基于ANSYS的齿轮箱模态分析与试验研究

目录

摘要......................................................................................................................I ABSTRACT.........................................................................................................III 目录....................................................................................................................I 1绪论.. (1)

1.1引言 (1)

1.2课题研究背景 (1)

1.3课题研究的意义与目的 (2)

1.4本课题的国内外研究现状 (3)

1.4.1齿轮箱有限元模态分析的国内外研究现状 (4)

1.4.2试验模态分析的发展与现状 (5)

1.5本文主要研究内容 (6)

2齿轮箱的故障类型及故障特征分析 (7)

2.1齿轮箱的结构 (7)

2.2齿轮箱的故障类型分析 (8)

2.2.1齿轮的失效 (8)

2.2.2滚动轴承的失效 (9)

2.3齿轮箱振动机理及信号特征 (10)

2.4本章小结 (12)

3有限元软件ANSYS与模态理论分析 (13)

3.1ANSYS功能与软件结构 (13)

3.1.1ANSYS介绍 (13)

3.1.2ANSYS软件技术特点 (13)

3.1.3ANSYS软件功能介绍 (13)

3.1.4坐标系和工作平面 (14)

3.1.5材料类型 (14)

3.2有限元的基本思想 (16)

3.2.1有限元法 (16)

3.2.2ANSYS分析的基本过程 (17)

3.3模态分析理论 (17)

3.3.1动力学分析理论 (17)

3.3.2模态分析理论 (18)

3.4ANSYS模态提取法 (20)

3.5模态参数 (20)

3.5.1模态向量留数 (20)

3.5.2模态参与因子 (23)

3.5.3模态判定准则、模态比例因子 (23)

3.5.4模态复杂性 (24)

3.6本章小结 (24)

4齿轮模型的建立及有限元模态分析 (25)

4.1齿轮模态分析步骤 (25)

4.1.1建模 (25)

4.1.2网格划分 (25)

4.1.3加载和求解 (26)

4.1.4查看结果和后处理 (26)

4.2齿轮模型的建立 (26)

4.3齿轮弯曲应力的有限元分析 (28)

4.3.1边界条件和载荷的添加 (28)

4.3.2求解和查看结果 (29)

4.4啮合齿轮的接触应力分析 (32)

4.4.1啮合齿轮的建模 (32)

4.4.2单元属性和网格划分 (32)

4.4.3齿轮啮合面的接触对设置 (32)

4.4.4边界条件和载荷 (34)

4.5齿轮自由模态分析 (35)

4.6齿轮自身结构对模态频率的影响 (39)

5齿轮箱试验模态分析 (43)

5.1试验模态分析过程 (43)

5.2振动信号采集 (43)

5.2.1锤击法试验 (43)

5.2.2试验结果分析 (45)

5.2.3连续采集法 (46)

5.2.4模态结果识别 (48)

5.3故障齿轮箱试验模态分析（缺齿） (53)

5.3.1信号采集 (53)

5.3.2模态结果识别 (54)

5.4故障齿轮箱试验模态（齿面磨损） (57)

5.4.1信号采集 (57)

5.4.2参数识别 (58)

5.4.3模态结果验证 (60)

5.5本章小结 (61)

6总结与展望 (63)

6.1总结 (63)

6.2展望 (63)

致谢 (65)

参考文献 (67)

1绪论

1.1引言

改革开放以来，随着我国经济的快速发展，机械制造在国民经济各行各业中发挥着日益重要的作用，基于这样的一个大的环境下，已经逐渐成为整个经济命脉中的支柱行业。而齿轮箱作为机械设备中常用的通用部件，也是起着举足轻重的作用，在生产和制造方面、质量和性能方面，其竞争力与国外先进水平相比还是略有逊色，仍然面临着一定的差距，所以在全球化的今天，对齿轮箱的研究、创新与发展仍是势在必行的，基于此，对齿轮箱的研究与发展就不得被早日提在议题上来。

正是由于齿轮箱在制造业占着举足轻重的地位，一旦出现故障会给企业、更有甚者给国家带来不可估量的损失，例如，某电厂的风电机组齿轮箱由于轴承发生故障，导致机器发生巨大振动破坏，引发了厂房坍塌，致其工作人员受伤，给企业带来了严重的损失。某国家的飞机在外飞行执行任务时，也是由于的齿轮的损坏导致飞机在空中失事，引发了意外，也是带来了人员的伤亡与严重的经济损失。这些惨痛的教训有许许多多，举不胜数，因此，齿轮箱故障诊断技术在设备诊断中占有很高的地位。

齿轮箱故障诊断的方法有很多，如传统方法包括时域分析法，凭借较有经验的专家进行判断，识别等，目前较为新型的方法种类包括：希尔伯特黄变换、经验模态分解法、小波变换法、故障特征提取法以及神经网络自适应法等等，新兴的故障研究法都各有所长，有各自的优缺点，正是于此，许多学者才开始尝试多种方法相结合的方法进行故障识别，也有所成效。本文是基于ANSYS的齿轮箱模态分析，主要是针对齿轮箱进行试验模态分析的，在进行试验模态分析前，利用ANSYS软件进行对齿轮结构部件进行建模分析研究，基于常理求取和验证齿轮易于变形的部位，同时又对齿轮啮合接触应力进行分析研究，最后又对无载荷下齿轮的自由模态进行分析。在计算模态的基础之上，我们通过信号采集测试系统又对齿轮箱模型实验台进行试验分析，求取了模态参数，通过正常齿轮箱与故障齿轮箱求取结果的比对分析，来探寻他们的故障特征及其参数特征。

1.2课题研究背景

齿轮传动是机械传动系统中应用最为广泛的一种，正是因为其效率高，传动比准确，结构紧凑等优点，使其较其他传动形式更为常用和突出。例如，我国的