摘 要

本文借助ANSYS有限元分析软件对齿轮的啮合过程进行仿真，分析齿轮的啮合刚度；然后利用MATLAB软件，对齿轮振动的动力学方程进行了计算，分析齿轮振动规律和故障对齿轮的振动产生的影响。设计了一个齿轮箱在线监测系统，能够采集、处理并分析齿轮箱的振动信号，判断齿轮箱是否发生故障。

论文主要研究了齿轮啮合过程，齿轮三维建模，齿轮动力学方程，齿轮箱振动在线监测，齿轮振动信号处理与分析。

研究结果表明：齿轮箱振动与齿轮箱健康状况关系紧密，监测齿轮箱振动，利用信号处理算法能够从信号中提取齿轮箱故障特征。

本文的特色：依据动力学理论从原理层面分析了齿轮故障对响应信号的影响，使用ANSYS软件进行了有限元分析，分析了振动规律和故障对振动的影响。

关键词：齿轮箱；振动法；监测；ANSYS；有限元；仿真；Newmark积分法；希尔伯特变换

Abstract

In this paper, ANSYS finite element analysis software is used to simulate the gear meshing process, and the meshing stiffness of gear is analyzed. Then, the dynamic equation of gear vibration is calculated by MATLAB software, and the influence of gear vibration law and fault on gear vibration is analyzed The A gearbox on-line monitoring system is designed to collect, process and analyze the vibration signal of the gearbox to determine whether the gearbox has failed.
The paper mainly studies the gear meshing process, gear three-dimensional modeling, gear dynamic equation, on-line monitoring of gear box vibration, gear vibration signal processing and analysis.
The results show that the vibration of the gearbox is closely related to the health status of the gearbox, and the gear box vibration is monitored. The signal processing algorithm can extract the gearbox fault characteristics from the signal.
The characteristics of this paper are based on the dynamic theory. The influence of gear fault on the response signal is analyzed from the principle level. The finite element analysis is carried out using ANSYS software. The influence of vibration law and failure on vibration is analyzed.

Keywords：Gearbox; vibration method; monitoring; ANSYS; finite element; simulation; Newmark integral method; Hilbert transform

目 录

第1章 绪论 1

1.1 背景 1

1.1.1 齿轮传动系统的应用 1

1.1.2 齿轮传动系统的局限性 1

1.2 齿轮箱诊断技术现状 2

1.3 论文内容结构 4

第2章 齿轮啮合过程的分析 5

2.1 齿轮动力学模型 5

2.2 齿轮实体模型建立 7

2.3 有限元分析 8

2.3.1 结果分析 10

2.4 力学模型的仿真计算 10

2.5 小结 12

第3章 齿轮振动信号故障特征提取的数据处理 14

3.1 数据处理基础知识 14

3.2 数据处理 16

第4章 监测系统设计 19

4.1 监测系统流程设计 19

4.2 数据采集 19

4.2.1 传感器选择 20

4.2.2 数据采集卡 21

第5章 结论 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1 背景

1.1.1 齿轮传动系统的应用

齿轮是最常见的机械部件之一。绝大多数具有传动机构的机械基本上都使用到齿轮。相对于其他传动机构，齿轮传动机构具有结构紧凑和可靠性高的特点^[1]。

由于齿轮在传动系统中的关键地位，它被应用于各行各业、各种机械的传动结构之中。不管是工业制造机械、交通运输设备、农用机械还是飞机舰艇中，齿轮都在广泛使用着。建筑工地上随处可见的升降机，日常使用的电梯，手上佩戴的机械式手表，甚至是玩具汽车，里面也有齿轮的使用。在工业机械方面，以装备制造为代表的重工业使用的各种机床的传动系统在使用齿轮。如机械加工的各类机床：车床，铣床，磨床，刨床等必需要有齿轮传动系统，因为齿轮传动系统可以提供可靠方便的速度调节，而调速正是这些机床的使用所必须的。在轻工业中，中国现在重要的行业之一的纺织业必须使用的纺织机——一类结构十分复杂的机械，需要齿轮系统提供动力。由于纺织机械的动力传递十分复杂，而且对稳定性的要求比较高，因为传动不稳定将造成纺织品产生缺陷直接成为废品，齿轮传动系统就能满足对传动稳定性的要求，具有其他机构无法比拟的优势。在交通运输行业，车辆、轮船中的变速箱里面就是齿轮传动系统。即使是在科技含量很高的航空航天领域，也没有新的技术能够减少齿轮的广泛使用。随着中国工业化的进行，以前部分需要人力完成的工作都可以通过机械自动化完成，机械的使用必然更加普遍。齿轮传动系统在各种传动机械中不可替代的地位，使得齿轮传动系统发挥的作用，将随着中国工业化程度的提高而日益扩大。

1.1.2 齿轮传动系统的局限性

齿轮系统发生故障时往往会造成事故，由于齿轮传动系统发挥的作用巨大，齿轮故障导致危害也十分巨大，处理不好的话事故导致的损失非常惨重。可以想象，在工厂，如果齿轮传动系统发生故障导致停机，一切生产线活动都会停止，而且由于生产设备一般体积庞大，结构复杂，维修的时间成本很高。如果在某些流程生产工业，如水泥生产行业，生产线一旦因事故停止生产，将会造成之后长时间不能正常生产，损失将是难以估量的。在火车，汽车高速行驶的时候，作为动力传递机构的齿轮系统如果发生故障，很可能会造成重大的人身财产损失。

尽管为了避免重大损失，齿轮传动系统的可靠运行非常重要；但是，在机械系统中，作为传动机构的齿轮箱是最容易发生故障的部件之一。齿轮箱中的各个部件一直处于运动中，意味着齿轮和它的支承轴，轴承都一直发生着各种损耗。在理想状态下，齿轮箱内齿轮对的啮合运动是纯滚动，也就是说没有摩擦损耗，但在现实情况下，由于齿轮和支承轴，轴承的生产和装配误差，以及他们在力和载荷的作用下发生的形状改变，位置偏离，受力状况因此发生改变，在这样的情况下，没有磨损是不可能的。除了磨损，一直处于交变力作用下的齿轮容易发生疲劳损伤^[2]，例如产生裂纹，甚至发生断齿。齿轮传动系统的工作状态决定了它是故障的多发区域。在齿轮发生故障之前，虽然齿轮的健康状态已经发生变化，但是，齿轮健康状态的改变在外部表现得并不明显。往往是在发生故障之后才知道齿轮出现了问题。因此，在不采取一定手段防止突发事故的情况下，齿轮传动系统早晚会突发事故。

1.2 齿轮箱诊断技术现状

在发生重大的齿轮箱故障之前，齿轮箱并不是处于正常状态。在正常的工作环境中使用的齿轮，它的损坏是一个长期的积累过程^[3]。这个过程很长，这为我们提供了监测它的机会。尽管还没有发生事故，但长期运行或者有生产装配问题的齿轮箱内部已有缺陷。如果能通过一定的手段，监测齿轮的健康状况，及早诊断出具有缺陷的齿轮箱，就能有效地避免齿轮箱故障带来的各种危害。在各种因素的驱动下，齿轮箱故障监测的理论和实践发展迅速，到现在已经有丰硕的成果。