关键词： 非圆柱齿轮   解析设计   齿面修形   承载接触分析   传动试验  

摘要： 非圆柱齿轮是一种具有变速比传动特性的特殊齿轮,在航空航天、交通运输、矿产开采、农业生产、纺织、医疗等领域中被广泛应用。随着现代机械设备功能的不断更新迭代,非圆柱齿轮逐渐在更多传动场合中被应用和推广。目前非圆柱齿轮的设计方法精度差、效率低,已不足以满足现代工业对传动系统的大功率、高精度和重载服役要求,因此研究精度更高的非圆柱齿轮设计方法、分析非圆柱齿轮的传动特性,并提出合理的优化方法,对非圆柱齿轮的发展具有重要的工程应用价值。本文以平行轴非圆柱齿轮为研究对象,以齿轮几何学和微分几何学为理论基础,基于齿轮精密数控加工技术,研究了非圆柱齿轮的齿面解析设计理论和齿面几何特性,结合实际服役工况,提出了非圆柱齿轮的齿面修形设计方法。主要研究内容包括: (1)根据非圆柱齿轮的传动类型,研究了固定平行轴安装的非圆柱齿轮副节曲线设计过程。提出了基于非线性规划方法的动轴线非圆柱行星齿轮机构节曲线设计方法,建立了以节曲线几何参数为设计变量的非线性规划数学模型,实现了多种阶型非圆柱行星齿轮机构节曲线的系列化设计。基于非圆柱齿轮在复合行星轮系中的传动功能,提出了面向传动功能要求的非圆柱齿轮节曲线主动设计方法,为非圆柱齿轮齿面的解析设计提供了理论基础。 (2)基于齿轮几何学理论,建立了非圆柱齿轮变中心距包络模型,该模型具有产形轮定轴线、变速比运动特性,解决了非圆柱齿轮共轭齿面啮合方程无法求解的问题。推导了齿面包络过程中非圆柱齿轮和产形轮的相对运动关系,得到了非圆柱齿轮齿面包络方程。在此基础上,求解了共轭齿面啮合方程,建立了完整的非圆柱齿轮齿面数学模型,将非圆柱齿轮每一个存在几何差异的齿面利用具有一般性的参数化齿面方程进行了统一表示,从而有效提升了非圆柱齿轮的设计精度和效率。 (3)基于参数化非圆柱齿轮的齿面方程,通过微分几何学理论计算了非圆柱齿轮齿面的曲率参数,分析了不同位置齿面的弯曲特性,分析结果表明非圆柱齿轮的齿面是以直线为母线的可展曲面,并验证了不同齿面间存在的几何差异性。分析了非圆柱齿轮的齿面截面齿形,结果表明同一个轮齿在不同的截面上具有不同的齿廓形状。基于齿面方程及共轭啮合方程分析了非圆柱齿轮瞬时齿面接触类型,证明了非圆柱齿轮齿面为线接触,为齿面修形设计提供了必要的理论依据。 (4)根据齿面修形理论,结合非圆柱齿轮齿面差异性客观条件,研究了蜗杆砂轮在齿向两端处附加径向进给运动的齿向修形原理,提出了一种基于连续展成磨削的非圆柱齿轮齿面修形方法。推导了蜗杆砂轮的齿廓方程,建立了非圆柱齿轮修形齿面的双参数包络模型,得到了非圆柱齿轮的修形齿面方程。求解了蜗杆砂轮及金刚轮运动轨迹,建立了蜗杆砂轮连续展成磨削非圆柱齿轮的运动模型。 (5)建立了非圆柱齿轮副的轮齿接触分析模型,研究了不同安装误差和修形参数对齿面接触轨迹和齿面接触椭圆的影响。基于点接触赫兹理论,结合有限元分析方法建立了考虑安装误差的非圆柱齿轮副承载接触分析模型。分析了不同安装误差条件下不同修形曲线对齿面接触应力的影响,从而确定了利用高阶曲线进行修形的理论基础。考虑了修形参数对传动误差、齿面接触应力以及齿面载荷分布的影响,为非圆柱齿轮齿面修形方案的选择提供了理论参考。 (6)搭建了非圆柱齿轮加载传动试验台、非圆柱齿轮液压马达综合传动性能试验台,检测了非圆柱齿轮副的传动比、齿面接触印痕、传动误差和噪声等,验证了本文提出的修形方法的可行性。试制了高水基液压马达非圆行星齿轮机构进行了综合应用试验,验证了本文提出的非圆柱齿轮解析设计方法的正确性和可行性。

关键词： 海上风机齿轮箱   Kriging代理模型   动态可靠性   混合不确定性   疲劳寿命预测  

摘要： 大型海上风电场的开发力度不断加大、海上风能在世界各国能源供应中的比重逐步提高的环境下,随着制造业基础水平的提高,海上风机齿轮箱等关键部件的可靠性水平也有了极大改善。可靠性试验的周期延长,海上风机齿轮箱可靠性试验的投入越来越大,在有限的时间内获得的失效数据严重不足,基于大量失效数据的经典可靠性方法无法精准高效的使用。针对海上风机齿轮箱所面临的复杂工况、多源混合不确定性等问题,本文利用代理模型、循环优化、长期疲劳损伤寿命估算方法等方法,从系统可靠性评估和疲劳寿命预测这两个不同寿命阶段开展。本文主要研究内容和结论如下: (1)提出了一种基于Kriging扩展学习函数的时间离散动态可靠性分析方法。首先,根据初始输入变量建立初始Kriging模型,并使用Kriging扩展学习函数寻找新的样本点更新Kriging模型,同时利用混合选择模型和比率停止准则进行判定模型的收敛,最后利用高斯过程的扩展线性最优估计模型和蒙特卡洛模拟计算系统的累积失效概率。利用海上风载荷模型结合准静态分析等方法,完成海上风机齿轮箱的动态可靠性评估。 (2)在提出的动态可靠性方法基础上,考虑随机和区间不确定性,发展一种混合不确定性下的动态可靠性计算方法。将混合不确定性量化,采用一种高效的序列迭代方法求解区间不确定性带来的双层嵌套优化问题。对于海上风机齿轮箱,在考虑空气动力载荷、长期分析中的统计模型和外推法、以及半经验齿轮载荷模型等不确定性和区间不确定性的情况下进行评估。结果表明考虑混合不确定性的影响,更符合实际情况,具有更高的现实性和可行性。 (3)研究了一种专为海上风机齿轮箱齿轮的长期疲劳损伤寿命估算方法。首先利用Open FAST进行全局仿真得到输入扭矩,再根据输入扭矩时间序列建立扭矩分段,并根据每个扭矩分段的上限计算应力分段,然后根据线性损伤的PalmgrenMiner假设和齿轮应力-寿命曲线数据得出疲劳损伤,最后利用得到的疲劳损伤估算疲劳寿命。

关键词： 虚拟样机试验   背靠背式减速器试验台   减速器   多体动力学   行星齿轮系统  

摘要： 在传统的减速器产品设计研发过程中,一旦物理样机试验未通过,则需要重新修改设计、加工以及装配零部件进行物理样机试验,但多次反复进行物理样机试验会造成大量的人力物力消耗,而且导致研发周期较长。针对以上问题,本文提出了一种搭建背靠背式减速器虚拟仿真试验台以及在减速器产品研发流程中应用虚拟仿真试验替代真实样机试验的方法。所有真实样机试验的相关流程与操作均可在虚拟样机试验台上实现,且能达到相同的效果,如果虚拟样机试验未通过,则可以在不需要加工任何真实部件的情况下进行修改,减少真实样机试验的次数,这种方法极大程度地降低了经济成本与时间成本。基于背靠背式减速器试验台的结构特点和联接方式,在多体动力学软件环境下建立整体试验系统的仿真模型,特别强调仿真模型中的关键边界条件和实际条件的一致性,令仿真模型能够真实反映实际试验台架的性能,从而能够在一定程度上代替实际实验,对提升产品可靠性和缩短研发周期等方面有重要意义。相关内容如下: 首先,明确传动原理,对齿轮减速器传动链各部件进行设计、选择及校核,并进行正确装配。根据计算,每一对齿轮副的许用齿面接触应力均大于实际齿面接触应力,许用齿根弯曲应力也均大于实际齿根弯曲应力,由此可证明该减速器的齿轮强度符合设计要求,本章设计为后续对减速器进行虚拟仿真试验并验证设计可靠性奠定基础。 其次,分析试验台系统输入激励的各种类型及特点,并应用集中质量法,建立了减速器传动链中行星齿轮传动系统的平移-扭转动力学模型,得出了行星系统整体的动力学方程,并进一步归纳出了质量矩阵、阻尼矩阵、轴承刚度矩阵、齿轮啮合刚度矩阵、位移矩阵、外力矩阵。根据试验台各个齿轮和传动轴的参数计算出各个工况下齿轮啮合频率以及传动轴的转动频率。本章工作为后续建立虚拟样机试验台并进行虚拟仿真试验提供了理论支撑。 然后,采用有限元分析的方式确定试验台模型中关键边界条件的准确参数。通过计算,得到了试验台系统动力学仿真所需的螺栓连接刚度、各轴承刚度以及齿轮啮合刚度等,该部分数据将直接影响后续研究系统振动特性的仿真精度,增强了数据的正确性。 最后,选择功率流开放式试验台,搭建背靠背式减速器虚拟样机试验平台的刚柔耦合多体动力学模型。选取高速轴上的测点具体研究其在不同工况下的振动特性,得到时域和频域信号。当系统输入扭矩一定时,随着输入转速升高,系统的振动会更加明显,且试验台的动态激励频率与齿轮啮合频率及倍频基本吻合,由此表明减速器的振动激励源主要是齿轮的啮合激励。通过对仿真结果的分析,证明虚拟样机试验确实能够在一定程度上代替实际实验,对提升产品可靠性和缩短研发周期等方面有重要意义。

关键词： 合金化   超高强度   齿轮轴承钢   综合强化   渗碳处理  

摘要： 随着航空工业快速发展,航空发动机推重比不断提升（15～20）,对轴承材料强度和服役温度提出更高要求。国内大部分应用依然以第二代轴承钢为主,对第三代轴承钢研究较少,CSS-42L和BG801钢为第三代轴承钢的代表钢种,具有优良的强韧性匹配及抗高温性能。目前国内在合金元素Mo、W对该类型钢种强韧性能影响规律及机理研究较少。本论文在CSS-42L钢基础上,研究Mo、W含量对试验钢强韧性及渗碳性能影响,利用SEM、TEM、XRD、拉伸试验、室温冲击和硬度测试等手段,进行组织表征和性能测试,揭示Mo、W含量对力学性能影响;研究高温长时条件下钢的性能变化及组织转变行为;探究Mo、W含量对试验钢渗碳性能影响。主要得出以下结论: （1）研究了Mo/W含量对试验钢微观组织和室温力学性能的影响规律及机理,结果表明:添加Mo有利于提高试验钢强度、冲击韧性和硬度,Mo提高残余奥氏体体积分数,细化马氏体板条宽度;随着W含量增加,试验钢的屈服强度和硬度提高,冲击韧性下降,残余奥氏体体积分数和位错密度先升高后下降,适量W对细化马氏体板条有利。 （2）采用高温拉伸试验研究了Mo/W含量对试验钢315℃和500℃力学性能的影响规律及机理,结果表明:在315℃高温拉伸下,每增加1%Mo,试验钢抗拉强度提高36 MPa,屈服强度提高37 MPa。在500℃高温拉伸下,每增加1%Mo,试验钢抗拉强度提高48 MPa,屈服强度提高19 MPa。在315℃高温拉伸下,W含量增加,屈服强度升高;在500℃高温拉伸下,W含量增加抗拉强度提高,屈服强度先降低后提高。 （3）研究了Mo/W含量对试验钢500℃回火稳定性及组织演变的影响规律,结果表明:0Mo0.5W钢中,随保温时间延长,Fe3C相数量减少且尺寸减小,而M23C6相尺寸变大;4.6Mo0.5W钢和4.6Mo1W钢中随保温时间延长M2C相数量增多,而M23C6相尺寸变大。通过回火动力学分析,Mo使试验钢回火稳定性提高;在4.6Mo元素含量的添加下,W元素回火过程中析出相形核和长大机制影响不明显。 （4）基于低压脉冲渗碳试验,研究了Mo/W含量对渗碳组织、淬回火组织的影响规律,结果表明:Mo含量提高,促进更多M6C相产生,且残余奥氏体体积分数增加。渗碳试样残余奥氏体体积分数随W含量增多而增加。

关键词： 弧齿锥齿轮   轴承刚性   接触分析   齿面啮合力   振动特性  

摘要： 弧齿锥齿轮传动系统由于其运行稳定性及高承载性能在机械、船舶、运输等领域有着广泛运用场景。本文弧齿锥齿轮传动系统为研究对象,发展了其考虑轴承刚性的振动特性高效计算方法。首先,基于接触力学理论,建立了球轴承和圆柱滚子轴承结构刚度计算模型。其次,以弧齿锥齿轮齿面构型和TCA分析方法为基础,结合弹性半空间接触理论,发展了单齿及多齿啮合情况下轮齿接触激励的计算方法;最后,基于系统动力学分析理论,提出了考虑轴承刚性的弧齿锥齿轮传动系统振动计算模型。本文主要工作如下: (1)根据接触力学理论,基于滚动轴承结构,建立了球轴承和圆柱滚子轴承单体接触变形模型;结合多点接触变形协调必要条件,发展并验证了球轴承和圆柱滚子轴承刚度计算方法;分析了滚子参数、滚道参数以及联合载荷对轴承径向刚度影响规律。 (2)根据弧齿锥齿轮加工运动,建立了弧齿锥齿轮齿面方程模型;以弧齿锥齿轮齿面模型和齿面接触分析方法为基础,提出了弧齿锥齿轮单齿承载齿面接触分析算法;建立了弧齿锥齿轮多齿啮合变形协调模型,提出了其多齿啮合下激励及计算方法并完成实例验证。 (3)以计算力学为基础,构建了弧齿锥齿轮基础动力学分析模型;以铁木辛哥梁理论、轴承刚度计算模型和齿轮啮合激励模型为基础,发展了轴承、轴和弧齿锥齿轮的耦合分析方法;通过计算实例,估算了本文所提方法的计算效率,并分析了轴承刚性对齿轮节点、轴承节点动力响应等的影响规律。 本文面向弧齿锥齿轮传动系统高效计算分析的需求,发展了滚动轴承刚度及弧齿锥齿轮齿轮副啮合激励力快速计算方法,并以此为基础,将弧齿锥齿轮传动系统含接触的复杂动力学模型转化为较为简单的单轴动力学模型,实现了其振动特性的高效分析计算。本文研究成果有助于高性能弧齿锥齿轮传动系统高效开发,并为其进一步的迭代优化方法研究奠定了基础。

关键词： 齿轮油气润滑   正交实验   冷却效果   传动效率  

摘要： 齿轮作为机械传动中的重要元件，其润滑状态直接影响到传动效率和使用寿命。传统的浸油润滑方式存在搅流损失等问题，而油气润滑作为一种新型润滑方式，具有许多优势。本文采用正交实验法对齿轮油气润滑参数进行优化研究，旨在找到最佳的油气参数组合。通过实验，发现供气量是影响润滑效果的主要因素，需根据齿轮箱内腔体和进出气口尺寸进行选择。在阀值范围内，随着供油量的增加润滑效果显著，超越阀值后，润滑效果有限，需考虑油泵的供给能力。此外，齿轮转向和箱内结构决定喷油点位，但喷嘴距离影响较小，考虑到效率和安全问题，以适当放远为宜。相较于浸油润滑，油气润滑不仅可以避免搅流损失，提升传动效率，还具有优良的冷却性能，提升使用寿命。研究结果为实际应用中油气润滑参数的选择提供了参考。