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      齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)的研究方向

      2016-03-11 11:47:50陳文娟
      大科技 2016年16期
      關(guān)鍵詞:輪齒傳動系統(tǒng)噪音

      陳文娟

      (鄭州煤機(jī)綜機(jī)設(shè)備有限公司 鄭州 450100)

      齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)的研究方向

      陳文娟

      (鄭州煤機(jī)綜機(jī)設(shè)備有限公司 鄭州 450100)

      齒輪傳動系統(tǒng)在機(jī)構(gòu)中傳遞動力的部件中的作用越來越顯著,圍繞齒輪傳動系統(tǒng)中振動和噪音方面,進(jìn)行較為完整的闡述,相對詳細(xì)的介紹了近年來國內(nèi)外的研究近況。在理論層面,討論了與齒輪系統(tǒng)動力學(xué)有聯(lián)系的學(xué)科之間的發(fā)展情況,引進(jìn)了非線性控制技術(shù),為齒輪系統(tǒng)動力學(xué)未來的發(fā)展提供了有效的使用價值。

      齒輪傳動系統(tǒng);摩擦磨損;非線性控制技術(shù)

      1 齒輪傳動系統(tǒng)的概述

      1.1 齒輪傳動系統(tǒng)的近況研究

      齒輪傳動系統(tǒng)是傳遞系統(tǒng)和動力的核心部件,在各個機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域均有較廣的應(yīng)用,是整個機(jī)械系統(tǒng)的精度及其穩(wěn)定性的重要決定因素之一,特別是在重載傳動方面,齒輪傳動系統(tǒng)更是有著很重要的位置。但是隨著社會的不斷進(jìn)步,科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和生產(chǎn)力方面的飛速發(fā)展,人們對齒輪傳動系統(tǒng)的要求更為嚴(yán)格。在某些特殊行業(yè)中,不可修復(fù)的情況最多,有的甚至連在軌更換也不可以。因此,我們必須盡可能使我們的產(chǎn)品轉(zhuǎn)速更高,載荷量更大,噪音更低,使用時間更久。

      1.2 齒輪傳動系統(tǒng)的發(fā)展短板

      伴隨著傳動載荷量和傳動速度的日益提高,齒輪的傳動過程中出現(xiàn)的振動和噪音問題也越來越嚴(yán)重,尤其是這兩個方面對機(jī)械中的傳動系統(tǒng)有著舉足輕重的影響。因此,我們必須重視齒輪這方面的性能問題。在1971年,會田俊夫在《齒輪的設(shè)計與制造》一書中明確提出了這樣的觀點(diǎn)-“齒輪傳動在強(qiáng)度方面的問題已經(jīng)基本解決,目前亟待解決的重大技術(shù)課題是齒輪傳動的振動和噪聲問題”。但是,就目前來看,大多數(shù)齒輪設(shè)計者很難清晰的理解這方面。在他們的觀念里,齒輪的設(shè)計方法應(yīng)該將齒輪的運(yùn)動和強(qiáng)度方面放在首要考慮因素,而將齒輪的噪音和振動方面視為可有可無的因素。因此,所設(shè)計的齒輪在傳動性能方面有著很差的效果。

      在1986年,日本機(jī)械工程學(xué)會對齒輪傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了全面的調(diào)查,相比較起來,人們認(rèn)為低噪音和低振動這兩個方面是凸顯高性能齒輪傳動機(jī)構(gòu)的主要條件。在各種各樣的機(jī)械中,都認(rèn)為噪音問題、齒輪嚙合的動力學(xué)問題和振動問題日益顯著。由于振動越來越嚴(yán)重,帶來了嚴(yán)重的磨損、疲勞破壞、振動問題和噪音的后果,甚至使實(shí)際運(yùn)動規(guī)律與理論運(yùn)動規(guī)律背道而馳,從而導(dǎo)致了嚴(yán)重的誤差,使器械在工作方面缺乏安全性和可靠性,更有甚者,可能會使齒輪或其他機(jī)件直接處于癱瘓狀態(tài)。根據(jù)理論來看,漸開線齒輪傳動具有較強(qiáng)的平穩(wěn)性,但是實(shí)際上,在齒輪傳動系統(tǒng)運(yùn)行的時候,通常會產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的振動和噪雜的噪聲。由于齒輪的誤差和齒輪嚙合剛度的變化,引起齒輪的振動,這種振動可以直接發(fā)射到空氣中,也可以通過軸等構(gòu)件間接地發(fā)射到空氣中,發(fā)射過程中,往往會因為沖擊產(chǎn)生強(qiáng)迫振動,導(dǎo)致齒輪裝置的每一個部分都被振動,最終產(chǎn)生二次共振、共鳴噪聲。就是這種原理導(dǎo)致的齒輪振動和噪音問題。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)廣泛關(guān)注關(guān)于震動和噪音的齒輪機(jī)構(gòu)動力學(xué)問題。在非線性動力學(xué)理論日益強(qiáng)大的基礎(chǔ)下,很多學(xué)者也嘗試依靠這個理論為依據(jù),考慮間隙和潤滑油膜等一些非線性因素,建立一個符合齒輪傳動機(jī)結(jié)構(gòu)的非線性動力模型。能夠為進(jìn)一步降低齒輪傳動機(jī)的振動和噪音方面提供有效的理論基礎(chǔ)。從當(dāng)今發(fā)展的情形看,齒輪傳動設(shè)計仍然是屬于在工程的結(jié)構(gòu)方向上,難度很大,但是形式新穎的前沿性難題,對其進(jìn)行研究就要有很重要的現(xiàn)實(shí)意義和價值。

      1.3 影響傳動的因素

      齒輪振動和噪音問題的影響因素主要分為兩類:外部因素和內(nèi)部因素。外部因素主要包括傳遞載荷和運(yùn)動速度,這兩個因素主要取決于使用要求和工作條件。內(nèi)部因素基本上是指齒輪自身的內(nèi)部構(gòu)造問題,比如關(guān)于齒輪的參數(shù)和制造的精度問題。優(yōu)化加工工藝的流程,會使誤差因素的影響力減弱。但是,齒輪噪聲的原理性因素是在齒輪嚙合過程中所產(chǎn)生的,這種激勵是動態(tài)的。一般來說,齒輪的嚙合剛度變化和間隙是齒輪噪聲比較重要的影響因素。但是,有時雖然齒輪的加工過程和安裝精度都非常高,仍然會引起甚至突出地表現(xiàn)讓我們認(rèn)為是這種因素所造成的振動和噪音。其實(shí)這是因為齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

      2 與其他學(xué)科方向的交叉發(fā)展

      伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人們對機(jī)械產(chǎn)品的要求不僅限于外表和更新?lián)Q代的速度,著重的要求機(jī)械產(chǎn)品的性能。因此,在設(shè)計齒輪傳動系統(tǒng)中,無論是理論知識的儲備方面,還是設(shè)計產(chǎn)品的過程中,我們都應(yīng)該緊密地結(jié)合各個研究方向,精確的分析各個方向之間的交叉點(diǎn)。

      2.1 非線性控制技術(shù)研究

      齒輪傳動系統(tǒng)是一個較復(fù)雜的系統(tǒng)。一個齒輪產(chǎn)品在設(shè)計過程和加工操作中,會出現(xiàn)齒輪間隙以及摩擦等一些非線性因素,同時由于我國現(xiàn)有的測量儀器的性能仍有待改善,齒輪系統(tǒng)中的很多參數(shù)和因素不能精密測量,從而帶來了較大的誤差。從此可以看出,傳統(tǒng)的動力學(xué)模型控制器已經(jīng)無法精確的控制非線性系統(tǒng),為了優(yōu)化齒輪傳動系統(tǒng)的性能,我們就應(yīng)該著手降低非線性因素對系統(tǒng)特性的干擾。

      近年來,人們對齒輪系統(tǒng)動力學(xué)的內(nèi)容的研究逐漸加深,非線性理論也在快速發(fā)展,建立在現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)上的新方法也不斷出現(xiàn),其中比較重要的理論基礎(chǔ)有:自適應(yīng)控制理論、變結(jié)構(gòu)控制理論基礎(chǔ)、非線性理論基礎(chǔ)、智能控制理論基礎(chǔ)等。在1991年孫西在具有間隙非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)控制一文中,提出了關(guān)于偽線性化或預(yù)補(bǔ)償后的廣義線性系統(tǒng)這兩個系統(tǒng)施加自適應(yīng)控制的策略,1999年劉兵在具有間歇預(yù)補(bǔ)償?shù)姆蔷€性預(yù)測控制一文中對該方法也有所闡述。

      2.2 齒輪摩擦磨損研究

      在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,輪齒與輪齒之間相對滑動,而且受復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境作用,一定會導(dǎo)致輪齒發(fā)生磨損,磨損是沿齒廓方向的,而且是不規(guī)則分布的。相反,由于齒輪的磨損又將帶來齒輪系統(tǒng)的動力學(xué)特性的性能降低。因此,我們應(yīng)將齒輪系統(tǒng)的動力學(xué)及摩擦磨損綜合起來分析。

      根據(jù)以上的分析來看,現(xiàn)在的研究者大多數(shù)只研究孤立的領(lǐng)域,沒有考慮到各個領(lǐng)域之間的聯(lián)系,大多數(shù)的研究都是通過假設(shè)某個條件來處理兩者之間的耦合問題。因此,得到的成果相對較少。但是,萬物之間,息息相關(guān),沒一個學(xué)科都不可能是孤立存在的,學(xué)科之間的交叉可以帶來更豐富的內(nèi)容。Wojnarowski Jozef在Tooth Wear Effects on Spur Gear Dynamics一文中提出了關(guān)于輪齒磨損對系統(tǒng)動力學(xué)特性影響的研究,通過建立磨損后齒形的數(shù)學(xué)模型,詳細(xì)分析了由于磨損對輪齒嚙合線和傳動比所造成的不良影響,而且隨著磨損程度加深,輪齒間的嚙合力也將急劇增大。Huali Ding在Interactions between Nonlinear Spur Gear Dynamics and Surface Wear一文中提出應(yīng)綜合考慮齒輪磨損及動力學(xué)兩者之間的相互作用,研究磨損后齒廓對齒輪系統(tǒng)動力學(xué)及振動特性的影響。最終研究表明,磨損加劇齒輪的振動與噪聲。

      研究齒輪系統(tǒng)動力學(xué)應(yīng)該按照三個步驟來進(jìn)行分析:①我們要盡最大可能的修復(fù)好磨損的部件,建立一個能夠準(zhǔn)確描述磨損后那個輪齒的數(shù)學(xué)模型;②建立一個能夠與磨損后樣貌相吻合的齒輪系統(tǒng)動力學(xué)模型;③將磨損模型與參數(shù)的動態(tài)變化結(jié)合在一起。

      3 總結(jié)

      通過上面的表述,雖然關(guān)于齒輪系統(tǒng)動力學(xué)問題的研究有很多,也取得了一定的研究成果。但是,在機(jī)械系統(tǒng)的精度和平穩(wěn)性能方面,相關(guān)研究明顯很少,目前已呈現(xiàn)出工程需求與實(shí)際器械性能相差太遠(yuǎn)的趨勢。為了縮小兩者之間的差距,我們就不能單單的考慮齒輪副的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動,應(yīng)該建立精準(zhǔn)的三維模型。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,我們應(yīng)該將非線性技術(shù)應(yīng)用于齒輪系統(tǒng)的設(shè)計中,這樣才能夠保證傳動精度和使用壽命越來越接近我們的理想值。

      [1]孫西,周立峰.具有間隙非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)控制[J].控制理論與應(yīng)用,2015,8(01):96~100.

      [2]劉兵,馮純伯,李長庚.具有間隙預(yù)補(bǔ)償?shù)姆蔷€性預(yù)測控制[J].控制理論與應(yīng)用,2014,16(2):241~243.

      TH132.41

      A

      1004-7344(2016)16-0245-02

      2016-5-19

      陳文娟(1983-),女,助理工程師,本科,主要從事機(jī)械設(shè)計工作。

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