斜齿轮裂纹扩展分析与故障诊断试验研究

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1、斜齿轮裂纹扩展分析与故障诊断试验研究CrackGrowthAnalysisandFaultDiagnosisExperimentalStudyofHelicalGear作者姓名：吴振鹏专业名称：机械设计及理论导师姓名：孔德文教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年5月30日摘要斜齿轮裂纹扩展分析与故障诊断试验研究本文以斜齿轮传动装置为研究对象，对斜齿轮三维齿根裂纹的扩展路径进行了探讨，还针对无齿根裂纹及不同裂纹深度的情况进行了啮合刚度的变化分析和试验研究。主要研究工作如下:（1）利用三维建模软

2、件UG对二级斜齿轮传动装置进行参数化建模，使用ABAQUS软件应用扩展有限元理论XFEM模拟了斜齿轮三维齿根处的裂纹扩展路径，验证了斜齿轮齿根裂纹的扩展路径不同于直齿轮的齿根裂纹扩展。斜齿轮的裂纹扩展分为向齿宽和齿厚两个方向扩展，直齿轮齿根裂纹扩展是齿的两端面沿同一方向扩展，直至整个齿从齿根处发生断裂。（2）利用仿真软件创建了无齿根裂纹的斜齿轮副模型和含不同深度裂纹轮齿的斜齿轮副模型。根据ABAQUS后处理仿真数据绘制了健康无裂纹轮齿及含不同深度的齿根裂纹轮齿的啮合刚度在一个啮合周期内随时间变化

3、的曲线，并对不同深度的齿根裂纹对单轮齿刚度及整个齿轮模型综合啮合刚度所造成的影响进行了研究，阐述了造成这种影响的原因。（3）使用相对简单的线切割手段制作了实验齿轮齿根裂纹，自主制作了振动测试试验台，利用动态数据采集测试仪获取了健康齿轮、含不同深度的齿根裂纹轮齿的箱体振动信号。首先对获取的齿轮振动信号进行了时域分析，得到了不同裂纹深度的时域相关特征；其次运用频谱分析方法对获取的箱体振动信号进行了频谱分析，得到了不同裂纹深度的频域特征。（4）介绍了本文试验所应用的试验数据处理原理与方法，根据相关方法

4、对所获得的数据进行处理，提出了裂纹深度与箱体振动信号频谱幅值的关系式，并给出了裂纹深度与箱体振动信号频谱图中啮合频率及其谐频幅值的一般表达式，为后续研究裂纹问题提供了一种借鉴方法。关键词：斜齿轮，裂纹，XFEM扩展，啮合刚度，故障诊断IAbstractCrackGrowthAnalysisandFaultDiagnosisExperimentalStudyofHelicalGearTakenthehelicalgeartransmissionasstudytarget,discussedthet

5、hree-dimensionalhelicalgeartoothrootcrackpropagationpath,andalsoconductedanalysisandexperimentalresearchonmeshstiffnesschangesunderconditionofabsenceofthetoothrootcracksanddifferentcrackdepths.Themainworkarelistedasfollows:(1)Usingthree-dimensionalmo

6、delingsoftware,UG,tofinishparametricmodelingofsecondaryhelicalgearstransmission,ABAQUSsoftwareandfiniteelementtheoryXFEMwasusedtosimulatethree-dimensionalcrackpropagationpathhelicalgeartoothroot,andverifythehelicalgeartoothrootcrackpropagationpathisd

7、ifferentfromthespurgeartoothrootcrack.Crackinhelicalgearcanbedividedintotoothwidthandtooththicknessthesetwodirections,spurgeartoothrootcrackmostlyendsupwithsurfacesofteethextendthesamedirectionuntilfractureoccursthroughoutthetoothfromthetoothroot.(2)

8、ThesimulationsoftwarewasusedtocreatearampvicemodeltoothlesscrackroothelicalgearsandVicemodelsatdifferentcrackdepth.UsingABAQUSsimulationdatapost-processingtheresultsoftimechangingmeshstiffnesscurveofhealthygearmodelwithoutcracksandvaryingmeshstiffnes