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摘要:為了進行行星齒輪傳動系統的剛柔耦合模型動力學分析，利用三維建模軟件建立了行星齒輪傳動系統的實體模型;利用有限元軟件，通過生成模態中性文件建立了軸的柔性模型;并借助動力學分析軟件，對剛性和剛柔耦合兩種不同的模型進行了運動仿真。分析了不同模型仿真得到的高速級齒輪的嚙合力、位移、角速度和角加速度。結果表明剛柔耦合模型的仿真結果更具實際意義。

關鍵詞:行星齒輪;剛柔耦合;動力學

0引言

行星齒輪傳動具有傳動比大、體積小、承載能力強、傳動的效率高等優點，因此已被廣泛應用于風力發電、航空、起重運輸等行業的機械傳動系統。但是，經常處于低速重載的惡劣環境下工作會造成齒輪發生點蝕、裂紋、斷齒等故障。故障會造成振動增加進而影響整個機械系統的運行，這不僅會造成經濟上的損失，甚至會造成災難性的后果。因此，對行星齒輪傳動系統的動力學特性進行研究具有重要意義。利用ADAMS建立了風電齒輪箱傳動系統的剛體模型，分析了嚙合齒輪接觸力隨時間的變化曲線;文獻［3］使用剛柔耦合模型仿真得到了齒輪箱體振動分析及軸類零件疲勞壽命的預測;考慮了阻尼和摩擦作用在虛擬樣機仿真中對齒輪傳動的影響;將軸等效為由多個彈性連接的離散剛體組成的剛體系統進行運動仿真，得到齒輪嚙合特性曲線，但與實際軸的柔性還存在差距;綜合考慮了時變剛度、嚙合阻尼、傳遞誤差等因素進行了多級齒輪傳動系統仿真;對某船用行星齒輪進行剛柔耦合仿真，將太陽輪和行星架設為柔性體，分析了太陽輪斷齒故障特征。目前對行星齒輪系統的研究主要集中在動力學建模、信號處理等方面，在工程應用方面的研究還很匱乏。風電機組長期處于高速重載，故障發生率較高，實現即時故障診斷及維修的需要更加迫切。對行星傳動的故障機理目前還不夠清晰，并沒有廣泛認可的故障機理，針對齒輪的故障診斷研究大多以單對直齒或斜齒輪為主，對結構復雜的行星傳動系統大多進行剛性動力學分析。為掌握故障行星輪系動力學特性，本文以某型風機行星齒輪傳動系統為例，使用Pro/E建立三維實體模型，利用有限元ANSYS軟件進行中速軸和高速軸的柔性化，最后用動力學軟件AD-AMS進行行星齒輪傳動系統動力學分析。對剛性模型和剛柔耦合模型的故障動力學響應進行了對比，總結分析了剛柔耦合模型的實際應用價值。

1模型建立

1．1實體模型的建立

Pro/E可以實現參數化設計，即通過改變零件的參數就可以得到不同形狀或大小的零件，例如齒輪，通過改變齒輪的模數、壓力角、螺旋角等參數，就可以得到不同型號的齒輪。但是，對于風機齒輪箱這種復雜結構的動力學分析，Pro/E在功能上明顯要比動力學專門軟件AD-AMS弱。本文的行星齒輪傳動系統由3級構成:行星級、中速級、高速級。建模參數如表1所示。在Pro/E軟件中建立齒輪模型并進行無干涉裝配，完成裝配后檢查模型是否有干涉現象，確保無干涉。

1．2虛擬樣機模型的建立

在ADAMS中對風電機組齒輪箱傳動系統模型進行添加約束，行星級傳動:行星架、太陽輪相對于地面的旋轉副，各行星輪分別相對于行星架的旋轉副，齒圈相對于地面的固定副;中、高速級傳動:齒輪相對于旋轉軸的固定副，旋轉軸相對于地面的旋轉副;齒輪與齒輪之間添加實體—實體的接觸副，在輸入端行星架上添加驅動副，為了模擬齒輪箱的工作環境，需要在輸出端添加額定負載轉矩。齒輪之間由于相互接觸會產生力，即接觸力。在ADAMS中，運用沖擊函數Impact來計算接觸力，齒輪與齒輪之間的接觸力主要包括兩部分，即彈性力與阻尼力。首先彈性力是由于兩個齒輪相互切入而產生，它相當于一個非線性的彈簧;而阻尼力是由于兩個齒輪之間產生的相對速度造成的。在這里假設兩齒輪之間的齒間距為x，兩齒輪不發生接觸時(x≥0)，接觸力的大小為0;發生接觸時(x＜0)，接觸力的大小與剛度系數、變形量、非線性指數、阻尼系數和擊穿深度這些因素有關。在ADAMS中齒輪接觸參數的設置:齒輪傳動是靠接觸兩齒輪的輪齒碰撞接觸來實現的，接觸參數根據Hertz接觸理論及經驗數據得到。

1．3剛柔耦合模型的建立

剛柔耦合是多體系統常見的動力學模型，探討其動力學特性具有重要的意義。多體剛柔耦合系統的運動既有物體的剛性運動，又存在柔性件的彈性變形，這樣的運動使得對機械系統的研究更加精準。本文利用有限元軟件生成中性文件導入到ADAMS中進行中速軸、高速軸的柔性化。將中速軸、高速軸分別柔性化。其中所涉及的工作主要有:模型的導入、材料添加、網格劃分、節點的創建。為了方便處理柔性部件和剛性部件的連接，以及對柔性部件添加載荷與約束，需要對模型添加剛性區域，進而需要引入主、從節點的概念。其中，主節點定義在軸的中心線上，從節點定義在主節點以外的軸面上，主、從節點通過剛性區域進行連接。完成剛性區域以后，其他的剛性部件就可以通過主節點與柔性件進行連接，其他的外部約束也可以通過主節點添加到柔性部件上。對于本文中的中、高速軸分別建立主、從節點，其中，中速軸上分別在軸上齒輪所在的中心處定義主節點，中速軸的外圓節點處定義從節點，主、從節點通過剛性區域連接。同樣地，高速軸上也用相同的辦法定義主、從節點。建立主節點后，需要對其劃分網格與添加質量單元。另一個需要注意的地方就是在ANSYS中網格的劃分。有限元網格劃分后軸段中心處主節點的周圍不一定會有節點，會對柔性件局部剛性化的生成造成困難，為避免該問題，對主節點所在的面進行切分。將在有限元軟件中生成的MNF中性文件以接口文件的形式導入ADAMS。運用剛柔互換形式添加柔性構件，對于所需添加的約束，運用之前所建立的節點，將剛柔構件進行連接，并添加約束，得到剛柔耦合模型。

2模型仿真結果與分析

虛擬樣機模型中，設定輸入轉速為20r/min(根據軟件默認設置換算為120deg/s)，負載扭矩為5320Nm。為了施加轉速和負載時不出現陡變，用step函數使轉速和負載在0．03s時間內平緩加載，即轉速為step(time，0，0，0．03，120deg)，負載轉矩為step(time，0，0，0．03，5320Nm)，設置仿真時間為1．0s。現以剛性模型和剛柔耦合模型得到的仿真結果中的高速級大齒輪嚙合力、位移、速度、加速度數據來分析剛性模型和剛柔模型動力學特性的不同。

2．1高速級齒輪嚙合力

根據齒輪靜態嚙合力理論可以計算出齒輪嚙合力的理論值為89525N。剛性模型與剛柔耦合模型的高速級齒輪仿真得到的嚙合力結果。分析可知:當嚙合力平穩以后，剛性模型中，高速級齒輪傳動的綜合嚙合力的均值為89713N，最大值100375N，最小值為81537N;當對中、高速軸進行柔性化后，剛柔耦合模型中，嚙合力的均值為89606N，最大值為100116N，最小值為81278N。由以上分析結果可以看出:仿真均值與理論值基本吻合。為高速級齒輪嚙合力的局部放大圖，由圖可以看出:齒輪在嚙合過程中，剛柔耦合的齒輪箱傳動系統的嚙合力幅值波動范圍要小于剛性齒輪箱傳動系統的嚙合力幅值，這是由于齒輪在嚙入、嚙出時的沖擊能量被柔性化的轉軸吸收所致。

2．2高速級大齒輪位移

受到轉軸的影響，高速級大齒輪中心的X、Y方向振動位移?？梢钥闯鲛D子為剛性時，齒輪在X、Y方向振幅不明顯，考慮轉軸的柔性后，齒輪中心的位移幅值增加。實際情況中，在齒輪嚙合沖擊的作用下轉軸是會發生變形的，將行星傳動系統當作剛性件來處理是與實際不符的;將中、高速軸柔性化處理得到的結果與實際齒輪傳動的情況比較相符。

2．3高速級大齒輪的角速度

可知，齒輪傳動系統中的高速級大齒輪在剛性傳動與剛柔耦合傳動中的角速度均在某一值附近波動，經計算兩者的角速度的平均值相當。剛柔耦合的齒輪傳動角速度的幅值要大于剛性齒輪傳動的角速度的幅值。主要是因為在剛柔耦合的模型中，柔性軸的存在緩沖了嚙合齒輪之間的沖擊，從而使得其角速度的波動幅值相對較大。這也表明齒輪傳動中考慮柔性轉子時，齒輪嚙合傳動的規律更加接近齒輪實際傳動情況，而且比較平穩，更加符合齒輪傳動的設計要求。

2．4高速級大齒輪的角加速度

從時域，剛性模型與剛柔耦合模型的角加速度的有效值大小。角加速度圍繞0deg/s2上下波動，這主要是因為齒輪周期性的嚙合沖擊激勵造成的。由時域可以看出剛性模型的角加速度的振動幅值要大于剛柔耦合模型下齒輪的角加速度的振動幅值，說明剛柔耦合模型下齒輪振動較小。其次，在頻域上，剛性模型與剛柔耦合模型齒輪的角加速度頻域圖。第三級齒輪傳動的嚙合頻率為516Hz，齒輪角加速度的頻譜圖中出現了嚙合頻率及其倍頻;同時，可以看出剛性模型齒輪嚙合頻率的幅值要明顯大于剛柔耦合模型齒輪嚙合頻率，也說明了剛性模型下齒輪的振動要比剛柔耦合模型齒輪的振動大得多。

3結論

為提高風機齒輪箱仿真精度，本文研究了中、高速軸柔性化后模型的動力學特性。(1)建立了行星齒輪傳動系統的剛性和剛柔耦合模型，并進行了運動仿真，通過理論計算傳動角速度與仿真得到傳動角速度對比，驗證了建立模型的正確性。(2)對比分析兩種模型仿真運動得到的高速級大齒輪嚙合力、位移、角速度和角加速度可知:柔性轉軸可以緩沖齒輪的嚙合沖擊，可以減小傳動系統中振動的幅值，動力學仿真模型使用剛柔耦合分析比較符合實際中的齒輪系統傳動。因此，行星齒輪傳動系統中的軸柔性化處理后再進行虛擬樣機的動力學仿真更具有實際運用意義。

參考文獻

［1］雷亞國，何正嘉，林京，等．行星齒輪箱故障診斷技術的研究進展［J］．機械工程學報，2011，47(19):59-67．

［2］趙三民，韓振南．基于虛擬樣機技術的風電齒輪箱動力學分析［J］．機械傳動，2013，37(7):58-61．

［3］符升平，項昌樂，姚壽文，等．基于剛柔耦合動力學的齒輪傳動系統動態特性［J］．吉林大學學報(工學版)，2011，41(2):382-386．

［4］錢直睿，黃曉燕，李明哲，等．多軸齒輪傳動系統的動力學仿真分析［J］．中國機械工程，2006，17(3):241-244．

［5］王炎，賈長治，韓小平，等．多轉子-軸承系統虛擬樣機建模及仿真［J］．軍械工程學院學報，2007，19(3):50-53．

［6］洪清泉，程穎．基于ADAMS的多級齒輪傳動系統動力學仿真［J］．北京理工大學學學報，2003，23(6):690-693．

作者：張力佳1；孫立江1；劉建屏2；馬延會2 單位：1．華北電力大學能源動力與機械工程學院，2．國網冀北電力有限公司電力科學研究院(華北電力科學研究院有限責任公司)