螺旋锥齿轮联接交叉轴转子系统动力学特性研究

The dynamic behavior of crossed-shafts rotor system connected by spiral bevel gear pair is different from other types of rotor system, because of its specially characteristics such as different speeds and different axes, changes in transmission speed and direction, impact excitation of complex gear meshing process. Taking the bevel gear coupling as a coupling unit part of the rotor system, theoretical and experimental research is carried out to study the rotor system dynamic behavior. Studying on the micro elastic-plastic contact of spiral bevel gear，the balance equation of the contact force and torque of the spiral bevel gear is established. Studying on the dynamic model of spiral bevel gear coupling structure, based on model analysis, the source and characteristics of contact force and vibration response of spiral bevel gear coupling structure are revealed; Studying on the dynamic equivalent description method of the coupling unit of bevel gear pair, the equivalent mass/stiffness/damping coefficient of the coupling unit and its time-varying impact load on the rotor system are calculated. Studying on the rotor system dynamics model of crossed-shafts connected by gear pair and its simplified method of dimensionality reduction, the dynamic behavior of rotor system are analyzed based on the model, and the effects of boundary conditions such as operation parameters and structural parameters on the dynamic characteristics of rotor system are obtained. Establishing the dynamic theory and method of crossed-shafts rotor system connected by spiral bevel gear pair, which provide the foundation for vibration analysis, vibration control and dynamic design of such rotor system, and enrich the theory of rotor dynamics.

螺旋锥齿轮联接交叉轴转子系统转轴不同体不同速也不同轴线、传递速度与方向的改变、齿轮复杂啮合过程的冲击激励等，致使其动力学特性异于其它类型转子系统。随着现代装备不断向高速、重载、轻质方向发展，螺旋锥齿轮联接交叉轴转子系统从转子系统动力学的角度表现出来的动力学特性和问题日益凸显。项目研究螺旋锥齿轮微观弹塑性接触，建立螺旋锥齿轮副接触力与力矩平衡方程，研究螺旋锥齿轮联接结构动力学模型，揭示螺旋锥齿轮副接触力与振动响应的来源及特性；研究螺旋锥齿轮联接耦合单元动力学等效描述方法，计算其等效质量/刚度/阻尼系数以及对转子系统的时变冲击载荷；研究交叉轴转子系统动力学模型及其降维简化方法，开展交叉轴转子系统动力学特性分析，获得运行参数和结构参数等边界条件对交叉轴转子系统动力学特性的影响规律。形成螺旋锥齿轮联接交叉轴转子系统动力学理论与方法，为此类转子系统的振动分析、振动控制和动力学设计提供基础。

项目研究螺旋锥齿轮联接结构动力学模型，开展交叉轴转子系统动力学特性分析，为此类转子系统的动力学设计与运行状态监测提供基础。主要研究工作包括：(1)含断齿故障的螺旋锥齿轮传动系统扭振特性分析。以某型直升机尾传动系统为研究对象，基于当量化建模思想和有限元法建立螺旋锥齿轮联结交叉轴转子系统动力学扭振分析模型，将轮齿断齿故障等效为齿轮副动刚度与摩擦力矩植入模型，仿真分析获得不同断齿故障下时域统计特征量及频域频谱特征变化规律。(2)交叉轴系相对位置变化下的螺旋锥齿轮啮合特性分析。应用ADAMS软件，建立轴系相对位置变化螺旋锥齿轮联结交叉轴转子系统动力学模型，仿真分析偏移与倾斜位置变化下，螺旋锥齿轮副啮合力变化规律。(3)齿轮典型故障对螺旋锥齿轮动态传递误差影响研究。基于有限元方法，研究了轴交角、大齿轮安装距、小齿轮安装距、轴间偏置安装距四类安装误差与传递误差信号的影响规律，进一步研究了安装误差与齿面磨损、断齿故障等齿轮典型故障耦合作用对传递误差的影响规律。(4)基于修正有限元的裂纹螺旋锥齿轮时变啮合刚度分析。针对现有螺旋锥齿轮时变啮合刚度计算方法中非工作面参与啮合导致了啮合刚度存在不稳定波动的问题，提出基于修正有限元法的时变啮合刚度仿真结算方法，进一步分析了不同裂纹参数对时变啮合刚度的影响规律。(5)螺旋锥齿轮故障状态识别、诊断方法研究。提出了基于CEEMDAN-SVM、基于MPE-LPP-ELM、基于局部双谱与优化卷积神经网络的螺旋锥齿轮故障诊断方法，有效解决了螺旋锥齿轮故障难以准确诊断的难题。项目执行期间，发表学术论文12篇；申请专利11项，已获授权9项；参加国内外相关学术会议20人次，在全国性学术会议上做项目相关学术报告5次；核心技术获中国仪器仪表学会技术发明一等奖等奖励3项。培养硕士研究生10名。形成了螺旋锥齿轮联接交叉轴转子系统动力学理论与方法理论体系。完成了项目各项既定指标，部分指标超额完成。