基于ADAMS的齿轮箱模型动力学仿真和振动分析

齿轮的啮合冲击是整个齿轮传动过程中引起齿轮箱振动的主要激励源之一，此种振动形式在齿轮箱长期的运行中给齿轮传动系统和齿轮本身都将造成极大的损害，最终导致齿轮箱各种故障的发生，有必要对齿轮传动系统在运行过程中的动力学特性和齿轮箱各个重要仿真测点的振动进行分析，这将对齿轮箱的维护，以及振动测点的选择和优化上都有很大的理论意义和实用价值，结合UG软件和Adams软件构建齿轮箱的动态仿真模型，进行运动学和动力学仿真分析以及利用振动模块对各个测点做振动分析。

1 ADAMS动力学软件介绍

ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件，目前，ADAMS已经并入美国MSC公司[23]。

2 仿真测点的选取

齿轮箱仿真模型的基础上，在齿轮箱箱体、输入轴、输出轴上、高速轴和低速轴等部件上选取10个常用测点，然后进行动态仿真和振动分析，为振动测点的选择和风电齿轮箱在线监测以及故障诊断提供一些理论依据[24]。

齿轮箱故障诊断时振动测点的选择原则：

(1)轴承座附近是最佳的测点

振动信号在传递的过程中遇到阻尼能量会逐渐的减弱，因此波形的幅值会发生衰减，其中信号中高频成分的幅值衰减的最多、衰减速度也最快，由于故障信号优先传递到轴承座的位置，次时的振动信号的能量衰减和波形变化情况都是最小的，所以在此处设置测点比较合理，但是对于齿轮箱内部的结构来说，传感器在轴承座附近根本没有安放的空间，因此在做此处测点的选择时只能尽量的靠近轴承座部位。

(2)故障发生较多和齿轮箱重要部位的测点我们可以相应多选择几个，比如负荷重输入轴、转速高的输出轴，以及非常容易出现故障的齿轮和轴承的轴承座附近。

(3)测点的选择还要兼顾方向的问题，因为许多振动信号的方向是不同的，有径向的、轴向的、还有垂直两个方向上的，在对重要部位做振动测试时我们需要选择三个方向的测点，对于齿轮箱来说，轴向振动的变化也经常会引起很多的故障。

(4)齿轮箱箱体的表面布置测点，以为此处表面平坦，传感器的安装和拆卸又都比较方便，更加方便安装可以检测三个振动方向的传感器安装座。

3 齿轮箱系统动力学仿真分析

本节只是分析齿轮箱传动系统的动力学特性，因此在做仿真分析时就把齿轮箱各个部件定义为刚体，忽略他们之间的相对运动和塑性变形，然后通过ADAMS软件的借口模块，把在UG环境中创建的三维模型转化成齿轮箱传动系统的动态仿真模型，然后在ADAMS软件中给定各个零部件的材料属性和密度参数，这样软件自身就能得到各轴和转动齿轮的质量和转动惯量，并以此来作为传动系统动力学仿真的原始条件。

3.1 仿真所需约束和载荷条件的施加

把齿轮箱三维实体模型导入到ADMAS软件中，然后就需要对各个运动构件添加约束和系统仿真所需的载荷要求：

（1）为仿真模型添加约束

这种构件之间存在的运动约束关系在机械实体中表现为运动副和铰链结构，因此我们在做运动系统的动态仿真时，也应该把这些约束关系都抽象的概括出来，也就是在仿真模型中给各个构件之间添加约束关系，再为系统添加发生运动所需的驱动和载荷条件。

每一个运动副都同时关系着两个运动构件，限制着此对构件运动情况，在ADAMS的环境中定义运动副，在大多数的情况下，都是把大地作为默认的固定构件存在的。

依次为仿真模型建立传动轴上的转动副、固定副，各个齿轮的齿轮副，需要注意的是对齿轮定义接触力以后，就不能在模型中对该齿轮添加齿轮副，否则齿轮之间的正常啮合状态将被打破.

（2）添加驱动

驱动一方面是为某个构件和系统提供运动的必要条件，另一方面是把各种运动副及整个系统多余的自由度给约束住，使整个系统能够做某种有规律的运动，我们在定义运动副时可以发现系统会在两个构件的关联处自动生成一个Marker点，定义一个新的坐标系，依次来建立我们仿真所需的约束方程，现在我们仍然在此Marker点上添加系统运动所需的驱动，避免我们再去建立其它多余的坐标系。

在建立的刚体模型的输入轴即行星机架上施加一个恒定转速，大小为135 degree / s即22.5 r/min来模拟风轮传递到增速箱的转速，在输出轴上施加恒定的负载转矩4976053N.mm来模拟发电机对系统的转矩，为了在施加转速时齿轮箱系统的运动状况不会发生突变，使转速在0．2秒内由0增加到22．5r／min。

3.2齿轮箱传动系统运动仿真结果分析

（1）从各对啮合齿轮的转速曲线可以看出转向正好相反，说明两齿轮转向满足齿轮啮合方向关系；

（2）在发动机启动瞬间，有一个较大冲击，表现为输出轴的转速有个从正到负的突变；

（3）另外通过各齿轮转速的变化情况，随着各级齿轮的传动比的增大，啮合冲击力的增大导致输出轴的转速在一定的范围内呈现周期性的波动，这就是齿轮啮合传动过程中振动和啮合冲击共同作用的结果；

（4）由于齿轮箱增速比比较大，使各个传动齿轮在轮齿的啮入和啮出的时所受到的啮合冲击力较大，因此在输出轴的曲线上可以明显的看到一些转动速度的突变。

根据各齿轮啮合力曲线变化情况，可以作如下分析：

（1）中心轮啮合力的变化极其没有规律，这是因为在齿轮箱系统做传动过程中，和中心轮同时发生啮合碰撞的齿轮有3个，分别是三个行星轮，换句话说，这就表示其中心轮所受啮合力是三对齿轮啮合力的叠加，故其啮合力变化呈现非周期性；

（2）从传动齿轮1、2、3、4的啮合力曲线图上可以发现，其齿轮所受啮合力越来越大，这是因为随着增速齿轮箱中齿轮的转速的增大，所受到的冲击振动加大，故啮合冲击力也越来越大，表现为啮合力与齿轮转速成正比；

（3）从传动齿轮3和4的啮合力对比可以看出，齿轮激振力的上下波动比较较大，有时大约达到均值的2－3倍；

（4）上面的仿真结果如实的反应了在恒速的环境下各齿轮碰撞力的变化情况。

3.3 齿轮箱各测点的振动仿真分析

1、振动激励的建立

（1）正弦扫频

我们给定正弦函数的幅值1和初相位0，以正弦扫频信号，来建立齿轮箱振动仿真模型的第一个输入通道中的振动激励。

（2）旋转质量

旋转质量激励产生一个频域力. 这种激励表示由偏离旋转轴一定距离的旋转质量所产生的力. 旋转轴由该振动激励所作用的输入通道所确定.

2、振动分析仿真

加载ADAMS软件的振动分析模块，同时对动态仿真模型进行柔性体的连接转,并依据上面所述的两种激励方法建立输入通道和两种振动激励，以输出轴，外齿圈，行星轮、齿轮箱外壳等常用测点处建立10个输出通道如表5-1所示，然后转到后处理模式进行各个输出通道频率响应曲线的绘制，以输出轴为例，响应曲线图

在传动系统刚刚运行至0.5秒时输出轴响应有一个振动突变，说明在0.5秒时此轴受到一个Y方向的突变力，具体原因可能是输出轴装配时不对中所致。同时在此输出中明显的有以旋转频率为特征的周期成分，再次说明此齿轮箱在设计和装配时有转轴不对中和不平衡故障存在。

3.柔性体对输出轴振动特性的影响

在此输出轴的振动能量中应变能大概是其动能的4到5倍，而柔性体中的动能和应变能之和等于外界输入至该柔性体的能量，所以可以证明此风电机齿轮箱模型中输出轴的振动成分主要是应变能造成的。

几个输出通道的频率响应曲线并做FFT变换，对其频率响应曲线的时域图和频域图进行观察和分析，得出齿轮箱传动系统几个主要构件的振动特性，对于故障诊断的振动信号采集时合适取测点的选择提供了参考资料，但是由于输出轴始终处于旋转运动状态，安放传感器困难比较大，具体的点还需要进一步的仿真分析，建立更多的输出通道，并做出每一个通道的频率响应曲线图，最终确定最佳的振动信号采集点，其准确性可以通过现场的振动测试加以验证。