一种高速薄辐板齿轮危险共振频率识别方法

本发明涉及机械共振，特别涉及一种高速薄辐板齿轮危险共振频率识别方法。

背景技术：

1、航空领域中，航空发动机附件传动系统功能多、集成化程度高、等特点使得齿轮传动系统在该领域上广泛应用。随着航空发动机质量不断提高，附件传动系统齿轮设计得越来越轻薄，同时由于其服役工况向着高速、重载、高功率密度等方向发展。因此齿轮在高速、重载恶劣工况运转过程中，会产生剧烈振动和冲击，同时存在模态密集、共振带频域宽、高谐振峰等特点，极易出现共振结构损伤、高周疲劳等失效现象。其中齿轮共振引起的轮齿断裂是所有齿轮失效形式中最隐蔽、最具破坏性的。当齿轮发生共振时，会影响齿轮传动系统的振动特性甚至产生破坏，严重威胁系统安全，从而可能导致巨大的经济损失。

2、传统的航空发动机齿轮共振测试方法通常为找寻共振转速从而预防齿轮的共振破坏，但都未提出其危险共振点及其危险共振频率。现有技术中存在一种行星轮系啮合共振频带的获取方法。该方法基于啮合共振分布获取目标齿轮中的行星轮系的振动信号及振动信号所包含的故障特征从而获取共振频带。该方法找到齿轮的共振频带，但却只仅限于找出了共振频带，并未预测齿轮在该危险共振频率时的寿命。

3、因此，开发一种高速薄辐板齿轮危险共振频率识别方法具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高速薄辐板齿轮危险共振频率识别方法，以解决现有技术中存在的问题。

2、为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种高速薄辐板齿轮危险共振频率识别方法，包括以下步骤：

3、1)采用动应力测试系统采集被测高速薄辐板齿轮的振动响应时域信号。

4、2)进行时间窗划分，将原始信号数据集分割为短时向量，并计算单个时间窗的应变均值

5、3)计算各个时间窗的应力、应力均值和应力幅值。对各个时间窗的应力信号进行快速傅里叶变换，得到齿轮在不同工况下的频域图。

6、4)绘制设计寿命曲线图。

7、5)确定危险共振点和危险共振频率。

8、进一步，步骤1)中，齿轮的指定位置上安装有应变片。所述应变片用于测量齿轮在升速扫频试验过程的振动数据。

9、进一步，步骤2)中，根据扫频时间范围进行时间窗划分。

10、进一步，步骤2)中，将原始振动信号数据集分割为短时向量，表示式如下：

11、{ε}→[ε1 ε2 … εk … εns]  (1)

12、{ε}t→[ε1 ε2 … εk … εns]t  (2)

13、其中：k＝1,2…ns。

14、同时将整个振动信号数据集平均划分为ns个时间窗，每个时间窗平均含有nk个点。

15、nk＝len{ε}/ns  (3)

16、并计算单个时间窗的应变均值计算公式表示如下：

17、

18、其中：i＝1,2…nk。

19、进一步，步骤3)中，对单个时间窗的应变信号进行数据处理得到单个时间窗的应力：

20、σ＝ε·e  (5)

21、{d}→[σ1 σ2 … σk … σns]  (6)

22、式中，σ表示应力，e是齿轮材料的弹性模量。

23、计算平均应力同时对各个时间窗的应力信号进行快速傅里叶变换从而得到各个时间窗的频谱图并及确定其应力幅值以及对应的频率。

24、

25、

26、进一步，步骤4)中，齿轮在振动工况下的循环次数ns:

27、ns＝fm×lm  (9)

28、其中，fm为齿轮在振动工况下振动频率。lm为齿轮设计寿命时长，单位：s。

29、通过s-n曲线图，找到循环次数ns及其对应的设计寿命应力值σd的映射关系。则σd在s-n曲线图的映射关系可表示为：

30、

31、式中，lm为齿轮的设计寿命，单位：s。sn(ns→s)为齿轮材料s-n曲线中最大循环次数ns和正弦交变载荷s之间的映射关系。

32、以步骤3)中的平均应力作为y轴，作为z轴，转速n作为x轴建立坐标系。则设计寿命曲线公式表示为：

33、

34、其中，σs为齿轮材料的屈服极限。

35、进一步，步骤5)中，定义各个时间窗由不同转速n对应的应力均值和应力幅值作为应力采样点记为将采样点确定在设计寿命曲线图中，定义应力采样点到设计寿命曲线的距离为安全裕度记为δk。

36、

37、若应力采样点到设计寿命曲线的安全裕度δk≤0时，采样点为有害危险共振点，采样点频率为有害危险共振频率。若应力采样点到设计寿命曲线的安全裕度δk>0时，采样点为安全点，能够达到设计寿命要求。

38、本发明的技术效果是毋庸置疑的：

39、a.能够直观有效的找出在工作转速范围内危险共振点以及其危险共振频率。

40、b.安全裕度δk反应齿轮运行工况的安全性，当δk的数值越小，该运行工况的危险性越高；

41、c.实用性好，操作方便，值得推广。

技术特征：

1.一种高速薄辐板齿轮危险共振频率识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高速薄辐板齿轮危险共振频率识别方法，其特征在于：步骤1)中，被测高速薄辐板齿轮的指定位置上安装有应变片；所述应变片用于测量被测高速薄辐板齿轮在升速扫频试验过程的振动数据。

3.根据权利要求1所述的一种高速薄辐板齿轮危险共振频率识别方法，其特征在于：步骤2)中，根据扫频时间范围进行时间窗划分。

4.根据权利要求3所述的一种高速薄辐板齿轮危险共振频率识别方法，其特征在于，步骤2)中，将原始振动信号数据集分割为短时向量，表示式如下：

5.根据权利要求1所述的一种高速薄辐板齿轮危险共振频率识别方法，其特征在于，步骤3)中，对单个时间窗的应变信号进行数据处理得到单个时间窗的应力：

6.根据权利要求1所述的一种高速薄辐板齿轮危险共振频率识别方法，其特征在于，步骤4)中，齿轮在振动工况下的循环次数ns:

7.根据权利要求1所述的一种高速薄辐板齿轮危险共振频率识别方法，其特征在于：步骤5)中，定义各个时间窗由不同转速n对应的应力均值和应力幅值作为应力采样点记为将采样点确定在设计寿命曲线图中，定义应力采样点到设计寿命曲线的距离为安全裕度记为δk；

技术总结发明提供一种高速薄辐板齿轮危险共振频率识别方法。该方法考虑传动系统有害工况下易出现齿轮破坏导致失效，从而通过对齿轮振动响应数据进行分析处理以及快速傅里叶变换(FFT)得到齿轮在工况下的时域图与频谱图。进一步再根据材料拉伸曲线以及S‑N曲线绘制该工况条件下齿轮的设计寿命曲线，然进而数据与图像结合可有效的找出齿轮危险共振点，进一步得到齿轮的危险共振频率。该方法可实现对齿轮振动的危险共振点以及危险共振频率的确定，能够很好的保证提取出的有害共振点的精度。该方法能够适用于各种工况下识别危险共振点及其共振频率。技术研发人员：魏静,陈桥,魏海波受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2