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基于非线性研究的某涡轮起动机齿圈断裂故障分析

李阿楠  
【摘要】:涡轮起动机是航空发动机的重要组成部分,它的传动系统是一个二级齿轮传动系统,在其传动过程中,其动力学行为和工作性能对发动机的工作可靠性有着重要影响。某涡轮起动机在起动过程中就曾发生了多起因液力偶合器齿圈以及联结销钉断裂而导致发动机起动失败的事故,而对其进行线性分析又不能得出正确的结论。因此,对其传动系统进行非线性动力学特性的研究以揭示失效的机理就具有重要的理论意义和工程实用价值。 本文针对某涡轮起动机的传动系统进行分析,建立了含间隙双级齿轮传动系统的非线性动力学模型,基于这种模型,对系统的非线性动力学特性进行了研究。 首先用集中质量法建立系统的含间隙的非线性动力学模型,并根据牛顿力学定理,得到系统的运动微分方程。然后对所建立的运动微分方程运用四阶变步长Runge—Kutta方法进行了求解,并对计算结果进行分析,研究了齿轮啮合频率、中间联接轴的刚度,一、二级齿轮的啮合频率比等参数变化时,对系统非线性动力学特性的影响规律,并讨论了当参数如何变化时会导致系统的混沌响应的出现。 通过对含间隙的双级齿轮非线性振动系统的时间历程图、相图、傅里叶谱图、庞加莱截面等结果的分析,得出了齿轮传动系统的动载系数,并与实测结果进行了对比分析,获得了液力偶合器齿圈工作过程中所受的最大载荷。然后对涡轮起动机液力偶合器齿圈进行有限元分析以及强度校核,计算结果表明,由于系统处于混沌状念,导致动载系数过大,所以液力偶合器的齿圈应力和齿根弯曲应力均大于许用应力,这是导致系统在运转过程中齿圈断裂的主要原因。 再采用ANSYS中的接触有限元分析技术,对齿圈和销钉接触应力进行了分析计算,研究了轮齿啮合位置和销钉个数对齿圈应力的影响,再结合对齿圈工艺结构的分析,得出由于齿圈加工工艺不合格而导致齿圈上的销钉受力不均匀,使得齿圈应力过大,最终加剧了齿圈和销钉断裂的结论。最后对故障出现的原因进行总结并提出改进方案。


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