMSongearbondingprocessofvibrationsimulationanalysis,inthecorrespondingrotationalspeedandtorqueconditionsgearvibrationintimeandfrequencydomainandthechangeruleofgearmeshingmightoccurduringtheprocessofvibrationfaultisanalyzed,andthediagnosis.Keywords:Adams；Gear；Vibration；Simulation.1引言机械故障诊断学时20世纪六七十年代逐渐发展起来的一门综合性、交叉性的新学科。它通过获得机械设备在静止或运动中的状态信息，并参考设备过去的运行经历，来获得设备的实时状况，并推断未来的趋势，从而确定必要的对应策略。在齿轮诊断方面，日本的白木万博自60、70年代以来，发表了大量的故障诊断方面的文章，总结了丰富的现场故障处理经验并进行了理论分析。美国机械工艺技术公司，赛格研究所及麻省理工学院机械设计部对齿轮典型故障机理进行了大量的试验研究。JS米切尔在“机器故障的分析与监测”中也对齿轮故障机理做了详细的论述。我国在齿轮故障机理研究方面也做了大量工作。如郑州工业大学韩捷等在“齿轮故障的振动频谱机理研究”中对齿轮的故障机理做了深入的探讨，提出了将齿轮故障特征分为大周期齿轮故障特征和小特征齿轮故障特征[1]。2齿轮振动原理2.1齿轮产生振动的机理齿轮是机械设备中的常用部件，而齿轮传动也是机械传动中最常见的方式之一。齿轮失效的主要原因有：（1）轮齿的啮合振动；（2）齿轮的制造误差和装配误差引起的振动；（3）齿轮在使用过程中出现的损伤引起的振动；（4）自由载荷引起的自由衰减振动。本文主要分析齿轮在啮合过程中的振动情况。2.2啮合齿轮振动分析若以一对齿轮作为研究对象，忽略齿面摩擦力的影响，则其力学模型如图1所示。图1齿轮副力学模型其振动方程为12()()()()tMxCxKtxKtEKtEt（1）式中x—岩作用线上齿轮的相对位移；C—齿轮啮合阻尼；()Kt—齿轮啮合刚度；tM—齿轮副的等效质量；1E—齿轮受载后的平均弹性变形；2()Et—齿轮的误差和异常造成的两个齿轮间的相对位移。由式1可见，其振源来自两部分：一部分为()Kt1E，它与齿轮的误差和故障无关，成为常规齿轮粘合振动；另一部分为()Kt2()Et，它取决于齿轮的啮合刚度()Kt和故障函数2()Et[2]。每当一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的啮合刚度就变化一次。变化曲线如图2所示。图2直齿轮啮合刚度变化曲线若齿轮副主动轮转速为n1，齿数为z1，主动轮转速为n2，齿数为z2，则齿轮啮合刚度的变化频率（啮合频率）及它们的谐频为211222(1,2,3)60cnfNfzNfzNzN（2）理论上直径相等的啮合齿轮在转动过程中的角速度大小和转动周期应该相等，但由于齿轮自身的刚度变化，其时域和频域特征如图3所示。图3正常齿轮时域和频域振动波形3啮合齿轮虚拟样机模型的建立ADAMS是目前国际上使用最广泛的机械系统动态模拟软件。由于ADAMS之前的版本所提供的实体造型（SolidModeling）功能并不适合于复杂3D曲面的构建，所以一般情况下都将3DCAD专业软件当做几何前处理器，在专业CAD（PROE，UG等）软件建模后，通过专业接口软件将模型输入到ADAMS中进行分析[3]。在数据转换过程中，经常由于单位不一致而导致建模转换失败。本文采用ADAMS2012最新研发的参数化齿轮实体建模模块直接进行齿轮的三维实体建模，减少了工作程序，提高了准确率。3.1三维模型的建立在ADAMS2012环境下，建立模数为2，压力角为20，齿数为40的啮合齿轮实体模型。如图4所示。3.2虚拟样机模型的建立在ADAMS2012环境下，对模型施加各种约束并定义啮合齿轮内之间的碰撞力、摩擦力和齿轮副。本文应用用刚度系数和阻尼数来计算碰撞力的Impact函数计算接触力，如图5所示。并利用其中的控制分析软件MATLAB进行仿真、有限元分析软件ANSYS等集成扩展模块进行分析。通过建立某指定机械系统的数字化虚拟样机，准确地预测该系统的各种模拟实验的性能指标。图4三维模型图5虚拟样机模型3.3传感器及测点的选择实际进行齿轮振动的测量时，传感器的安装位置（测点）不同，所得到的测定值会有较大的差异，最好的办法是对各测点做出标记，以保证每次测点的部位不变。另外，还应注意测定部位的表面应是光滑整洁的，避免脏物对振动造成衰减。齿轮发生异常是各种各样的，发生最大振动的方向也各不相同，因此一般应尽可能地沿水平、垂直和轴向三个方向进行测定[4]。本文选用在齿轮正面表面设置压电式加速度传感器，进行正交式测量，再通过积分电路转换成所需的参数。其工作流程如图6所示。图6系统故障检测流程图4啮合齿轮仿真分析4.1仿真条件电动机待测齿轮加速度传感器虚拟样机采样信号调理信号处理人机界面控制输出数据通信基于ADAMS/Postprocessor模块建立仿真条件：主动轮转速为30r/min；输入转矩是定静态负载T=1500Nmm。为了施加负载时不出现陡变，在这里使用Step函数使负载在0.2s内平缓作用，即step（time，0,0,0.2,1500）。其中time为时间变量。其静态负载转矩如图7所示。图7力矩图4.2仿真结果基于ADAMS/Controls和MATLAB集成模块进行仿真。其中t=5s，step=100，电动机转速为30r/min。在此转速条件下，主动轮和从动轮理想状态下的角速度和角加速度大小应该相同，如图8所示。但在实际测量时主动轮的角加速度却波动较大，如图9所示。图8主动轮理论角速度图9主动轮实际角加速度通过ADAMS/Postprocessor对加速度时域数据进行快速傅里叶变换（FFT）以转换到频域，通过频域特性能够更加直观地了解振动故障的频率分布、掌握系统的振动特性，其结果如图10所示。图10角加速度FFT图根据电动机的运动机理，从时域谱分析很明显可以得出该系统在此状态下存在明显的振动故障。而从频域谱也可以看出在0-10Hz的范围内频率变化比较小且持续时间长，不利于系统的正常运转。5.结论（1）对比以上谱图可以看出，正常齿轮与故障齿轮振动频谱有明显差异，正常齿轮谱图上啮合频率的峰值很突出，其谐波峰值以很大的速度减小。齿轮在受迫振动后，从FFT的幅值谱可以很明显的对齿轮故障作出判断。（2）由分析结果可知，时域分析或频域分析诊断的啮合齿轮振动结果可以认为是等效的。用主动轮角加速度时域谱中的齿轮啮合谐波幅值可以很明显的判断该系统存在故障。参考文献[1]李延斌.齿轮故障诊断技术现状与展望.机械设计与制造，2002(2).[2]杨国安.机械设备故障诊断.中国石化出版社，2007.186-208.[3]陈志伟.MSCAdams多体动力学仿真基础与实例解析.北京：中国水利水电出版社，2012.[4]陆兆峰.压电式加速度传感器在振动测量系统的应用研究.仪表技术与传感器，2007(7).