齿轮-轴-轴承系统是现代机械工业常用的传动机构。当轴承外圈与轴承座出现配合间隙时,传动系统会产生复杂的振动响应,使运行状态识别变得十分困难。建立了36自由度的齿轮-轴-配合间隙轴承系统动力学模型,该模型结合齿轮副系统和轴承系统,考虑了配合间隙引起的碰摩;并通过Hertz理论中的非线性接触和库仑摩擦模型计算了轴承外圈和轴承座之间的接触力。结果表明,当轴承外圈与轴承座之间产生配合间隙后,传动系统的时域响应受到轴承外滚道故障频率的调幅,配合间隙越大,调幅现象越严重;由于衰减次数的增加,响应频谱上出现齿轮副和轴承的超谐波频率,传动系统的超谐波响应被激发;随着轴承外圈配合间隙的增加,更高阶的超谐波响应会被激发。最后,通过实验验证了所建立模型和对既得结果分析的正确性。

针对齿轮-转子-轴承系统发生复合故障时齿轮副振动响应,结合齿轮副模型和滚子轴承模型,基于拉格朗日方程建立了36自由度的齿轮-转子-轴承系统耦合振型,设定齿轮副主动轮剥落和轴承表面损伤复合故障,研究了复合故障下齿轮副的振动响应。结果表明,在健康的齿轮-转子-轴承系统振动响应下,系统振动时域幅值较为均匀,振动频谱主要为轴承外圈特征频率和齿轮副啮合频率;当齿轮副发生剥落单故障时,系统振动频谱上出现啮合频率与转轴频率调制生成的边频带;当齿轮-转子-轴承系统发生复合故障时,系统振动时域上的振动幅值增大,振动愈加复杂,频域信号调制现象严重,而且调制生成的信号幅值增大,但在其振动频域上可以找到其故障频率以及调制生成的谐波频率,以此可以判断系统的故障类型。

作为机械装备中的关键传动机构,渐开线直齿轮在啮合传动过程中,受极端工况影响,轮齿表面极易引发剥落缺陷,改变齿轮副啮合刚度,严重影响其工作性能和传动效率。针对轮齿表面剥落形貌演变过程中的齿轮副啮合刚度,以拓展后边缘线与原矩形剥落边缘线夹角描述剥落故障演变,结合势能法构建了含剥落故障齿轮副的啮合刚度计算模型。结果表明,当齿轮副发生齿面剥落时,会使剥落区域参与的啮合区间啮合刚度减小,并且随着剥落参数的增大,齿轮啮合刚度减小趋势增大;当剥落区域沿齿轮副轴向中心面不对称时,齿轮易发生扭转变形而产生扭转刚度;同时,由于摩擦力存在,剥落区域边缘会进一步拓展,使剥落区域的宽度增大,导致齿轮副时变啮合刚度曲线变化的区间范围增大。

受装配工艺的影响,渐开线直齿轮副传动轴极易出现平行度误差,直接改变齿轮副时变啮合刚度变化规律,进而影响齿轮副的工作状态。为揭示平行度误差对啮合刚度的影响规律,文中采用势能法建立考虑传动轴平行度误差的齿轮副啮合刚度模型,研究平行度误差和齿面摩擦共同作用下的齿轮副啮合刚度变化规律。结果表明当传动轴出现平行度误差时,齿轮啮合传动时出现扭转变形,产生轮齿扭转刚度,导致齿轮副啮合刚度减小,且啮合刚度随着平行度误差增大而减小,而齿面摩擦直接影响直齿轮副双齿啮合区间和单齿啮合区间啮入阶段的啮合刚度,减小单齿啮合区间啮出阶段的啮合刚度。

渐开线直齿轮副啮合传动过程中,受周期性热应力载荷及载荷突增等因素影响,齿面常出现点蚀剥落故障,严重影响齿轮传动性能。文中以Block理论描述齿面闪温特征,借助势能法获取啮合刚度模型,进而建立剥落故障直齿轮副振动分析模型,深入研究齿面闪温对直齿轮副振动特征的影响规律。结果表明直齿轮副传动过程中,两齿面滑动摩擦产生热量,导致轮齿表面有小幅温升,发生热应力变形,而齿轮副转轴频率调制生成的边频带分布区间,边频带间隔为转轴频率。

应用有限元分析软件ANSYS对压力容器的不连续区进行有限元分析及优化设计,获得较为精确的应力分布和参数,得到压力容器设计的最佳方案,推动该设计方法在实际工程中的应用。