CN105651510A - 一种测量高速轻量化盘形齿轮轴向振动方法 - Google Patents

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王黎钦
李泽远
彭波
张静静
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杨玲
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Abstract

一种测量高速轻量化盘形齿轮轴向振动方法，它涉及一种测量方法，具体涉及一种测量高速轻量化盘形齿轮轴向振动方法。本发明为了解决目前缺乏一种能够直接测量高速轻量化盘形齿轮振动的有效监测方法的问题。本发明的步骤为：步骤一、建立高速轻量化盘形齿轮的三维实体模型；步骤二、建立高速轻量化盘形齿轮的有限元模型；步骤三、高速轻量化盘形齿轮的模态分析；步骤四、确定高速轻量化齿轮轴向振动电涡流位移传感器的测点位置；步骤五、搭建高速轻量化盘形齿轮轴向振动的动态监测系统。本发明属于航空领域。

Description

一种测量高速轻量化盘形齿轮轴向振动方法
技术领域
本发明涉及一种测量方法，具体涉及一种测量高速轻量化盘形齿轮轴向振动方法，属于航空领域。
背景技术
近年来，随着新材料和加工技术快速发展，使得人们可利用高性能材料、齿轮结构创新等技术途径设计和制造高速轻量化齿轮；进而满足航空、航天、无人机、无人飞艇、潜艇等领域对高速、轻量化齿轮的迫切需求。但因为高速轻量化齿轮的轻量化设计理念和传递更多载荷的追求，使其柔性变形远大于其它常用齿轮传动系统，从而导致高速轻量化盘形齿轮传动系统的振动噪声问题更为突出。同时据统计传动机械中80％的故障是由齿轮引起的，旋转机械中齿轮故障占其故障的10％左右。为将齿轮故障所导致危害和损失降低到最低，国内外的研究学者采用了各种先进的测量技术和方法来监测齿轮及齿轮箱的运行状态，以实现齿轮及齿轮箱由事后维修和定期检修到视情维修的根本转变，从而最大限度的降低齿轮故障率。
目前最常用的齿轮状态监测方法是齿轮箱体振动测试法。齿轮箱振动测试是一种间接测量齿轮振动的测量方法。有研究表明：齿轮振动特征信号在经历“齿轮-轴-轴承-轴承座-箱体-测点”的传递过程中振动能量损失巨大，如在轴承座表面处的振动能量已经减少到最初振动能量的0.01％；齿轮振动能量的99.98％损失在齿轮界面上如轮缘、辐板的振动。同时，高速轻量化盘形齿轮的轴向振动远大于其径向和圆周方向的振动。当前对于高速轻量化盘形齿轮振动特征监测的难点之一是如何对齿轮的早期故障做出预判。齿轮早期故障的振动特征信号非常微弱，且常常湮没在“齿轮-轴-轴承-轴承座-箱体-测点”的传递路径和噪声中。解决的方法有：一是尽量充分的获得早期齿轮振动特征信号，如通过使用技术更为先进的传感器和传感器测点的优化布置；二是利用各种先进的信号处理方法处理振动特征信号，消除噪声和其它信号的干扰，以获取更加准确的齿轮振动特征信号。
现有齿轮箱体振动测试法的缺点是：测点信号微弱、信号干扰多、信号处理繁琐、针对早期的齿轮振动特征信号的准确性和灵敏性差、操作困难。
因此目前缺乏一种直接测量高速轻量化盘形齿轮振动的有效监测方法。
发明内容
本发明为解决目前缺乏一种能够直接测量高速轻量化盘形齿轮振动的有效监测方法的问题，进而提出一种测量高速轻量化盘形齿轮轴向振动方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的具体步骤如下：
步骤一、建立高速轻量化盘形齿轮的三维实体模型：利用三维软件建立高精度的齿轮三维实体模型；
步骤二、建立高速轻量化盘形齿轮的有限元模型：
将步骤一中建立的高精度齿轮三维实体模型导入到有限元分析软件中，根据齿轮实际情况设定齿轮材料属性参数，并对齿轮的三维实体模型进行网格单元的划分，根据齿轮的实际运行工况设置其约束关系，最终得到符合齿轮实际工况的有限元模型；
步骤三、高速轻量化盘形齿轮的模态分析：
对步骤一所建立高速轻量化盘形齿轮的有限元模型进行模态分析，以得到齿轮有限元模型的X阶固有频率和模态特征，其中模态分析的模态阶数X大于6，；
步骤四、确定高速轻量化齿轮轴向振动电涡流位移传感器的测点位置：
根据步骤三所得齿轮的固有频率和模态特征，获得齿轮工作频率范围内的齿轮轴向振动幅值，通过对齿轮轴向振动幅值的对比分析确定齿轮轴向振动幅值最大区域，最终结合模态分析的齿轮轴向最大振动区域和电涡流传感器测量要求确认出轴向振动位移传感器的最佳测点位置；
步骤五、搭建高速轻量化盘形齿轮轴向振动的动态监测系统：
根据步骤四中获得的传感器的最佳测点位置安装电涡流位移传感器，同时采用高速数据采集系统获得电涡流传感器所采集的信息，最后将齿轮轴向振动信号经历相应的处理后获得高速轻量化盘形齿轮的轴向振动特征信息。
本发明的有益效果是：1、本发明能够直接测量高速轻量化盘形齿轮的振动特征信号，进而能够更加有效的降低齿轮故障率；2、本发明能够快速准确的确定齿轮轴向振动位移传感器的最佳测点位置；3、本发明确定的结合电涡流位移传感器和高速数据采集系统的齿轮轴向振动测试方法具有：灵敏度高、针对性强、振动特征信号强和干扰少、信号处理简便、准确性高、操作简单等优点。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明实施例中的高速轻量化盘形齿轮三维实体模型示意图；
图3是本发明实施例中的高速轻量化盘形齿轮有限元模型示意图；
图4是本发明实施例中的高速轻量化盘形齿轮典型模态振型特征示意图，其中图4a是第二阶振型示意图，图4b是第八阶振型示意图，图4c是是第十二阶振型示意图，图4d是第十五阶振型示意图；
图5是利用本发明获得0.5kHz～5kHz范围内的高速轻量化盘形齿轮振动示意图；
图6是利用齿轮箱体振动测量方法获得0.5kHz～5kHz范围内的高速轻量化盘形齿轮振动示意图；
图7是利用本发明获得5kHz～10kHz的高速轻量化盘形齿轮振动示意图；
图8是利用齿轮箱体振动测量方法获得5kHz～10kHz范围内的高速轻量化盘形齿轮振动示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种测量高速轻量化盘形齿轮轴向振动方法的步骤如下：
步骤一、建立高速轻量化盘形齿轮的三维实体模型：利用三维软件建立高精度的齿轮三维实体模型；
步骤二、建立高速轻量化盘形齿轮的有限元模型：
将步骤一中建立的高精度齿轮三维实体模型导入到有限元分析软件中，根据齿轮实际情况设定齿轮材料属性参数，并对齿轮的三维实体模型进行网格单元的划分，根据齿轮的实际运行工况设置其约束关系，最终得到符合齿轮实际工况的有限元模型；
步骤三、高速轻量化盘形齿轮的模态分析：
对步骤一所建立高速轻量化盘形齿轮的有限元模型进行模态分析，以得到齿轮有限元模型的X阶固有频率和模态特征，其中模态分析的模态阶数X大于6，；
步骤四、确定高速轻量化齿轮轴向振动电涡流位移传感器的测点位置：
根据步骤三所得齿轮的固有频率和模态特征，获得齿轮工作频率范围内的齿轮轴向振动幅值，通过对齿轮轴向振动幅值的对比分析确定齿轮轴向振动幅值最大区域，最终结合模态分析的齿轮轴向最大振动区域和电涡流传感器测量要求确认出轴向振动位移传感器的最佳测点位置；
步骤五、搭建高速轻量化盘形齿轮轴向振动的动态监测系统：
根据步骤四中获得的传感器的最佳测点位置安装电涡流位移传感器，同时采用高速数据采集系统获得电涡流传感器所采集的信息，最后将齿轮轴向振动信号经历相应的处理后获得高速轻量化盘形齿轮的轴向振动特征信息。
本实施方式中所述高速轻量化盘形齿轮是指齿轮转速大于3000r/min或圆周方向的切线速度大于22m/s；轻量化齿轮是指齿轮具有轻薄辐板、窄轮缘等特征，其中轻薄辐板是指辐板厚度和齿宽之比在0.1～0.3范围内，窄轮缘是指轮缘系数λr在2.3～6.8的范围内(λr＝(齿顶圆直径-轮缘内径)/齿轮法向模数)；盘形齿轮是指齿轮的分度圆直径和齿宽之比大于4，且辐板为连续圆盘形状。
步骤二中针对齿轮的轮齿、轮缘和辐板的过渡段、辐板和轮毂的过渡段等应力集中部进行局部的详细网格划分。
步骤四中需要同时考虑电涡流位移传感器测量要求如最小测量范围等。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种测量高速轻量化盘形齿轮轴向振动方法的步骤四中所述的齿轮轴向振动的最佳测点位置选择是根据齿轮模态分析和传感器测量要求确定的测量位置。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
实施例：
以监测如图2所示的某型航空发动机中的高速轻量化盘形齿轮的轴向振动为例，具体说明发明的实现过程。高速轻量化盘形齿轮的三维实体模型如图2所示，齿轮结构参数为：齿数62、模数2.5、齿宽20mm、压力角20°、螺旋角11°、辐板厚度3mm；齿轮工况参数：激励转速12000r/min～24000r/min。本发明的保护范围不限于下述实施例：
步骤一：在Pro/E中建立高精度的高速轻量化盘形齿轮的三维实体模型，如图2所示。
步骤二：将Pro/E中建立的齿轮三维实体模型导入ANSYS，根据齿轮的实际情况设定齿轮材料属性等参数；并对齿轮的三维实体模型进行网格单元的划分，其中针对齿轮的轮齿、轮缘和辐板的过渡段、辐板和轮毂的过渡段等应力集中部进行局部的详细网格划分；根据齿轮的实际运行工况在支承轴承处添加位移约束关系，其中采用有限元的弹簧单元模拟支承轴承。为了更加真实模拟支承轴承工况而采用滚动轴承的拟动力学理论计算轴承等效刚度，并用于有限元弹簧单元的参数设置。最终得到符合齿轮实际工况的有限元模型如图3所示。
步骤三：根据高速轻量化齿轮的工况特征对其有限元模型进行模态分析，模态阶数X选择为16阶。高速轻量化齿轮的前16阶固有频率和振型如表1所示。
表1高速轻量化齿轮的前16阶固有频率和振型
步骤四：根据高速轻量化齿轮的模态分析和电涡流位移传感器测量面积的要求选择最佳测点位置。如图4所示高速轻量化盘形齿轮轮缘和辐板的轴向振动幅值远大于轮毂，所首先将测点布置在齿轮的轮缘和辐板上。同时考虑到电涡流位移传感器(量程：0～0.5mm)测量面积为探头面积1.5倍的要求。最终齿轮轴向振动的测点位置是轮缘测点(0,74mm，10mm)、辐板测点(0,40mm，1.5mm)，其坐标原点为齿轮几何中心。
步骤五：根据最佳测点位置安装电涡流位移传感器，同时采用高速数据采集系统获得高速轻量化盘形齿轮的轴向振动特征信息如图6至图8所示。当激励转速为24000r/min(圆周切向速度为73.4m/s)、载荷为1.5N.m时，其中齿轮-转轴-轴承系统(轴承外圈固定)的特征频率如表2所示。
表2高速轻量化齿轮-转轴-轴承系统的特征频率
采用本发明方法和齿轮箱振动测试方法(即将振动加速速度传感器布置在靠近测试系统动力输入端一侧的轴承座上)获得的频域范围内齿轮振动特征如图6至图8所示，其中两种方法获得信号的信号处理方法为快速FFT变换。通常齿轮振动信息包括振动加速度、振动速度、振动幅值，由此可知两种方法所测的振动加速度和振动幅值并不影响二者在频域范围的对比分析。
如图6和图7所示，在0.5kHz～5kHz范围内本发明所监测到齿轮振动信息包括轮齿的啮合频率、滚动轴承内圈和保持架的通过频率；而齿轮箱振动测试方法仅获得轮齿啮合频率和滚动轴承保持架通过频率。二者对比可知，本发明相对齿轮箱振动测试方法能够获得更多的齿轮振动特征信息，从而能够更好的预测齿轮早期故障。这是因为本发明是一种直接测量齿轮振动的方法，所以相对齿轮箱振动方法获得更多振动信息。
如图8所示，在5kHz～10kHz范围内，相对齿轮箱振动方法，本发明可以获得轮齿啮合的高频振动信息，且齿轮振动特征信息干扰少。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种测量高速轻量化盘形齿轮轴向振动方法，其特征在于：所述一种测量高速轻量化盘形齿轮轴向振动方法的步骤如下：
步骤一、建立高速轻量化盘形齿轮的三维实体模型：利用三维软件建立高精度的齿轮三维实体模型；
步骤二、建立高速轻量化盘形齿轮的有限元模型：
将步骤一中建立的高精度齿轮三维实体模型导入到有限元分析软件中，根据齿轮实际情况设定齿轮材料属性参数，并对齿轮的三维实体模型进行网格单元的划分，根据齿轮的实际运行工况设置其约束关系，最终得到符合齿轮实际工况的有限元模型；
步骤三、高速轻量化盘形齿轮的模态分析：
对步骤一所建立高速轻量化盘形齿轮的有限元模型进行模态分析，以得到齿轮有限元模型的X阶固有频率和模态特征，其中模态分析的模态阶数X大于6,；
步骤四、确定高速轻量化齿轮轴向振动电涡流位移传感器的测点位置：
根据步骤三所得齿轮的固有频率和模态特征，获得齿轮工作频率范围内的齿轮轴向振动幅值，通过对齿轮轴向振动幅值的对比分析确定齿轮轴向振动幅值最大区域，最终结合模态分析的齿轮轴向最大振动区域和电涡流传感器测量要求确认出轴向振动位移传感器的最佳测点位置；
步骤五、搭建高速轻量化盘形齿轮轴向振动的动态监测系统：
根据步骤四中获得的传感器的最佳测点位置安装电涡流位移传感器，同时采用高速数据采集系统获得电涡流传感器所采集的信息，最后将齿轮轴向振动信号经历相应的处理后获得高速轻量化盘形齿轮的轴向振动特征信息。
2.根据权利要求1所述一种测量高速轻量化盘形齿轮轴向振动方法，其特征在于：步骤四中所述的齿轮轴向振动的最佳测点位置选择是根据齿轮模态分析和传感器测量要求确定的测量位置。
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