以风电增速斜齿轮行星轮系为研究对象,运用非线性动力学理论和数值分析法计算齿根裂纹故障时斜齿轮副的时变啮合刚度。建立不同程度的齿根裂纹并分析其对斜齿轮时变啮合刚度的影响。经研究斜齿轮齿根裂纹分为贯穿性与非贯穿型,贯穿型裂纹在深度方向上用抛物线形式进行啮合,贯穿整个齿宽;非贯穿型裂纹在深度和齿宽方向上分别用抛物线拟合。共建立二十种不同形状的斜齿轮齿根裂纹。用刚度劣化率定量分析不同程度齿根裂纹对斜齿轮副啮合刚度的影响。分析表明无裂纹斜齿轮副啮合时,时变啮合刚度是高低循环变化的,在高低变化之间刚度是线性递变。贯穿型裂纹比非贯穿型裂纹啮合刚度劣化更明显,单齿啮合时刚度劣化更为明显。裂纹在深度方向与宽度方向上延长相同百分比时,宽度方向上刚度劣化更明显。

密封圈是水下连接器上的全金属结构,其性能优劣将影响连接器密封功能的实现。为保证密封圈的性能,需要进行裂纹故障对其性能影响的研究。根据水下连接器的两种工作状态,利用ABAQUS有限元法对无裂纹密封圈进行强度计算,通过最大等效应力结果与最大等效塑性应变结果找到易产生裂纹的区域;之后在该区域预置了不同深度、位置、角度的裂纹,探讨了三个因素对密封圈密封性能和结构性能的影响。结果表明:水下连接器金属密封圈在工作时,与毂座的接触面为应力集中区域,处于塑性变形状态,容易产生横向裂纹;裂纹前期对密封圈密封性能影响不大,但使得密封圈结构性能变差,长期使用会导致裂纹扩展,从而使结构断裂,密封发生失效。

为了提取齿轮裂纹故障的特征参数并识别不同裂纹深度齿轮的类型,以单级齿轮箱中的圆柱齿轮为实验对象,采集3种不同裂纹深度齿轮的振动信号。对采集到的信号进行时频域分析和EEMD分解,分别提取时域特征参数和EEMD能量特征参数,分析和构造齿轮裂纹故障特征向量,选用基于径向基核函数的支持向量机分类方法进行不同裂纹深度齿轮的识别。结果表明:结合时域特征参数和EEMD能量特征参数构造的齿轮裂纹故障特征向量能准确识别不同裂纹深度齿轮的类型。

为了识别不同裂纹深度的故障齿轮,以齿轮传动系统中的直齿圆柱齿轮为研究对象,采集3个已预设不同裂纹深度的齿轮和1个无裂纹齿轮的振动信号。对采集到的振动信号先进行时频域分析和EMD分解,再提取不同维数的能量故障特征向量,采用基于径向基核函数的算法分别建立SVM模型并进行不同裂纹深度齿轮的识别和识别率比对。结果表明:选择合适维数的能量故障特征向量,结合EMD信号分解和SVM模式识别方法能准确识别不同裂纹深度齿轮的类型,为齿轮裂纹故障的早期诊断提供参考。

基于故障因素对行星齿轮系统动态特性的影响,用赫兹接触理论,在考虑齿面接触刚度特性的条件下引入弯曲刚度,建立新的传动系统动力学模型。利用扭簧刚度变化分别引入太阳轮裂纹和断齿2种故障因素,分别模拟了行星齿轮传动系统在不同故障因素影响下的运转状态。通过分析动载荷谱、太阳轮浮动轨迹研究故障因素对行星齿轮传动系统动态特性的影响。结果表明:太阳轮出现裂纹故障时,太阳轮浮动轨迹随着裂纹的加深逐渐扩大;在经过裂纹轮齿时,行星轮与内齿圈啮合力振幅少量增加;太阳轮出现断齿故障时,太阳轮浮动轨迹在啮合处发生瞬时大幅度偏移;行星轮与内齿圈啮合力振幅较大,在频域图的低频区域出现大量边频带;故障因素对传动系统的影响随工况条件的改变而变化。

综合考虑轻微磨损故障和裂纹故障等因素,建立含故障的直齿轮副的非线性动力学模型,并利用4~5阶变步长Runge-Kutta法对含故障的直齿轮模型的动力学方程进行数值求解;得到了单级齿轮系统在无故障、轻微磨损故障和裂纹故障状态下系统的分岔图、相图和Poincaré映射图;研究了齿轮系统在无故障和故障时的动力学行为,研究结果为齿轮系统的故障诊断、动态设计和安全运行等提供了理论参考。

为了更好地研究轮齿齿根裂纹对齿轮传动系统动态特性的影响,将风力发电机增速齿轮箱中一对啮合轮齿作为研究对象。运用改进能量法计算含有齿根裂纹齿轮的齿轮系统时变啮合刚度,考虑齿侧间隙、时变啮合刚度和传动误差影响,建立含有齿根裂纹故障的齿轮传动系统6自由度动力学模型。利用四阶Runge-Kutta法对建立的齿轮系统微分方程进行积分求解,得到齿轮系统动力学响应。通过幅频响应曲线、时域图及频域图,综合分析了含有不同深度裂纹故障的齿轮传动系统的动力学特性。最后,通过试验验证齿轮系统理论仿真的正确性,从而为风力发电机齿轮箱中的齿轮系统裂纹故障识别提供理论依据。