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一種直升機(jī)主減速器行星架裂紋故障動(dòng)力學(xué)模型建模方法

文檔序號(hào):9350137閱讀:1509來(lái)源:國(guó)知局
一種直升機(jī)主減速器行星架裂紋故障動(dòng)力學(xué)模型建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種直升機(jī)主減速器行星架裂紋故障動(dòng)力學(xué)模型建模方法,具體設(shè)計(jì) 了一種包含行星架裂紋故障狀態(tài),考慮齒輪副綜合嚙合誤差、時(shí)變嚙合剛度、嚙合粘滯阻尼 和非線性齒側(cè)間隙等因素的直升機(jī)主減速器行星齒輪組非線性動(dòng)力學(xué)模型,屬于機(jī)械系統(tǒng) 可靠性工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 行星齒輪系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)緊湊、輕便、功率分流、高傳動(dòng)比和高效能等特性,在航空 和工業(yè)領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用。直升機(jī)主減速器對(duì)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的依賴尤為嚴(yán)重。 行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),通常是直升機(jī)主減速器的最后一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),其輸出端直接與直升機(jī) 主旋翼軸相連接,是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力正常分流和穩(wěn)定輸出的重要保障,并且由于直升機(jī)傳動(dòng)系 統(tǒng)特殊的單余度結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其行星齒輪系統(tǒng)的可靠性嚴(yán)重關(guān)系到飛行人員生命和國(guó)家及個(gè) 人財(cái)產(chǎn)安全。
[0003] 據(jù)檢索文獻(xiàn)顯示,2002年,首次有文獻(xiàn)報(bào)道,美軍在兩臺(tái)UH-60A黑鷹直升機(jī)主減 速器(2400系列)的行星架上發(fā)現(xiàn)了疲勞裂紋故障。隨后有多篇文獻(xiàn)報(bào)道此類故障的發(fā)現(xiàn) 和針對(duì)此類故障形式的研究。根據(jù)機(jī)務(wù)工作者提供的數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)現(xiàn)役某型直升機(jī)的主 減速器中同類故障也呈現(xiàn)高發(fā)態(tài)勢(shì)。某型直升機(jī)完成國(guó)產(chǎn)化以后,服役過(guò)程中一直受此類 故障形式困擾,主減速器的使用壽命一直維持在一個(gè)較低的水平,使得裝備出勤率受到嚴(yán) 重制約,同時(shí),裝備和維修保障資源也被極大浪費(fèi)。
[0004] 目前,國(guó)外對(duì)于此類型故障的解決,多集中于減速器振動(dòng)信號(hào)的模擬、檢測(cè)和分 析,試圖從振動(dòng)信號(hào)入手,找到合適的故障診斷方法。然而,由于行星齒輪系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù) 雜,加之來(lái)自上下游組件的振動(dòng)信號(hào)的傳遞與耦合,使得故障信號(hào)淹沒(méi)在噪聲信號(hào)當(dāng)中,常 常導(dǎo)致檢測(cè)失效。國(guó)內(nèi)對(duì)此類故障的研究處在起步階段,目前為止,缺乏有效解決此類故障 的方式方法。
[0005] 對(duì)于裂紋故障機(jī)理的建模,將是深入了解此類故障發(fā)生、發(fā)展和影響的關(guān)鍵手段。 但目前文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)外研究資料中,較少有專門針對(duì)此類故障模式的動(dòng)力學(xué)建模的 成果報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于,針對(duì)國(guó)產(chǎn)某型直升機(jī)主減速器行星齒輪保持架疲勞裂紋故 障,研究了裂紋故障對(duì)行星齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特征的影響,建立包含行星架裂紋故障的行星 齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)模型求解,可以模擬任意長(zhǎng)度的行星架裂紋故障模式下行星齒 輪系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)。
[0007] 建模首先具有下面設(shè)定條件:
[0008] (1)齒坯視為剛體,內(nèi)齒圈與減速器機(jī)殼固連,視為剛性體;
[0009] (2)輪系中主要零部件(太陽(yáng)輪、行星輪、內(nèi)齒圈和行星架)不受軸向力,振動(dòng)矢量 存
[0010] 在垂直于軸線的平面。
[0011] (3)太陽(yáng)輪、內(nèi)齒圈的輪齒做懸臂梁考慮,存在輪齒沿嚙合線的相對(duì)滑動(dòng)位移;
[0012] (4)所有軸承具有足夠的剛性,不考慮其彈性變形,振動(dòng)建模過(guò)程中略去軸承對(duì)系 統(tǒng)振
[0013] 動(dòng)的影響;
[0014] (5)輪系中齒輪按照標(biāo)準(zhǔn)中心距安裝,齒輪節(jié)圓與分度圓重合;
[0015] (6)行星輪等距周向布置,行星齒輪組無(wú)故障狀態(tài)下各行星輪動(dòng)力學(xué)參數(shù)保持一 致。
[0016] 本發(fā)明的一種直升機(jī)主減速器行星架裂紋故障動(dòng)力學(xué)模型建模方法,具體該建模 方法包括如下步驟:
[0017] 步驟一,確定齒輪副嚙合線上的相對(duì)線位移。
[0018] 步驟二,確定齒輪嚙合綜合誤差。
[0019] 步驟三,確定齒輪副的彈性嚙合力。
[0020] 步驟四,采用Fourier級(jí)數(shù)形式逼近齒輪副的綜合時(shí)變嚙合剛度。
[0021 ] 步驟五,確定非線性的齒側(cè)間隙。
[0022] 步驟六,確定齒輪副的粘滯嚙合阻尼。
[0023] 步驟七,對(duì)裂紋故障狀態(tài)的行星架進(jìn)行靜力學(xué)仿真,得到行星架立柱的角位移誤 差模型。
[0024] 步驟八,利用Lagrange方法,建立行星齒輪系統(tǒng)各部件運(yùn)動(dòng)方程。
[0025] 步驟九,對(duì)方程組進(jìn)行線性變換和無(wú)量綱化。
[0026] 步驟十,得到帶行星架裂紋故障的直升機(jī)行星齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0028](1)基于裂紋結(jié)構(gòu)件的靜力學(xué)仿真分析,本模型可以模擬任意長(zhǎng)度的裂紋故障狀 態(tài)下行星齒輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。
[0029](2)模型具有較好的通用性,可以模擬具有任意個(gè)行星齒輪和任意功率配置的行 星齒輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。
[0030](3)模型中采用了齒輪副綜合嚙合誤差、時(shí)變擬合剛度等內(nèi)部參數(shù)激勵(lì),考慮了非 線性的齒側(cè)間隙和齒輪副粘滯嚙合阻尼,尤其是基于靜力學(xué)仿真結(jié)果引入了非線性的角位 移誤差函數(shù)描述行星架裂紋的影響,使得整個(gè)動(dòng)力學(xué)模型具有較高的精度,模型的解能較 好地反應(yīng)行星架裂紋故障條件下行星齒輪系統(tǒng)的振動(dòng)及響應(yīng)特性,能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同裂紋尺 寸狀態(tài)下行星輪系的動(dòng)力學(xué)行為,能準(zhǔn)確顯示行星架盤面裂紋的長(zhǎng)度并定位裂紋的位置。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1是某直升機(jī)主減速器行星齒輪系統(tǒng)3維模型裝配示意圖;
[0032] 圖2是行星齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖;
[0033] 圖3是某型行星架裂紋故障狀態(tài)3維模型示意圖;
[0034]圖4是本發(fā)明所建立的行星齒輪系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型示意圖;
[0035]圖5是本發(fā)明利用動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)的行星架裂紋故障狀態(tài)下行星輪系的振動(dòng)曲 線;
[0036] 圖6是本發(fā)明利用動(dòng)力學(xué)模型提取到的行星架裂紋故障特征曲線;
[0037] 圖7是本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0039] 本發(fā)明針對(duì)的對(duì)象是某型直升機(jī)主減速器行星齒輪系統(tǒng),基于Lagrange方法,提 出了一種直升機(jī)主減速器行星架裂紋故障動(dòng)力學(xué)模型建模方法。
[0040] 國(guó)產(chǎn)某型直升機(jī)主減速器行星齒輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示,行星架裂紋故障形 式如圖3所示,建立動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示;
[0041] 某型直升機(jī)主減速器行星齒輪系統(tǒng)如圖1中所示,該型行星齒輪系統(tǒng)包含1個(gè)太 陽(yáng)輪(輸入驅(qū)動(dòng)力矩)、5個(gè)行星輪(通過(guò)軸承安裝在行星架立柱上,軸承在本圖中未顯 示),1個(gè)內(nèi)齒圈(固定在減速器機(jī)匣上)和1個(gè)行星架(輸出力矩)。行星架主要由輪轂 (內(nèi)置鍵槽,為了鏈接主旋翼軸)和5個(gè)立柱(安裝行星輪和軸承)構(gòu)成,并且在行星架的 盤面上等間距的設(shè)置了 5個(gè)減重孔,整個(gè)部件的輕量化設(shè)計(jì)非常好。
[0042] 行星齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,太陽(yáng)輪繞軸心旋轉(zhuǎn)為系統(tǒng)輸入驅(qū)動(dòng)力 矩,內(nèi)齒圈固定在主減速器機(jī)匣上面,行星輪(pl,p2,…,p5)的兩側(cè)輪齒分別與太陽(yáng)輪和 內(nèi)齒圈嚙合,繞太陽(yáng)輪周轉(zhuǎn),同時(shí)繞各自安裝立柱自轉(zhuǎn),5個(gè)行星輪通過(guò)立柱推動(dòng)行星架轉(zhuǎn) 動(dòng)并輸出力矩。
[0043] 行星架裂紋故障形式如圖3所示,疲勞裂紋故障通常始發(fā)于行星架立柱與盤面連 接處,并向兩端擴(kuò)展延伸。嚴(yán)重狀態(tài)下,疲勞裂紋向外貫穿行星架外沿,向內(nèi)擴(kuò)展至與旋翼 軸輪轂外壁相切位置,導(dǎo)致主減速器失效,釀成嚴(yán)重后果。整體看來(lái)疲勞裂紋約呈直線,沿 立柱外緣與輪轂外緣兩圓公切線走向。圖3中定量劃分了行星架疲勞裂紋的3種故障程度 (輕度、中度、重度)。
[0044] 行星齒輪系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示,模型中,太陽(yáng)輪、行星輪、行星架和 內(nèi)齒圈的等效半徑分別為rbs、rbp、r。和r 個(gè)行星輪沿頂視順時(shí)針?lè)较蚓鶆虬惭b在行星 架上面半徑為r。的圓周上,安裝間隔角度為巾。;內(nèi)齒圈固定不動(dòng);太陽(yáng)輪、行星架、行星 輪pi (i = l,2,…,5)繞各自型心旋轉(zhuǎn),瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)角度分別為0S、0。、0P1,旋轉(zhuǎn)方向如圖 4中所示;因?yàn)楸话惭b在行星架上,5個(gè)行星輪和行星架繞行星架的型心具有一致的瞬時(shí)旋 轉(zhuǎn)速度9。;模型中引入了嚙合綜合誤差(e spi(t)、e_(t))和輪齒嚙合時(shí)變剛度(kspi(t)、 k_(t))兩類重要的參數(shù)激勵(lì),并采用粘滯阻尼效應(yīng)(c spi、(^J模擬齒輪副嚙合過(guò)程中的能 量耗散,同時(shí)在齒輪副嚙合過(guò)程中考慮齒側(cè)間隙(BSP1、B_)的影響;施加在太陽(yáng)輪上的驅(qū)動(dòng) 力矩為T D,施加在行星架上的負(fù)載力矩為I;,力矩的方向如圖4中所示。
[0045] 建模首先具有下面設(shè)定條件:
[0046] (1)齒坯視為剛體,內(nèi)齒圈與減速器機(jī)殼固連,視為剛性體;
[0047] (2)輪系中主要零部件(太陽(yáng)輪、行星輪、內(nèi)齒圈和行星架)不受軸向力,振動(dòng)矢量 存
[0048] 在垂直于軸線的平面。
[0049] (3)太陽(yáng)輪、內(nèi)齒圈的輪齒做懸臂梁考慮,存在輪齒沿嚙合線的相對(duì)滑動(dòng)位移;
[0050] (4)所有軸承具有足夠的剛性,不考慮其彈性變形,振動(dòng)建模過(guò)程中略去軸承對(duì)系 統(tǒng)振
[0051] 動(dòng)的影響;
[0052] (5)輪系中齒輪按照標(biāo)準(zhǔn)中心距安裝,齒輪節(jié)圓與分度圓重合;
[0053] (6)行星輪等距周向布置,行星齒輪組無(wú)故障狀態(tài)下各行星輪動(dòng)力學(xué)參數(shù)保持一 致。
[0054] 本發(fā)明的一種直升機(jī)主減速器行星架裂紋故障動(dòng)力學(xué)模型建模方法,流程如圖7 所示,包括如下步驟:
[0055] 步驟一,確定齒輪副嚙合線上的相對(duì)線位
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