检测行星轮轴承内圈故障的行星齿轮箱动力学建模方法技术

本发明专利技术涉及故障诊断技术领域，公开了一种检测行星轮轴承内圈故障的行星齿轮箱动力学建模方法，该方法包括以下步骤：1）基于全齿廓普遍方程得出行星轮系的时变啮合刚度；2）基于赫兹接触理论得出所述行星轮系与行星轮轴承之间的动态接触力；3）根据行星齿轮箱内的所述行星轮系以及所述行星轮轴承之间的相互作用构建系统非线性动力学模型；4）对所构建的所述动力学模型仿真训练，以获得包括所述行星轮轴承的内圈故障时的所述行星齿轮箱系统的振动加速度信号。本发明专利技术能够为行星齿轮箱状态监测和剩余寿命预测提供基础支撑，实现行星齿轮箱系统的精确诊断，避免误诊，从而防止因行星齿轮箱中的齿轮或者轴承故障引起重大事故发生。轮箱中的齿轮或者轴承故障引起重大事故发生。轮箱中的齿轮或者轴承故障引起重大事故发生。

【技术实现步骤摘要】
检测行星轮轴承内圈故障的行星齿轮箱动力学建模方法


[0001]本专利技术涉及故障诊断领域，尤其是涉及一种检测行星轮轴承内圈故障的行星齿轮箱动力学建模方法。

技术介绍

[0002]行星齿轮箱作为传递运动和力的元件，具有传动效率高、承载能力强等优点，在航空、船舶、风力发电、起重运输等行业都有广泛的应用。但由于行星齿轮箱的复杂的结构、恶劣的工作环境，关键的部件很容易受到损害并且出现故障。行星齿轮箱中一旦某个关键部件发生故障，将直接影响到设备的正常运转，降低生产效率，甚至造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此研究行星齿轮箱故障机理及动力学特性，对防止故障的发生具有非常重要的意义。
[0003]行星齿轮箱的振动信号是故障机理研究和动力学特性的基础和关键。通过动力学仿真和实验手段都可以获取其振动信号，但是实验周期长，并需要花费大量的人力和财力，实验测取的振动信号中还会存在着大量的噪声等干扰，从而导致行星齿轮箱的故障机理研究难度增大。
[0004]有鉴于此，需要建立一种与实际工况相符的行星齿轮箱动力学模型以用于判断行星轮轴承内圈是否发生故障。

技术实现思路

[0005]本专利技术第一方面所要解决的技术问题是提供了一种检测行星轮轴承内圈故障的行星齿轮箱动力学建模方法，能够为行星齿轮箱状态监测和剩余寿命预测提供基础支撑，实现行星齿轮箱系统的精确诊断，避免误诊，从而防止因行星齿轮箱中的齿轮或者轴承故障引起重大事故发生。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种检测行星轮轴承内圈故障的行星齿轮箱动力学建模方法，该方法包括以下步骤：1）基于全齿廓普遍方程得出行星轮系的时变啮合刚度；2）基于赫兹接触理论得出所述行星轮系与行星轮轴承之间的动态接触力；3）根据行星齿轮箱内的所述行星轮系以及所述行星轮轴承之间的相互作用构建系统非线性动力学模型；4）对所构建的所述动力学模型仿真训练，以获得包括所述行星轮轴承的内圈故障时的所述行星齿轮箱系统的振动加速度信号。
[0007]优选地，所述行星齿轮箱包括太阳轮、内齿圈、行星轮、行星架和轴承，第n个行星轮与太阳轮之间的时变啮合刚度k
spn
（n=1，
…
N）、第n个行星轮与内齿圈之间的时变啮合刚度k
rpn
。
[0008]进一步优选地，对所述行星齿轮箱内的轴承进行划分，所述轴承包括内圈、外圈和N
b
个滚动体，各所述滚动体与所述外圈以及所述内圈之间的弹性形变分别采用弹簧阻尼器
进行模拟，以计算出所述滚动体位于缺陷区域内的有效接触深度，所述滚动体与所述外圈以及所述内圈的刚度均为k
b
，阻尼为c，并设定所述行星轮轴承内滚道剥落的角位置为，深度为h，缺陷宽度为，以计算出所述滚动体位于缺陷区域内的缺陷宽度为时的有效接触深度：；其中，R为滚珠半径，X
nj
为第n个行星轮轴承的内圈中心到第j颗滚动体中心的位移，表示为滚动体中心到缺陷边缘的角度。
[0009]优选地，所述动态接触力包括第n个所述行星轮轴承与行星轮之间的接触力在x
pn
和y
pn
方向的分力和，；其中，为第n个行星轮轴承的第j颗滚动体角位置，cl为轴承间隙，D
p
为节径，x
pn
和y
pn
分别为第n个行星轮的水平方向和垂直方向位移，δ
outnj 表示第n个行星轮轴承的第j个滚动体与外圈之间的接触变形量，Z
nj
为第n个行星轮轴承外圈中心到第j颗滚动体中心的位移，l
nj
为滚动体中心到广义极坐标系原点的位移。
[0010]进一步优选地，第n个所述行星轮轴承与行星架之间的接触力在x
c
和y
c
方向的分力和：
；其中，x
c
和y
c
分别为行星架的水平方向和垂直方向位移，δ
in nj 表示第n个行星轮轴承的第j个滚动体与外圈之间的接触变形量；当滚动体位于缺陷内时，开关函数=1，反之开关函数=0，F
sbx
和F
sby
表示太阳轮轴承力在x
s
和y
s
方向的分力。
[0011]优选地，所构建的所述行星轮系中的所述太阳轮的系统动力学微分方程组如下，其中，所述太阳轮的运动方程如下：；其中T
i
是系统的输入扭矩，N为行星轮个数，F
spn
表示第n个行星轮与太阳轮之间的啮合力，m
s
为太阳轮质量，x
s
和y
s
分别为太阳轮的水平方向和垂直方向位移，a为压力角，为第n个行星轮的圆周角，为行星架的转速，r
s
为太阳轮齿根圆半径，为太阳轮的转动惯量。
[0012]进一步优选地，所构建的所述内齿圈的系统动力学微分方程组如下，其中，所述内齿圈的运动方程如下：；
其中，F
rpn
表示第n个行星轮与内齿圈之间的啮合力，m
r
为内齿圈质量，x
r
和y
r
分别为内齿圈的水平方向和垂直方向位移，r
r
为内齿圈齿根圆半径，为内齿圈的转动惯量，和为内齿圈在旋转方向的刚度，和为内齿圈在旋转方向的阻尼系数，c
rt 为轴承阻尼，k
rt
为轴承刚度，为内齿圈的转速。
[0013]优选地，所构建的所述行星轮的系统动力学微分方程组如下，其中，所述行星轮的运动方程如下：；其中，m
p
为行星轮质量，r
p
为行星轮的齿根圆半径，为行星轮的转动惯量。
[0014]进一步优选地，所构建的所述行星架的系统动力学微分方程组如下，其中，所述行星架的运动方程如下：；其中，T
o
是系统的输出扭矩，F
cbx
和F
cby
表示行星架轴承力在x
s
和y
s
方向的分力，m
c
为行星架质量，r
c
为行星架的齿根圆半径，为行星架的转动惯量，F
pbcxn
和F
pbcyn
表示第n个行星轮轴承与行星架之间的接触力在x
c
和y
c
方向的分力，F
cpbxn
和F
cpbyn
表示行星架与第n个行星轮轴承的接触力在x
c
和y
c
方向的分力。
[0015]优选地，所构建的所述行星轮轴承的滚动体的系统动力学微分方程组如下，其中，所述滚动体的运动方程如下：
；其中，m
b
为滚动体的质量，w
c
为轴转速，和分别为滚动体的接触力和接触阻尼力，g为重力加速度的单位。
[0016]通过上述技术方案，本专利技术的检测行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种检测行星轮轴承内圈故障的行星齿轮箱动力学建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1）基于全齿廓普遍方程得出行星齿轮箱内行星轮系的时变啮合刚度；2）基于赫兹接触理论得出所述行星轮系与行星轮轴承之间的动态接触力；3）根据行星齿轮箱内的所述行星轮系以及所述行星轮轴承之间的相互作用构建行星齿轮箱非线性动力学模型；4）对所构建的所述动力学模型仿真训练，以获得包括所述行星轮轴承的内圈故障时的所述行星齿轮箱系统的振动加速度信号。2.根据权利要求1所述的检测行星轮轴承内圈故障的行星齿轮箱动力学建模方法，其特征在于，所述行星齿轮箱包括太阳轮、内齿圈、行星轮、行星架和轴承，第n个行星轮与太阳轮之间的时变啮合刚度k
spn
（n=1，
…
N）、第n个行星轮与内齿圈之间的时变啮合刚度k
rpn
。3.根据权利要求2所述的检测行星轮轴承内圈故障的行星齿轮箱动力学建模方法，其特征在于，对所述行星齿轮箱内的轴承进行划分，所述轴承包括内圈、外圈和N
b
个滚动体，各所述滚动体与所述外圈以及所述内圈之间的弹性形变分别采用弹簧阻尼器进行模拟，以计算出所述滚动体位于缺陷区域内的有效接触深度，所述滚动体与所述外圈以及所述内圈的刚度均为k
b
，阻尼为c，并设定所述行星轮轴承内滚道剥落的角位置为，深度为h，缺陷宽度为，以计算出所述滚动体位于缺陷区域内的缺陷宽度为时的有效接触深度：；其中，R为滚珠半径，X
nj
为第n个行星轮轴承的内圈中心到第j颗滚动体中心的位移，表示为滚动体中心到缺陷边缘的角度。4.根据权利要求3所述的检测行星轮轴承内圈故障的行星齿轮箱动力学建模方法，其特征在于，所述动态接触力包括第n个所述行星轮轴承与行星轮之间的接触力在x
pn
和y
pn
方向的分力和，
；其中，为第n个行星轮轴承的第j颗滚动体角位置，cl为轴承间隙，D
p
为节径，x
pn
和y
pn
分别为第n个行星轮的水平方向和垂直方向位移，δ
outnj
表示第n个行星轮轴承的第j个滚动体与外圈之间的接触变形量，Z
nj
为第n个行星轮轴承外圈中心到第j颗滚动体中心的位移，l
nj
为滚动体中心到广义极坐标系原点的位移。5.根据权利要求4所述的检测行星轮轴承内圈故障的行星齿轮箱动力学建模方法，其特征在于，第n个所述行星轮轴承与行星架之间的接触力在x
c
和y
c
方向的分力和：；其中，x
c
和y
c
分别为行星架的水平方向和垂直方向位移，δ
in nj 表示第n个行星轮轴承的第j个滚动体与外圈之间的接触变形量；当滚动体位于缺陷内时，开关函数=1，反之开关函数=0，F
sbx
和F
sby
表示太阳轮轴承力在x
s
和y
s
方向的分力。6.根据权利要求5所述的检测行星轮轴承内圈故障的行星齿轮箱动力学建模方法，其特征在于，所构建的所述行星轮系中的所述太阳轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟力，杨博淙，杨康定，王飞彪，
申请(专利权)人：频率探索智能科技江苏有限公司，
类型：发明
国别省市：