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行星齿轮传动系统动力学分析摘要:为了进行行星齿轮传动系统的刚柔耦合模型动力学分析利用三维建模软件建立了行星齿轮传动系统的实体模型;利用有限元软件通过生成模态中性文件建立了轴的柔性模型;并借助动力学分析软件对刚性和刚柔耦合两种不同的模型进行了运动仿真。分析了不同模型仿真得到的高速级齿轮的啮合力、位移、角速度和角加速度。结果表明刚柔耦合模型的仿真结果更具实际意义。关键词:行星齿轮;刚柔耦合;动力学0引言行星齿轮传动具有传动比大、体积小、承载能力强、传动的效率高等优点因此已被广泛应用于风力发电、航空、起重运输等行业的机械传动系统。但是经常处于低速重载的恶劣环境下工作会造成齿轮发生点蚀、裂纹、断齿等故障。故障会造成振动增加进而影响整个机械系统的运行这不仅会造成经济上的损失甚至会造成灾难性的后果。因此对行星齿轮传动系统的动力学特性进行研究具有重要意义。利用ADAMS建立了风电齿轮箱传动系统的刚体模型分析了啮合齿轮接触力随时间的变化曲线;文献［3］使用刚柔耦合模型仿真得到了齿轮箱体振动分析及轴类零件疲劳寿命的预测;考虑了阻尼和摩擦作用在虚拟样机仿真中对齿轮传动的影响;将轴等效为由多个弹性连接的离散刚体组成的刚体系统进行运动仿真得到齿轮啮合特性曲线但与实际轴的柔性还存在差距;综合考虑了时变刚度、啮合阻尼、传递误差等因素进行了多级齿轮传动系统仿真;对某船用行星齿轮进行刚柔耦合仿真将太阳轮和行星架设为柔性体分析了太阳轮断齿故障特征。目前对行星齿轮系统的研究主要集中在动力学建模、信号处理等方面在工程应用方面的研究还很匮乏。风电机组长期处于高速重载故障发生率较高实现即时故障诊断及维修的需要更加迫切。对行星传动的故障机理目前还不够清晰并没有广泛认可的故障机理针对齿轮的故障诊断研究大多以单对直齿或斜齿轮为主对结构复杂的行星传动系统大多进行刚性动力学分析。为掌握故障行星轮系动力学特性本文以某型风机行星齿轮传动系统为例使用Pro/E建立三维实体模型利用有限元ANSYS软件进行中速轴和高速轴的柔性化最后用动力学软件AD-AMS进行行星齿轮传动系统动力学分析。对刚性模型和刚柔耦合模型的故障动力学响应进行了对比总结分析了刚柔耦合模型的实际应用价值。1模型建立1．1实体模型的建立Pro/E可以实现参数化设计即通过改变零件的参数就可以得到不同形状或大小的零件例如齿轮通过改变齿轮的模数、压力角、螺旋角等参数就可以得到不同型号的齿轮。但是对于风机齿轮箱这种复杂结构的动力学分析Pro/E在功能上明显要比动力学专门软件AD-AMS弱。本文的行星齿轮传动系统由3级构成:行星级、中速级、高速级。建模参数如表1所示。在Pro/E软件中建立齿轮模型并进行无干涉装配完成装配后检查模型是否有干涉现象确保无干涉。1．2虚拟样机模型的建立在ADAMS中对风电机组齿轮箱传动系统模型进行添加约束行星级传动:行星架、太阳轮相对于地面的旋转副各行星轮分别相对于行星架的旋转副齿圈相对于地面的固定副;中、高速级传动:齿轮相对于旋转轴的固定副旋转轴相对于地面的旋转副;齿轮与齿轮之间添加实体—实体的接触副在输入端行星架上添加驱动副为了模拟齿轮箱的工作环境需要在输出端添加额定负载转矩。齿轮之间由于相互接触会产生力即接触力。在ADAMS中运用冲击函数Impact来计算接触力齿轮与齿轮之间的接触力主要包括两部分即弹性力与阻尼力。首先弹性力是由于两个齿轮相互切入而产生它相当于一个非线性的弹簧;而阻尼力是由于两个齿轮之间产生的相对速度造成的。在这里假设两齿轮之间的齿间距为x两齿轮不发生接触时(x≥0)接触力的大小为0;发生接触时(x＜0)接触力的大小与刚度系数、变形量、非线性指数、阻尼系数和击穿深度这些因素有关。在ADAMS中齿轮接触参数的设置:齿轮传动是靠接触两齿轮的轮齿碰撞接触来实现的接触参数根据Hertz接触理论及经验数据得到。1．3刚柔耦合模型的建立刚柔耦合是多体系统常见的动力学模型探讨其动力学特性具有重要的意义。多体刚柔耦合系统的运动既有物体的刚性运动又存在柔性件的弹性变形这样的运动使得对机械系统的研究更加精准。本文利用有限元软件生成中性文件导入到ADAMS中进行中速轴、高速轴的柔性化。将中速轴、高速轴分别柔性化。其中所涉及的工作主要有:模型的导入、材料添加、网格划分、节点的创建。为了方便处理柔性部件和刚性部件的连接以及对柔性部件添加载荷与约束需要对模型添加刚性区域进而需要引入主、从节点的概念。其中主节点定义在轴的中心线上从节点定义在主节点以外的轴面上主、从节点通过刚性区域进行连接。完成刚性区域以后其他的刚性部件就可以通过主节点与柔性件进行连接其他的外部约束也可以通过主节点添加