RV减速器摆线轮剥落故障振动特性研究.pdf

第 32 卷第 3 期淮阴工学院学报Vol.32 No.32023年 6 月Journal of Huaiyin Institute of TechnologyJun.2023RV减速器摆线轮剥落故障振动特性研究任英虎，王风涛，熊元昊，尹中亚（安徽工程大学 机械工程学院，安徽 芜湖 241000）摘要：以RV减速器中摆线轮为研究对象，在考虑材料属性、接触刚度、摩擦等因素的影响下，应用ABAQUS软件建立含有剥落故障的摆线轮传动系统有限元模型，对比分析摆线轮在无故障和剥落故障状态下的仿真结果，研究当出现剥落故障时整个摆线轮传动系统的振动特性。仿真得出的振动响应信息既能用于摆线轮传动系统的故障预判，也能减少机器作业的安全隐患。关键词：摆线轮传动系统；剥落故障；振动特性；故障预判中图分类号：TH132文献标志码：A文章编号：1009-7961（2023）03-0008-11Vibration Characteristics Study of Cycloid Spalling FaultREN Yinghu，WANG Fengtao，XIONG Yuanhao，YIN Zhongya（College of Mechanical Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu Anhui 241000,China）Abstract：This study focuses on the cycloid wheel in RV reducer,and establishes the finite elementmodel of the cycloid drive system with spalling fault by applying ABAQUS software,considering the influence of material properties,contact stiffness,friction and other factors,and studies the vibration characteristics of the whole cycloid drive system when spalling fault occurs by comparing and analyzingthe simulation results of the cycloid wheel in the state of spalling fault and the state of no fault.Thevibration response information obtained from the simulation can be used both for fault prediction ofthe cycloid drive system and to reduce the safety hazards of machine operation.Key words：cycloidal drivetrain;spalling failure;vibration characteristics;fault prognosis收稿日期：2023-03-27基金项目：安徽工程大学校级项目（Xjky2022012）作者简介：任英虎（1998-），男，安徽来安人，在读硕士，主要从事摆线针轮传动系统故障振动特性研究。通讯作者：王风涛（1985-），男，河南卫辉人，副教授，博士，主要从事精密传动技术研究。摆线轮为少齿差行星齿轮系统的一部分，工业机器人的减速器中广泛采用摆线轮传动系统，其中RV（Rotany Vector，RV）减速器是一种常见的摆线轮传动系统，其结构属于二级曲柄式封闭差动轮系。RV 减速器具有结构紧凑、传动比范围广、传动精度高、传动平稳等优点，因此在高精度的工业设备中广泛采用RV减速器传动。在工作过程中，RV减速器内部的齿轮间会产生激振力，导致减速器出现振动和噪声，进而影响传动性能。其中，摆线轮是影响RV减速器振动特性的关键部件1。齿面剥落是一种典型的齿轮故障类型，严重影响传动系统的可靠性和安全性。对于摆线轮传动系统，必须加强对剥落故障的预判，以确保传动系统的正常运行2。由于摆线轮传动系统具有复杂的结构和内部激励的影响，它具有许多独特的振动特性。为了深入了解这些特性，国内外诸多学者已对摆线轮传动系统的动态响应进行了研究分析。其中一部分学者对摆线轮传动系统的故障特性展开了研究，这些研究旨在为摆线轮传动系统的性能提升提供更加可靠的数据支持3-8。朱良斌等9利用有限元软件建立轮齿接触等效模型，得到摆线轮齿面应力分布，预估了外部载荷下结构的寿命；汪久根等10建立了RV减速器的刚柔耦合动力学虚拟样机模型，利用灰色关联度分析了整机的模态频率、振型等；谭晶11通过对RV减速器扭振动信号第 3 期的预处理和分析，成功识别出可能存在故障的部件；Smith12建立了一个简化的振动信号模型，用于研究齿圈固定的行星轮系的健康状况，并揭示了由于时变传递路径造成的调制现象；Feng13-15针对行星轮系的局部故障，建立了行星轮传递路径的信号模型，并分析了信号在故障状态下的特征。综上所述，国内外学者对摆线轮传动系统振动特性的研究多数是在无故障状态下完成的，缺少对产生剥落故障的摆线轮传动系统的研究。本文主要针对摆线轮上的剥落故障，对摆线轮传动系统进行有限元仿真，并结合相关实验，得出剥落故障状态下摆线轮传动系统的振动特性。1摆线轮传动系统结构本文研究的摆线轮传动系统代指RV减速器，指减速器的传动原理是RV传动。RV减速器的传动机构由第一级圆柱齿轮行星减速装置和第二级摆线轮行星减速装置两部分构成。第一级圆柱齿轮行星减速机构是由1个圆柱中心齿轮（太阳轮）和3个行星圆柱齿轮组成。第二级摆线轮行星减速机构由2个摆线轮、针齿壳和行星架组成。系统传动简图如图1所示。图1RV减速器传动简图2建立剥落故障摆线轮传动系统模型2.1建立摆线轮参数化方程如图2所示，摆线轮运动的几何分析是圆上一指定点沿基线做圆周运动。在笛卡尔直角坐标系下，半径长为r的滚圆沿半径为R的基圆O作纯滚动，A1是滚圆O1上的一点，也是基圆O与滚圆O1的切点。当滚圆O1从原来位置A1运动到A2时，旋转过的角度为，若以基圆O为参考对象，转过的角度为。图2摆线形成坐标由两圆对应的弧长相等，可得：=Rr（1）则A2对应的坐标表示为：x=(R+r)cos-cosy=(R+r)sin+sin（2）其中=2-。根据摆线轮摆线的形成原理，可建立参数方程为：x=(R+r)cos-cos(1+Rr)y=()R+r sin-sin(1+Rr)（3）2.2摆线轮传动系统三维建模摆线轮传动系统主要参数如表1所示。任英虎，王风涛，熊元昊，等：RV减速器摆线轮剥落故障振动特性研究9淮阴工学院学报2023 年表1RV减速器主要参数参数太阳轮齿数行星轮齿数摆线轮齿数针齿齿数压力角/参数值1244596020参数偏心距/mm行星轮齿宽/mm针齿直径/mm针齿中心圆直径/mm参数值2.41610165采用ABAQUS中自带的脚本对摆线针轮传动系统进行建模。剥落故障摆线轮建模的方法是利用切削指令在无故障摆线轮的渐开线轮齿边缘切削0.5 mm深度（见图3）。其他零件的建模方式是去除对仿真分析没有太大影响的倒角、凹槽、螺孔等，并将行星齿轮与曲柄轴联接设计成齿轮轴以减少仿真分析计算量，具体过程不做详述，完成装配后的系统如图4所示。图3剥落故障摆线轮模型图4摆线轮传动系统装配图2.3建立摆线针轮传动系统有限元模型有限元模型的质量很大程度上决定软件分析的结果。建立精确的有限元模型主要分为如下4个步骤：2.3.1创建材料属性材料属性参数如表2所示。表2零部件属性参数属性材料密度/（t/mm2）弹性模量E1/MPa泊松比/u参数值Steel（结构钢）7.8510-92.11050.32.3.2网格划分为保证分析的一致性和获得稳定的网格质量，摆线轮传动系统所包含的零件网格单元形状统一规定为四面体，几何阶次规定为线性。结果显示摆线轮传动系统划分出网格单元总数231 142，节点总数53 332；需要指出的是剥落故障摆线轮在故障位置处会引起网格的畸变，其划分出的网格单元总数55 965，节点总数12 374，划分网格后的模型如图5所示。10第 3 期（a）（b）（a）:摆线针轮传动系统网格图；（b）：剥落故障摆线轮网格图。图5模型网格划分图表3分析步和场输出参数参数时间长度/s线性体积粘性参数间隔时间缩放系数质量缩放系数频率分析步类型参数值0.50.06100011000均匀时间间隔显示动力学2.3.3设定求解器和构建连接关系设定模型求解器是通过创建分析步和场输出实现的，其求解参数如表3所示。构建模型的连接关系分为三步。第一步是创建零件间的接触，相关参数如表4所示；第二步是创建零件的约束；第三步是设定连接截面类型为铰。表4接触对参数太阳轮-行星轮接触对参数力学切向行为（摩擦系数）力学法向行为参数值/类型0.15硬接触摆线轮-针齿壳接触对参数力学切向行为（摩擦系数）力学法向行为接触刚度参数值/类型0.15线性（软接触）5002.3.4设定位移边界条件仿真分析的最后一步是对针齿壳、行星架以及太阳轮3个零件设定相应的位移边界条件，相关参数如表5所示。表5位移边界条件参数零件种类针齿壳行星架太阳轮类型对称/反对称/完全固定位移/转角位移/转角坐标系完全固定释x方向自由度x方向旋转1弧度任英虎，王风涛，熊元昊，等：RV减速器摆线轮剥落故障振动特性研究11淮阴工学院学报2023 年3仿真结果分析仿真采用显式动力学法。对比分析无故障状态下和剥落故障状态下摆线轮传动系统仿真结果。如果系统中某个部件发生了局部故障，那么检测到的振动信号频谱特征就会发生变化。因此，振动信号可以作为摆线轮传动系统故障预判的载体。按照上述有限元模型设计，完成剥落故障状态下和无故障状态下摆线轮传动系动力学仿真。两种状态下的振动响应信息提取流程如图 6 所示。摆线轮传动系统的零件间配合紧密，加速度传感器无法定位在故障摆线轮上，只能将传感器定位在针齿壳上测量系统的振动信号，故将测量结点的位置选择在针齿壳上任意位置。图6ABAQUS操作流程图3.1Mises应力分析根据有剥落故障和无故障两种情况，分别对摆线轮和针齿壳提取Mises应力：如图7所示，摆线轮绕着针齿中心啮合旋转时，有剥落故障的摆线轮Mises应力比无故障摆线轮Mises应力大，应是有剥落故障的摆线轮的啮合承载区域比无故障摆线轮的啮合承载区域少一个完整的啮合轮齿导致的。（a）（b）（a）：含剥落故障摆线轮的应力云图；（b）：无故障摆线轮的应力云图。图7摆线轮应力云图如图8所示，取与剥落故障摆线轮啮合的针齿壳和与无故障摆线轮啮合的针齿壳的 Mises 应力。当针齿壳同时承受转速载荷和径向载荷时，摆线轮处于稳定的运行状态，但云图显示针齿壳上的Mises应力数值相差不大，应是仿真模型所建立的剥落故障体积微小，加上针齿壳内壁存在一定厚度，使得剥落故障对针齿壳上受到的Mises应力大小影响有限。12第 3 期（a）（b）（a）：剥落故障状态下的针齿壳应力云图；（b）：无故障状态下的针齿壳应力云图。图8针齿壳应力云图综上所述，当摆线轮上存在剥落故障时，Mises应力明显大于无故障状态下的Mises应力。而分析对象换做针齿壳时，由于剥落故障体积微小，有剥落故障的摆线轮和无故障的摆线轮在与针齿啮合时，针齿壳受到的Mises应力值变化不大，不适宜用作摆线轮传动系统的故障预判。3.2振动特性分析根据有剥落故障和无故障两种情况，分别对摆线轮和针齿壳提取加速度：如图9所示，有剥落故障的摆线轮加速度值要大于无故障的摆线轮加速度值，即当摆线轮出现剥落故障后，其振动信号比无故障状态下的振动信号更激烈。（a）（b）（a）：剥落故障摆线轮加速度云图;（b）：无故障摆线轮加速度云图。图9摆线轮加速度云图与Mises应力检测结果