基于仿真与试验的齿轮箱模态分析

基于仿真与试验的齿轮箱模态分析

算法的稳定性齿轮箱是由复杂框架组成的传统机械，也是一种柔性的可靠性机械振动系统。在正常工作中，当齿轮箱的固有频率与外部激励频率一致时，就会出现共振现象，导致齿轮箱振动，齿轮传动的稳定性和噪声的降低。如果严重，系统就无法正常工作。模态分析是研究动力学分析的基础,普遍采用的研究方法是有限元模态分析和试验模态分析相结合的研究方法,以此来解决工程结构振动问题,因此,本文针对齿轮箱开裂问题,为了更清楚地了解齿轮箱的动态特性,建立齿轮箱三维模型,对齿轮箱进行了有限元模态分析与试验模态分析。1有限模型分析1.1齿轮箱模态及接触设置齿轮箱由结构系统(主要是壳体如图1)和齿轮传动系统(如图2)两部分组成,通过轴承把二者连接起来,采用Pro/E软件建立齿轮箱三维模型。齿轮箱壳体由前壳、中壳和后壳组成,忽略油槽、窥油孔、吊钩等一些受载较小和对壳体刚度影响不大的结构并忽略轴的倒角、键槽等不影响模态分析的微小结构。为了了解齿轮箱的固有特性,研究了齿轮箱的自由模态。设模态阶数为22,前、中、后壳和输入轴端盖使用的材料为压铸铝,其弹性模量为6.9×1010Pa,泊松比为0.3,密度为2.7g/cm3;后盖材料为灰铸铁,弹性模量为1.1×1011Pa,泊松比为0.28,密度为7.2g/cm3;轴承和各处连接螺栓采用结构钢材料,弹性模量为2×1011Pa,泊松比为0.3,密度为7.85g/cm3。齿轮箱壳体通过螺栓联接,接触设置为bonded。齿轮及各轴使用不锈钢材料,弹性模量为1.1×1011Pa,泊松比为0.28,密度为7.2g/cm3。考虑到齿轮箱各零件装配关系,轴和齿轮之间采用过盈配合,设置接触为bonded;齿轮啮合有相对滑动,接触设置为Noseparation;滚动轴承与壳体接触设置为bonded,滚动轴承与轴之间接触采用MPC184单元,由于系统结构十分复杂,采用自由网格划分,设定单元类型为10节点四面体单元,要素大小为4mm,齿轮箱共有节点数822045,单元数共有315967,齿轮箱有限元模型如图3所示。1.2齿轮箱前几阶模态振型图利用AnsysWorkbench对齿轮箱进行了有限元模态分析。考虑前六阶模态是刚体模态,并提取了齿轮箱前几阶模态,齿轮箱的前几阶模态振型图如图4所示,从振型图及动画演示可知前壳及前壳与中壳相连接区域变形幅值相对比较大。2试验模型的状态分析2.1测试条件及传感器采用DASPINV3020-CPCI高性能数据测试系统对齿轮箱进行试验模态分析,测试采用自由支撑方式,试验系统由分析仪、三向加速度传感器、信号线、悬吊胶皮绳等仪器设备,齿轮箱测试系统如图5所示。激振器采用的是PCB公司(USA)的GK291D20型0-5kg力锤,力锤的顶帽采用橡胶头,激励点选择在结构刚度较大,信号衰减较小的输出轴端盖位置,试验中力锤敲击齿轮箱输出轴端盖结构以提供瞬态的冲击力如图6,敲击时保证力锤有足够大的冲击速度,以避免测试系统噪声增大。为保证波形圆滑,在敲击时还应避免连击现象。传感器采用压电式加速度传感器,测点位置、测点数量及测量方向的选定有以下几个原则:能在变形后明确显示在试验频段内所有模态的变形特征及各模态间变形区别;保证所有关心的结构点都在所选的测试点之中;保证齿轮箱箱体开裂位置附近要有测点布置。并根据齿轮箱开裂位置在箱体上布置了59个结构点作为响应点,每组测试10个结构点,每个结构点分横向、轴向和垂向3个测量方向共177个测量信号数据,总共分六组进行测试,现场测试及测点坐标方向如图7所示。试验采用单点激励多点响应,参数识别采用多模态频域识别法,设定采样频率为5.12kHz,分析频率为2kHz。为了提高测试精度,每个测点采取4次平均,即在同一激励点敲击多次,从中选取4次相当的激励信号,将其作线性平均。采样方式为瞬态采样,采取多次信号触发采样,每次触发采样1024个点,采样数据由多次触发采样数据组合而成,以便进行平均处理。2.2齿轮箱模态分析对所采集的试验数据进行时域分析,其中第二组测试垂直激励时15号测点信号波形图如图8所示,可以看出:从垂直激励以后,随着时间增加,15号测点在X、Y、Z三个方向的加速度信号不断衰减。线性系统的频响函数是表征系统动态特性的一种数学模型,它本身与输入量的大小和性质无关。频响函数不仅可以表征系统的动态性能,还可以研究系统的结构参数对系统性能的影响。对试验数据进行频域分析可得齿轮箱177个频响函数的三维图谱如图9,可以看出:在不同频率段被激励起来的能量信息相当丰富。在DASP分析系统的模态分析模块下建立齿轮箱简化模型如图10所示。在频率0Hz~3000Hz之间共拟合出24阶模态频率,如图11的齿轮箱特征系统实现算法稳态图,从而获得齿轮箱前六阶振型图如图12。通过对齿轮箱试验模态振型进行校验,如图13齿轮箱模态振型相关矩阵校验图,主对角线上的元素为1,非主对角线上元素值都比较小,说明无“虚假”模态存在,模态振型准确可靠。3相似振型频率对比通过对比齿轮箱仿真与试验模态分析的模态振型发现:有限元仿真与试验模态振型前四阶有很高的相似性,仿真的第6阶与试验的第5阶模态振型十分相似;仿真的第8阶与试验的第6阶模态振型很相似,相似振型频率对比表如表1所示。由表1可知仿真与试验模态相似振型的频率并不完全接近,这是由于存在误差,分析原因一方面可能是仿真模拟分析与实际情况存在差异;另一方面可能是采集试验数据及分析试验数据误差所致,但在仿真与试验模态分析中齿轮箱相似振型对应频率相对误差都在5%以内,说明有限元仿真与试验分析的结果可以有效地反映齿轮箱的动态特性。4齿轮箱模态分析对于齿轮箱开裂问题,采用仿真分析与试验研究相结合的方法分别对齿轮箱进行了有限元模态分析和试验模态分析,了解了齿轮箱的动态特性,并得出以下结论:1)采用ansysworkbench软件对齿轮箱进行有限元模态分析,获得了齿轮箱的计算模态参数,了解了齿轮箱的固有特性。2)采用锤击法对齿轮箱进行试验模态分析,获得了齿轮箱的试验模态参数;与仿真计算的模态参数对比分析