关键词： 活性CeO2纳米微粒   齿轮油   摩擦学性能   吸附行为   配伍性能  

摘要： 润滑油在工业生产中不可或缺;纳米微粒具有独特的物理化学性质以及良好的减摩抗磨性能。但纳米微粒在润滑油中易团聚且与基础油的相容性不佳,这就需要使用表面活性剂对纳米微粒进行表面改性。目前大多数表面活性剂缺乏活性元素,不利于纳米微粒在摩擦表面的化学吸附。因此,有必要使用含活性基团的表面活性剂对纳米微粒进行表面改性,以改善其与基础油的相容性,增强其活性以及在金属摩擦表面的成膜能力,从而有效提升润滑油的摩擦学性能。稀土元素氧化物CeO2纳米微粒在工业中得到了广泛应用;其能有效提升润滑油的摩擦学性能。基于此,本论文利用原位表面修饰技术,使用含活性基团的表面活性剂合成了两种活性CeO2纳米微粒,研究了活性基团对纳米微粒吸附行为和摩擦学性能的影响,探究了其摩擦学机理;同时考察了其与齿轮油典型添加剂的配伍性能以及活性CeO2纳米微粒对成品齿轮油摩擦学性能的影响,以便为推动其在齿轮油中的应用积累实验数据。本论文主要研究内容及结论如下: （1）异辛酸和己二酸表面修饰CeO2纳米微粒的制备及摩擦学性能研究 以六水硝酸铈为原料,无水乙醇为溶剂,浓氨水为沉淀剂,异辛酸（EHA）和己二酸（AA）为表面活性剂,合成了活性EHA/AA-CeO2纳米微粒。采用X-射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）对合成的CeO2纳米微粒进行了结构表征,采用热分析系统（TG）评价了其热稳定性;并测定了其摩擦学性能。结果表明,活性EHA/AA-CeO2纳米微粒为立方晶型结构,平均粒径为2 nm,EHA和AA通过化学反应接枝在CeO2纳米微粒表面。其在AN5基础油中能稳定分散,且有良好的减摩抗磨效果,在添加质量分数为1.8%时摩擦学性能最佳;与纯AN5基础油对比,摩擦系数降低52.4%,磨损率降低95.7%,PB值提高8个等级。同不含活性基团的EHA-CeO2纳米微粒相比,EHA/AA-CeO2纳米微粒的摩擦学性能以及在金片表面的吸附性能均更优。这是因为其活性羧基有利于促进其在金属摩擦表面的吸附,且其可参与摩擦化学反应生成复合润滑保护膜。 （2）油酸二乙醇酰胺和己二酸修饰CeO2纳米微粒的制备及摩擦学性能研究 以六水硝酸铈为原料,无水乙醇为溶剂,浓氨水为沉淀剂,油酸二乙醇酰胺（ODEA）和己二酸（AA）为表面活性剂,合成了活性ODEA-AA-CeO2纳米微粒;采用XRD、TEM、FTIR表征了其结构,采用TG测试了其摩擦学性能。结果表明,合成的活性ODEA-AA-CeO2纳米微粒为立方晶型结构,平均粒径为3 nm;AA通过化学反应接枝在CeO2纳米微粒,ODEA通过化学反应连接在AA另一端的羧基上。其在AN5基础油中能够稳定分散,且有良好的减摩抗磨效果,在添加质量分数为0.6%时摩擦学性能最佳;对比纯AN5基础油,摩擦系数降低56.00%,磨损率降低92.27%,PB值提高8个等级。吸附行为测试表明,其能在金片表面形成粘弹性吸附膜。据此提出其减摩抗磨机理为:表面活性剂的酰胺键活性基团有利于促进CeO2纳米微粒在金属摩擦表面的沉积、吸附,而有机修饰剂的长链烷基有利于纳米微粒在润滑油中良好分散,从而促进金属摩擦表面润滑膜的形成。 （3）活性CeO2纳米微粒与齿轮油典型添加剂的配伍性能及应用研究 研究了两种活性CeO2纳米微粒分别与齿轮油典型添加剂硫代磷酸复酯胺盐（T307）、丁基异辛基磷酸十二胺盐（T308B）和硫化烯烃（T321）之间的配伍性能和竞争吸附行为,并进一步考察了两种活性CeO2纳米微粒对成品齿轮油摩擦学性能的影响。结果表明:EHA/AA-CeO2纳米微粒与T307配伍在AN5基础油中有着良好的协同摩擦学效应,相比纯AN5基础油,摩擦系数降低57.14%,磨损率降低96.72%,PB值提高12个等级;吸附行为测试表明,活性EHA/AA-CeO2纳米微粒与T307能在金片表面形成更厚的吸附层。ODEA-AA-CeO2纳米微粒与T321配伍在AN5基础油中有着良好的协同摩擦学效应,相比纯AN5基础油,摩擦系数降低47.62%,磨损率降低95.24%,PB值提高9个等级;吸附行为测试表明,活性ODEA-AA-CeO2纳米微粒与T321能够在金片表面形成更厚的吸附层。活性CeO2纳米微粒在长城CKD 320齿轮油中有着良好的减摩抗磨性能;在最佳添加质量分数时,含EHA/AA-CeO2纳米微粒的齿轮油润滑下的摩擦系数降低10.71%,磨损率降低42.55%,PB值提升至1118 N,PD值达3090;而含ODEA-AA-CeO2纳米微粒的齿轮油润滑下的摩擦系数降低1.79%,磨损率降低26.95%,PB值提升至1050 N,PD值保持3090 N不变。且两种活性CeO2纳米微粒添加到长城CKD 320齿轮油中,铜片腐蚀程度均为1

关键词： VH-CATT圆柱齿轮   齿面磨损   Archard磨损模型   有限元仿真   齿面闪温   球-盘磨损模型  

摘要： 变双曲圆弧齿线圆柱齿轮(VH-CATT圆柱齿轮)独特的轮齿形状使其拥有着广阔的工业前景。磨损作为齿轮常见的失效形式,影响着齿轮传动的精度与效率,而VH-CATT圆柱齿轮特殊的齿形结构使其传动界面磨损行为和演化规律更为复杂,因此明晰该齿轮磨损机理对其工业化应用至关重要。本文基于Archard磨损模型和等效接触模型,结合Hertz理论和弹流润滑理论,建立了干摩擦与润滑状态下齿面磨损数学模型,分析和讨论了不同接触状态下齿轮设计参数和工况参数对传动界面磨损的影响规律,并通过球-盘磨损试验验证了本文所建立磨损模型的有效性,研究结果可为该齿轮的抗磨增寿和性能改善提供理论基础。具体研究内容如下: (1)根据双刃大刀盘铣削成形原理,分析了VH-CATT圆柱齿轮齿形特征;基于齿轮啮合原理和坐标变化方法,建立了齿轮副工作齿面和过渡齿面数学模型;利用齿轮副几何运动关系与微分几何理论,求解了齿廓啮合点运动速度和综合曲率半径。 (2)根据有限元仿真方法获取了齿面法向接触力和接触压力,结合Hertz接触理论计算了齿面啮合点相对滑动距离;基于Archard磨损理论和主平面重合的椭圆等效接触模型,建立了干摩擦下传动界面磨损模型;分析了接触法向力、接触压力和磨损深度在齿面上的分布规律;通过揭示齿面接触力和磨损深度的耦合关系,研究了不同工况参数和设计参数对齿面磨损的影响规律。 (3)在弹流润滑理论的基础上,利用修正的Archard磨损模型,分别建立了边界润滑和混合润滑状态下齿面磨损模型,并引入膜厚比系数来判别啮合点所处于的润滑状态;探究了不同齿面粗糙度对润滑状态下齿面磨损模型中润滑参量的影响规律;分析了齿面磨损深度在不同设计参数和工况参数下的变化规律。 (4)进行试验设备的稳定性测试及摩擦系数测定,并将其应用于所建立的数学模型;基于前述齿面磨损数学模型,分别建立了干摩擦和润滑状态下的球-盘磨损数学模型;使用试验设备开展了干摩擦和润滑状态下球-盘磨损试验,对比分析了不同摩擦半径、载荷和循环次数下试验结果与理论结果,验证了本文所建立数学模型的可靠性。

关键词： 修形   啮合区   鼓形   渐开线  

摘要： 渐开线齿轮是机械传动过程中应用最广泛的基础零件，在传动过程中，往往是一个齿轮的顶尖先碰到另一个齿轮的齿面，而不是渐开线均匀啮合。在加工、安装与运行时，存在平行度误差、制造误差、温度变形等因素影响，均会引起实际齿距值的偏离，产生啮入干涉与啮合干涉的冲击，造成局部磨损，缩短使用寿命，并产生较大噪声。通过对齿廓渐开线进行修形设计，可使载荷均匀分布，提高使用性能。该文对渐开线圆柱齿轮修形方案进行分析，对修形方法和修行量进行简要计算。

关键词： 齿轮传动系统   齿轮不对中故障   时变啮合刚度   机电耦合   地铁  

摘要： 齿轮传动系统作为城市地铁列车扭矩传递的核心装备,对地铁列车的整体运行效率和安全性起到至关重要的作用。地铁列车实际运行过程中,受连续小半径弯道、齿轮生产制造误差以及复杂载荷下支撑系统变形等影响,轮轴轴线偏斜难以完全避免。由此与之相连的轮齿中心轴线出现不同程度偏离而发生轴线误差,致使产生齿轮不对中故障。发生故障后轮齿齿面呈现非均匀载荷分布,会加速齿轮失效和诱发安全事故,若事故严重甚至会酿成人员伤亡及巨额经济损失。传统的齿轮系统故障诊断主要利用振动加速度传感器采集信号并进行预处理,运用合适的算法提取故障特征,但受限于传感器成本较高和外界环境因素等影响。因此,将牵引电机作为监测齿轮系统运行状态的传感器,基于定子电流信号以实现对齿轮系统状态的实时监测与故障诊断,具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文将地铁牵引齿轮传动系统作为研究对象,基于电机与齿轮传动系统的相互作用机制,建立电机-齿轮系统机电耦合动力学模型。探究不同轴线误差对机电耦合动力学模型定子电流信号的影响规律,通过频谱分析得到不同情况下的定子电流频谱,阐明轴线误差对应的电流频谱特征,研究基于电流信号的齿轮不对中故障诊断方法。 本文主要研究内容如下: (1)建立斜齿轮副轴线误差模型,分析轴线误差下的斜齿轮啮合接触状态;将地铁斜齿轮沿齿宽方向切分为N份独立的“薄片”直齿轮,运用势能法计算“薄片”直齿轮啮合刚度,将所有“薄片”啮合刚度进行叠加得到单齿啮合刚度,再将不同时刻斜齿轮啮合刚度累加得到时变啮合刚度;计算轴线误差下的斜齿轮副时变啮合刚度,为后续研究齿轮不对中故障动力学提供参数依据。 (2)基于集中质量法和等效电路法,分别建立地铁多自由度齿轮动力学模型及电机动态数学模型;将电机电磁转矩作为中间纽带,结合齿轮动力学模型,建立电机-齿轮系统机电耦合动力学模型。 (3)对齿轮动力学模型进行动态特性分析,研究不同轴线误差对斜齿轮振动响应的影响规律;对电机-齿轮系统机电耦合动力学模型解析计算,分析不同轴线误差对定子电流信号的影响规律,阐明齿轮轴线误差对应的电流时频域响应特征。 (4)基于小波变换对轴线误差下的电流信号进行分解处理,有效地解决电流信号中时频域幅值调制现象,实现对地铁斜齿轮非侵入式不对中故障诊断。

关键词： 人字齿轮   胶合承载性能   齿面接触特性   对中误差   轴交角误差  

摘要： 人字齿轮凭借传动平稳、无轴向力、承载能力大等优点被广泛应用于船舶、风电、航空等领域的核心传动系统中,但高速重载的工作环境使得齿面热胶合成为人字齿轮传动系统的主要失效形式之一。同时,在人字齿轮传动系统中,制造和安装误差不可避免,其导致齿轮啮合极易出现偏载现象,进而加速齿面热胶合的发生,严重制约传动系统的服役寿命。目前针对于人字齿轮抗胶合承载能力的研究相对较少,且相关计算仍较为简化,忽略了多接触因素的耦合作用,同时人们对于齿轮齿面胶合机理与演变特性仍缺少规律性的认识。因此,本文以人字齿轮副为研究对象,基于热弹流润滑与传热学理论,耦合对中误差和轴交角误差影响作用,开展以下研究: (1)构建出人字齿轮等效啮合模型,对人字齿轮接触线长度、齿面载荷分布以及相对滑动速度进行计算,结合混合热弹流润滑理论,推导构建人字齿轮混合热弹流润滑模型,分析人字齿轮齿面接触特性。 (2)推导计算混合接触下人字齿轮齿面摩擦热流密度;结合传热学理论,分析人字齿轮不同齿面的对流换热系数与边界条件,得到人字齿轮本体温度场;通过混合热弹流润滑模型与热传导模型的耦合迭代,以油膜厚度比和最大接触温度为判定依据,提出基于热弹流润滑的人字齿轮抗胶合承载计算方法,设计人字齿轮胶合等效试验,分析齿面胶合演变规律并验证模型正确性。 (3)对传统胶合试验参数进行合理改进,通过所提胶合模型分析人字齿轮胶合承载性能及参数演变规律,探讨不同因素对于齿轮胶合承载性能的影响,并将仿真模型与ISO计算方法对比分析,验证模型正确性。 (4)结合接触面弹簧等效思想和非赫兹接触理论,分析对中误差和轴交角误差下的齿面接触特性,推导含误差的人字齿轮齿面摩擦热流密度计算公式,提出对中与轴交角误差下的人字齿轮抗胶合承载计算方法。探讨对中误差和轴交角误差对于人字齿轮胶合的影响作用,结果表明随着误差值的增大,人字齿轮啮合偏载现象明显,温度和膜厚等参数分布发生偏移,加速了齿面胶合失效的出现。

关键词： 带状组织   元素配分和界面迁移   热变形   晶界类型   体扩散和界面扩散  

摘要： 齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。低碳齿轮钢中带状组织的存在不仅造成齿轮热处理变形,还会导致齿轮在使用过程中提前疲劳失效。带状组织的形成根源是铸坯凝固过程中产生的枝晶偏析,但是连铸生产过程枝晶偏析的产生难以避免且无法消除。如何在热轧工序减轻或消除齿轮钢的带状组织是齿轮钢棒材生产的难点,并且目前对齿轮钢热轧后带状组织的形成机理研究还不系统。为此,本文以不同成分的低碳齿轮钢为研究对象,针对带状组织难以消除的问题,采用实验研究和数值模拟计算相结合的方法,探究合金元素和热轧工艺对齿轮钢组织、相变的影响,研究带状组织演变机理,剖析带状组织的调控机制,为解决齿轮钢中的带状组织缺陷提供理论指导和科学依据。主要研究工作和结论如下: 首先,对于带状组织形成过程中合金元素的作用,本文详细研究了合金元素对铁素体相变温度以及铁素体/奥氏体(α/γ)界面迁移的影响规律,探究了合金元素对齿轮钢带状组织的影响机理。基于相变热力学和界面动力学模型,通过Thermo-Calc和DICTRA计算发现Cr、Mn、Ni元素的添加,能够降低铁素体平衡相变温度(Ae3)和抑制α/γ界面迁移;Si、Mo元素的添加,能够提高铁素体平衡相变温度和促进α/γ界面迁移。通过对20CrNiMo、22CrMo和20CrMnTi齿轮钢中合金元素的含量及分布的分析表明,一方面,Cr、Mn元素在铸坯中贫、富溶质区的偏析程度在22CrMo齿轮钢中最大,MATLAB计算知,合金元素偏析的差异导致22CrMo齿轮钢贫、富溶质区的铁素体相变开始温度(Ar3)的差值(ΔAr3)和贫溶质区的铁素体相变区间(铁素体和珠光体相变开始温度之间的范围,Ar3～Ar1)最大;另一方面,Si、Mo元素在22CrMo齿轮钢铸坯贫溶质区的含量最高,这使得其贫溶质区铁素体相变过程α/γ界面迁移速度最快。由DICTRA计算知,当贫溶质区铁素体相变结束时,α/γ界面迁移距离从大到小依次为:22CrMo、20CrNiMo、20CrMnTi。数值模拟计算得出当贫溶质区的铁素体相变量低于临界值时可以抑制带状组织产生。实验证实22CrMo、20CrNiMo和20CrMnTi消除带状组织的临界奥氏体平均晶粒尺寸分别为35 μm、32 μm和23 μm,满足铁素体相变量低于65%的要求。 然后,详细研究了铸坯原始偏析和加热工艺对20CrMnTi齿轮钢中带状组织的影响规律。实验观察和MATLAB计算发现随着从铸坯心部到边部的变化或加热温度的提高和加热时间的延长,Cr、Mn等元素的偏析程度降低,贫、富溶质区的铁素体平衡相变温度差值逐渐降低,带状组织逐渐减弱甚至消失,硬度分布逐渐均匀。微观组织观察及成分分析表明当奥氏体平均晶粒尺寸小于元素偏析带宽度时也能消除相变后的带状组织。得出了只要2℃rMnTi齿轮钢贫、富溶质区铁素体平衡相变温差不高于临界值14℃就可消除带状组织的结论。 其次,深入探讨了冷却速度对齿轮钢相变和带状组织的影响规律。实验观察发现冷却速度影响齿轮钢带状组织的类型和级别。微观组织演变分析表明,当冷却速度不高于0.55℃/s时,2℃rMnTi齿轮钢相变后出现铁素体-珠光体带状组织,且随着冷却速度的增加,带状组织级别逐渐降低至消失;当冷却速度高于0.55℃/s且继续增加时,样品中逐渐出现贝氏体和马氏体带状组织。MATLAB计算表明当冷却速度从0.07℃/s增加至1℃/s时,在从贫溶质区铁素体开始相变到富溶质区铁素体开始相变的温度区间内,贫溶质区的铁素体相变时间逐渐缩短,并且贫溶质区的C元素扩散距离逐渐减小。基于组织观察和理论计算得出,当C元素扩散距离小于富溶质区偏析带宽度的一半时带状组织消失。 最后,利用Gleeble热模拟实验,研究了 2℃rMnTi齿轮钢不同的变形工艺条件下奥氏体再结晶、晶粒长大及晶界类型的演变,深入探讨了奥氏体晶粒尺寸和晶界类型对齿轮钢中带状组织的影响机理。通过在950℃、750℃变形和950℃变形后保温的热模拟实验,发现热变形后奥氏体的特殊晶界中Σ3晶界的占比较高;较低的变形量使奥氏体再结晶被抑制、变形后较长的保温时间使奥氏体发生晶粒长大,这均使得奥氏体平均晶粒尺寸增大,Σ3晶界占比升高。第一性原理计算表明,在FCC相中,与体扩散相比,C元素在Σ3晶界中扩散需要克服的能垒为4.53 eV,扩散更难。结合实验分析和理论计算,揭示出较大的奥氏体平均晶粒尺寸导致齿轮钢贫溶质区的铁素体形核点减少,长大的铁素体难以碰撞连接成片;较高占比的Σ3晶界可以在铁素体相变时抑制C元素从贫溶质区向富溶质区的扩散,减少了C元素在富溶质区的富集,使得富溶质区的铁素体相变提前,因此带状组织被抑制。 本研究中揭示的微观组织演变规律和带状组织控制机理为热轧过程消除带状组织提供了关键技术。已经应用于2℃rNiMo、22

关键词： 直齿轮传动   轮齿破损   非线性动力学   多状态啮合-碰撞   接触力  

摘要： 齿轮传动设计用于复杂环境及工况工作数十年,在其运行期间出现轮齿故障是不可避免的,轮齿破损或折断作为齿轮失效的主要形式之一,对传动系统的健康、稳定运行有重要影响。故障轮齿不仅影响齿轮副的啮合状态,而且易诱发齿背碰撞行为。本文考虑轮齿瞬时接触特征,建立齿轮副啮合-碰撞物理模型,讨论轮齿破损下齿轮系统运动状态与时变啮合因子变化规律;基于齿轮副接触状态和受力环境建立齿轮系统多状态啮合-碰撞动力学模型;分析轮齿破损下系统接触力演化规律及混沌、分岔特性,建立有限元模型,验证轮齿破损下系统承载能力变化规律。研究结果为齿轮系统参数设计和故障预测提供理论参考。主要内容如下: 基于齿轮啮合原理和连续碰撞接触力模型,考虑轮齿接触的瞬时性,建立齿轮副简化的啮合碰撞物理模型。讨论轮齿破损对齿轮副交替运动规律的影响,对轮齿破损下多状态啮合-碰撞行为进行分类,讨论轮齿破损对齿轮系统啮合刚度和载荷分配的影响特征。结果表明,轮齿破损影响局部啮合行为,减小局部刚度、降低承载能力,为轮齿破损下齿轮系统动力学建模与分析奠定基础。 基于多状态啮合-碰撞行为与时变啮合因子,考虑齿背接触的瞬时特性,根据齿轮啮合原理、牛顿第二定律、接触碰撞理论及齿轮副受力环境,建立齿轮副啮合-碰撞扭转振动方程,并对动力学方程进行无量纲处理,得到轮齿破损下渐开线直齿轮系统多状态啮合-碰撞离散动力学模型,为轮齿破损下齿轮系统啮合-碰撞特性分析提供动力学模型。 通过四阶变步长Runge-Kutta法求解动力学方程,定义不同的Poincaré映射截面,分析轮齿破损下接触力变化机理,研究随系统参数变化下破损齿轮系统啮合-碰撞及分岔特性,建立轮齿破损下齿轮系统有限元模型,对比分析等效应力分布情况。研究发现,轮齿破损影响接触力演化规律,降低齿轮局部承载能力;较小啮合频率诱发齿背碰撞行为;较小载荷诱发多吸引子共存现象,加剧系统运动的复杂性,较大载荷抑制齿背碰撞;较小误差系数抑制齿背碰撞行为,随着误差系数增大,系统逐渐出现脱啮、齿背碰撞等,系统复杂性逐渐增加;轮齿破损下齿轮系统等效应力增大,局部承载能力降低,齿根处应力集中。选择合理的参数范围能够一定程度避免系统发生齿背碰撞,降低轮齿破损对齿轮系统的影响。