断齿是行星齿轮箱常见的一种故障形式。当行星齿轮箱发生断齿故障时,传感器采集到的振动信号由于传递路径的影响会变得复杂,给故障诊断带来困难。为了研究行星齿轮箱发生断齿故障时传递路径对频谱结构的影响,在Adams仿真平台中分别建立行星齿轮箱无故障、太阳轮断齿故障、行星轮断齿故障及齿圈断齿故障的刚柔耦合模型并进行仿真,提取分析了系统不同状态下箱体的振动仿真信号。结果表明,在时域波形中,路径的变化会对箱体固定位置测量点处的振动信号产生明显的调幅作用;在频谱图中,啮合频率的两侧也会产生由不同频率组合的边带成分。该研究可为后续行星齿轮箱的故障诊断提供依据和参考。

针对退火窑主传动系统故障特性,综合考虑齿轮时变啮合刚度和轴承时变刚度等非线性因素,建立了包含驱动电机、齿轮传动系统及系统负载在内的退火窑主传动系统机-电耦合动力学模型。分析了轴承外圈故障、齿轮断齿故障对退火窑主传动系统动态特性及其电特性的影响。结果表明,当发生断齿故障时,其故障特征是以断齿所在轴及齿轮的故障特征频率为调制信号,对各构件主导频率附近的边频产生了调幅调频的现象,同时也对电信号产生调制现象;当发生轴承外圈故障时,其故障特征是以外圈故障特征频率为调制信号,对各构件主导频率周围的边频产生调幅调频现象,同时也对电信号产生调制现象。研究结果对退火窑主传动系统健康状态监测与预警提供了理论基础。

以一级齿轮箱及其连接的双跨转子系统为研究对象,研究其载荷激励和断齿故障下的动力学机理。针对齿轮啮合刚度的时变性及其所连接的转子系统的不平衡,以转子系统动力学、齿轮系统动力学以及拉格朗日方程为基础,构建了齿轮-转子系统的弯扭耦合数学模型,并在Matlab/Simulink环境下建立其仿真模型。数值仿真了断齿故障信号,并通过信号发生器模拟不同的载荷激励,通过观察其时频图解析了不同载荷激励和断齿故障所引起的系统动力学响应。最后,通过不同载荷激励下的齿轮断齿故障试验,得到实测信号的时域图并进行频谱分析,验证了齿轮-转子系统模型的合理性,可为齿轮-转子系统的故障诊断提供重要的理论依据。

针对复杂生产背景下产生的强噪声淹没齿轮有效故障特征信息的问题,利用Autogram方法对其进行特征提取。该方法利用最大重叠离散小波包变换,对齿轮断齿故障振动信号进行不同层数分解处理,每层得到若干个信号,被称为“node”。为了更加全面地描述故障特征信息,对每个node进行包络谱的3种无偏自相关谱峭度求取,以便选取合适node作为信号源进行下一步分析。最后,对该信号源引入阈值处理,以便加强频谱分析的全面性,实现对齿轮断齿故障特征信息的有效提取。通过对比分析仿真和实测齿轮故障振动信号,验证了该方法的有效性。

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。

为了探究含故障因素行星齿轮传动系统的动态特性,结合Hertz接触理论和齿轮激励,建立考虑齿面接触特性的行星齿轮传动系统动力学模型,并且在模型中分别引入了行星轮、内齿圈、太阳轮3种断齿故障因素;分别模拟了传动系统在不同故障因素影响下的工作过程,通过分析动载荷谱、浮动轨迹来研究行星齿轮出现故障的情况下传动系统的动态特性。得出结论:与内齿圈断齿故障相比,行星轮、太阳轮断齿对系统造成影响更大;频谱图中低频区域的幅值所在频率和故障频率有着对应关系;太阳轮断齿故障因素使太阳轮浮动轨迹半径大幅增加。故障因素对系统动态特性影响的研究,可以为行星齿轮传动系统的故障诊断提供理论依据。