关键词： 正交弧线齿面齿轮   接触特性   瞬时温升   有限元分析  

摘要： 正交弧线齿面齿轮副是一种新型的面齿轮传动机构,具有传动比大、便于减重、扭矩分流效果好等优点。本文对正交弧线齿面齿轮副传动的接触特性和瞬态温度场展开了相关研究,对如何更好地改善弧线齿面齿轮副的传动性能和降低齿面啮合时的瞬时温度有一定的参考意义。主要研究内容如下:1.结合微分几何、齿面啮合定律和坐标变换,对正交弧线齿面齿轮副的齿面生成进行了推导。以避免顶尖和根切确定了弧线齿面齿轮的最大齿宽。借助MATLAB编程计算构建了齿轮副轮齿的齿面点集,并导入CATIA建模软件建立了精确的齿轮副三维模型。2.分析了弧线齿面齿轮点接触的啮合原理,并以此为基础建立了考虑安装误差下的齿轮副传动坐标系,推导并化简考虑安装误差下的齿面啮合方程组。通过MATLAB数学计算研究了改变相关性能参数对齿轮副啮合轨迹的影响,发现:改变小齿轮齿数对齿轮副的啮合轨迹无明显影响;减小齿轮副的压力角,啮合轨迹会向面齿轮的内径方向偏移。分析了齿面曲率的求解原理并求解了弧线齿面齿轮副齿面的主曲率和主方向。对齿轮副的齿面相对速度和接触应力计算方法进行了推导,为后续瞬态温度场的分析奠定基础。3.对热量传递的三种方式即热传导、热对流、热辐射进行了分析,并以此对弧线齿面齿轮副的齿面瞬时温升计算进行了推导,根据理论模型初步分析了相关参数对齿面瞬时温升的影响。通过经验公式讨论了齿轮副啮合面的对流换热系数和动摩擦因数的取值。4.介绍了弧线齿面齿轮副瞬态温度场分析的有限元原理;通过Hyper Mesh进行网格划分以提升网格质量,再导入ABAQUS进行有限元前处理并求解,对比显示理论计算结果与ABAQUS仿真结果在适当误差范围。通过有限元仿真得出:啮合点的瞬态温度场分布近似为椭圆,温度值由椭圆中心往外递减;对齿轮副分别施加扭矩1KN·m、1.5KN·m、2KN·m,面齿轮齿面最大瞬时温度的啮合点处于齿顶附近,温度值分别为53.37℃、64.81℃、78.62℃;在同一扭矩下啮合点的瞬时温度从齿顶往齿根方向先减小后增大;施加的扭矩越大,啮合轨迹上啮合点的温度变化会越剧烈;在施加1.5KN·m扭矩的条件下,调整齿轮压力角分别为22.5°、25°和27.5°,啮合轨迹上最大瞬时温度分别为68.51℃、64.81℃、62.70℃,可见改变压力角可以起到调节齿面瞬时温度的效果。

关键词： 行星传动系统   齿轮   滚动轴承   多点最优最小熵解卷积   快速谱相关   自适应频带划分  

摘要： 行星传动系统作为机械设备中常用的传动方式之一,齿轮和滚动轴承作为行星传动系统的关键零部件,其正常平稳运转是机械设备安全有效运行的前提。工程实际中行星传动系统工作环境通常较恶劣,运行工况复杂,导致齿轮和滚动轴承容易发生点蚀、磨损及脱落等局部故障。若局部故障出现后未及时发现,可能导致机械设备的失效,严重时造成经济损失和人员伤亡。因此,有效的故障特征提取方法对保障机械设备安全运转具有重要意义。基于振动信号的故障特征提取是故障诊断研究的主要方向之一,其在行星传动系统局部故障特征提取时存在故障信息微弱、时变传递路径和信号耦合严重等难点。编码器信号无时变传递路径、等角度采样、采样不受频率下限影响等优点,可在一定程度上解决上述振动信号提取故障特征的难题。因此,开展基于编码器信号的故障特征提取研究具有切实的理论意义和潜在的实际应用前景。针对多点最优最小熵解卷积技术滤波器长度依赖工程经验的不足,提出了一种基于改进自适应多点最优最小熵解卷积的太阳轮故障检测方法。首先基于编码器信号传递路径短、与动力学直接相关的优势,结合传动参数,计算得到故障特征周期,确定故障周期搜索区间及步长。然后以谱负熵最大化原则为适应度函数,自适应确定多点最优最小熵解卷积优化滤波器长度,提取了行星传动系统太阳轮齿根裂纹故障特征。针对滚动轴承外圈故障提取时优化解调频带选择的不足,提出了一种基于编码器信号诊断特征指标的谱相关优化解调频带选取算法。首先利用向前差分法估计编码器信号获得瞬时角速度信号,并利用快速谱相关分析得到瞬时角速度信号的双变量谱。再依据给定的初始子频带带宽划分双变量谱,分别计算各子频带的改进包络谱,并计算各子频带的改进包络谱诊断特征指标获得诊断特征曲线。然后通过评价诊断特征指标数值合并子频带得到优化解调频带。最后利用包络分析提取滚动轴承故障特征阶次。通过对仿真信号和实验台实测数据分析,验证了所提方法的有效性,为解决振动检测受限场合的齿轮和滚动轴承故障诊断提供了参考。

关键词： 小模数齿轮   金属注射成形   烧结收缩   微结构  

摘要： 传统机加工制造的小模数齿轮性能好,但大规模制造生产成本高。金属注射成形(Metal Injection Molding,MIM)技术结合了塑料注射成形和粉末冶金的优势,适用于三维形状复杂的小型金属零部件的大规模生产。本文针对小模数齿轮大规模制造成本高、成形精度与烧结变形控制困难等问题,以Fe-4Ni-0.8Mo-0.6C合金粉末和聚甲醛基粘结剂为原料,采用MIM技术制备了模数为0.45的小模数齿轮,主要研究内容和结果如下:(1)研究了粉末装载量对喂料流变性能、小模数齿轮成形一致性与组织性能演变规律的影响。随着粉末装载量的提高,烧结齿轮密度逐渐增大,孔隙率降低,烧结试样的抗拉强度、屈服强度和硬度随粉末装载量的提高先增大后减小。58 vol.%粉末装载量喂料具有良好的流变性能和成形性,其烧结试样具有最优力学性能,抗拉强度和屈服强度分别为1898 MPa和1297 MPa,硬度达674 HV。因此,将58 vol.%粉末装载量喂料用于后续小模数齿轮制造过程中。(2)研究了模具温度、注射压力和注射速度对小模数齿轮成形一致性和成形缺陷的影响。其中模具温度对生坯质量有显著影响,低模具温度易产生熔接痕,高注射压力和注射速度易产生喷射和飞边。正交实验结果确定注射温度为190℃、模具温度为120℃、注射压力为110 MPa及注射速度为35 mm/s时的注射效果最佳。(3)研究了烧结温度对小模数齿轮显微结构的演变规律。随着烧结温度升高,小模数齿轮平均晶粒尺寸逐渐增大。1200～1320℃烧结时,平均晶粒尺寸从29.4μm增大到45.2μm,1360℃烧结时,晶粒异常长大,平均晶粒尺寸为142.7μm。不同烧结温度下小模数齿轮组织均由铁素体与片层状珠光体和针状马氏体组成。随着烧结温度升高,珠光体和铁素体减少,马氏体逐渐占据主导地位。(4)研究了烧结温度对小模数齿轮性能的影响。随着烧结温度升高,烧结齿轮密度先增大后减小,孔隙率先减小后增大,烧结温度为1320℃时,烧结齿轮致密度最高,达97.6%;小模数齿轮在烧结过程中表现各向同性收缩行为,平均线性收缩率为17.3±0.2%,具有良好的收缩一致性和形状保持性;随着烧结温度升高,烧结试样强度和硬度先增大后减小,在1320℃时力学性能最优,抗拉强度和硬度分别为2034 MPa和709 HV。图63幅,表18个,参考文献119篇

关键词： 风力发电机   齿轮箱   圆锥滚子轴承   热效应   动力学特性  

摘要： 增速齿轮箱是风力发电机中重要的机械结构之一，滚动轴承是增速齿轮箱里十分关键的支撑零部件。轴承的工作性能与使用寿命直接影响增速齿轮箱的工作性能、安全性以及可靠性。新疆达坂城多风多沙，齿轮箱在高速高负载风沙大环境温度高的工况条件下，导致轴承的温度过高，从而导致轴承磨损失效。对齿轮箱轴承进行温度研究、运动研究与实验研究，具有重大的科学意义和工程实践意义。本文以风力发电机齿轮箱输出轴的圆锥滚子轴承为研究对象，开展了圆锥滚子轴承热特性以及热特性下的轴承刚度、阻尼以及运动分析。主要工作如下:　　(1)第一部分为计算轴承的温度:根据轴承的型号选择摩擦系数，通过轴承分布摩擦热公式得到了轴承在特定转速负载下的摩擦生热量。在对轴承、轴、轴承座的结构分析下，制定了轴承结构化的热网络节点;通过对节点之间的结构特性、材料特性，计算得到了节点之间的热阻。通过Harris热对流公式，分别计算了轴承座、轴承外圈、滚子以及轴的热对流系数;利用编程搭建了轴承结构下的热平衡方程，计算获得节点的温度变化。搭建了轴承、轴、轴承座的有限元，仿真模拟轴承的温度变化，得到了有限元法下轴承温度变化。搭建了小轴承实验平台，用测量小轴承的温度数据以及达坂城风力发电机实测数据，分别与热网络法、有限元法计算的小轴承、风电齿轮箱轴承温度对比，验证了两个方法在计算轴承温度上的有效性。　　(2)第二部分为圆锥滚子轴承考虑热特性下的接触特性分析:通过分析圆锥滚子轴承不同方位的变形得到了不同方位角承受的载荷。分析了滚子在三个接触区域的相对速度与卷吸速度。计算了轴承的热变形以及应力变形，联合内外圈承受的载荷计算得到了轴承在考虑热效应下的结构刚度。分别计算了点接触、线接触下的轴承三个接触区域的油膜厚度以及油膜刚度。使用了广义雷诺方程计算了滚子三个接触区域入口区的油膜刚度以及阻尼。轴承的刚度阻尼为所有滚子与三个接触区域的刚度阻尼和，计算了不同工况条件下轴承的接触特性分析。　　(3)第三部分为圆锥滚子轴承的运动特性分析:分析了轴承内外圈的受力，并且在第二部分的基础上，将计算的刚度与阻尼带入到动力学方程里，分析了不同工况条件下的轴承内外圈的径向加速度以及位移。

关键词： 面齿轮传动   点接触   载荷分配率   啮合刚度   啮合冲击  

摘要： 面齿轮传动具有在高传动比下显著降低传动系统重量和体积的优势,因此有较高研究价值及良好应用前景,已应用于航空航天领域的高端装备中,对其啮合过程的深入研究对提升我国齿轮传动设计水平有显著意义。正交直齿面齿轮是最基本的面齿轮,其精细化研究为研发更高性能面齿轮传动提供基础。现阶段,缺少易使用的面齿轮根切和顶切参数计算式;尚无点接触下面齿轮传动重合度、载荷分配率及啮合刚度计算模型,齿间交替啮合冲击模型尚未建立。针对以上不足,本学位论文从啮合原理出发,推导面齿轮的根切和顶切参数条件,提出点接触面齿轮传动啮合特性参数模型和基于能量法的交替啮合冲击动力学模型。本研究为正交直齿面齿轮传动的工程应用提供设计依据和理论参考,主要内容如下: 首先,基于啮合原理推导插齿刀和面齿轮齿面方程,得到齿面上接触线分布及其中点的移动轨迹。构建计算根切和顶切临界半径的数值迭代方程和显式拟合方程。建立正交直齿面齿轮传动啮合方程组,对其求解得到啮合点空间轨迹、齿面轨迹和啮合点半径。实现点接触而引入的齿数差对啮合点轨迹的影响较小。 其次,根据齿面的生成与啮合过程,提出面齿轮传动的线接触和点接触重合度计算方法。根据重合度明确面齿轮传动的交替啮合发生位置和齿面上的交替啮合区间。啮合点处的接触椭圆离心率和局部接触刚度随转动分别减小和增大。提出面齿轮传动的线接触和点接触轮齿刚度模型。当线接触调整为点接触后,面齿轮传动的轮齿刚度显著降低。建立点接触面齿轮传动载荷分配率与啮合刚度模型。载荷分配率受啮合点处齿面误差影响较大,受啮合力影响较小。各啮合齿对在经过交替啮合位置时均会发生刚度突变,这是啮合冲击的诱因之一。 最终,在明确交替啮合位置处的载荷分配率和啮合刚度后,根据能量转化关系构建面齿轮传动啮合冲击过程的机械能变化、输入输出能变化和能量损失表征方程。基于能量守恒定律建立以瞬态冲击力表征的点接触面齿轮传动啮合冲击动力学模型。在考虑传动系统的输入输出能量后,啮合冲击力的峰值变化不大,但从冲击发生时刻到啮合力峰值所需时间大幅延长。

关键词： 列车驱动齿轮箱   瞬态特性   有限元仿真   多目标拓扑优化  

摘要： 齿轨铁路是用于地势起伏较大的登山铁路,在国内目前处于开发设计阶段,对于齿轨列车驱动系统研发还不够成熟;由于列车运行线路坡度较大,传递扭矩大,极易造成驱动齿轮箱较大的振动变形和齿轮对啮合性能的恶化,同时箱体在内部齿轮传动系统激励下振动较为复杂,易发生共振的情况;从而导致箱体出现裂纹和故障、齿轮对出现齿面磨损和胶合等问题,影响到整个列车运行的安全性。因此对列车驱动齿轮箱进行瞬态特性分析,确保驱动齿轮箱具有良好的瞬态特性,为列车驱动齿轮箱结构设计提供参考,具有一定的实际工程意义和理论价值。本文以某型号列车驱动齿轮箱为研究对象,采用有限元分析方法在确保齿轮传动系统具有良好瞬态啮合特性的基础上,对列车驱动齿轮箱的瞬态特性及其结构性能优化开展了研究。(1)齿轮副啮合传动的精准建模是整个分析研究的基础,选取了其中的一对斜齿轮副作为验证模型,通过瞬态动力学分析从转矩、转速加载校核验证了齿轮副运动输入和传递的精准性,从瞬态仿真结果分析校核验证了齿轮副啮合传动建模的精准性和运用有限元法对齿轮副进行瞬态啮合仿真的可靠性。(2)将齿轮传动系统分为斜齿轮组和直齿轮组,通过瞬态特性分析评价了齿轮副的啮合性能,斜齿轮组各齿轮副啮合性能良好,而直齿轮组由于未考虑修形和侧隙等参数齿轮对出现了脱啮的情况,因此探究了修形和侧隙对直齿轮对啮合性能的影响,最终确定了直齿轮对的最佳修形值为30μm,齿侧间隙值为0.24mm;在此基础上分析了齿轮传动系统瞬态特性,并探究了轴承对其啮合性能的影响;结果表明:轴承不影响齿轮传动系统的正常啮合,各齿轮副都具有良好的瞬态啮合性能,为后续研究奠定了基础。(3)对箱体进行瞬态动力学分析和约束模态分析,从箱体的强度性能、刚度性能、齿轮对啮合性能及模态性能等方面进行了分析评价。结果表明:箱体变形较大,最大位移变形达1.13mm,侧箱体上轴承座孔和轴孔中心点振动位移都达到了0.5mm以上;箱体较大的振动位移对齿轮对啮合性能造成了恶劣的影响,使得齿轮对啮合力波动量增大了93.02%,啮合性能较差;同时箱体第5阶模态频率值432.56Hz和第9阶模态频率值568.50Hz与齿轮传动系统存在共振的可能性;由此反映出箱体需要进行结构优化的必要性。(4)基于变密度法和折衷规划法对箱体进行综合考虑刚度和频率的多目标拓扑优化分析,根据优化结果重新建立箱体有限元模型并进行瞬态动力学仿真分析和箱体性能分析,从强度性能、刚度性能、齿轮对啮合性能及模态性能等几个方面进行对比分析评价优化的效果。根据结果表明,优化后箱体的各方面性能都有较为显著的提升,箱体最大位移变形降低了50.44%,侧箱体上各轴承座孔和轴孔中心点振动位移降幅都达到了40%以上,优化后实际位移工况下齿轮对的啮合性能变好,其啮合力波动量降低了34.74%,且通过模态分析优化后箱体前10阶频率值均有提升,并且避开了与齿轮传动系统发生共振的频率值;总体来说,箱体振动减小,具有良好的瞬态性能,达到了优化的目的。

关键词： 潜油电泵   齿轮轴   断裂   磨损   抗失效   策略  

摘要： 齿轮轴是潜油电泵传动轴系中的关键部件之一,工作在地下几百米甚至几千米的位置。若在服役期出现故障,需打捞维修,会给企业造成人力物力的损失。齿轮轴所在的传动轴系属于细长串联轴系,在传递扭矩的同时会因联轴器不对中等因素造成偏摆而承受弯矩,工况复杂,因此开展潜油电泵齿轮轴的失效分析对预防类似故障发生具有重要的意义。本文研究对象为杭州某企业的潜油电泵采油系统,该系统的齿轮轴在实际运行时多次出现断裂以及轮齿磨损失效情况,受企业委托开展齿轮轴失效分析与改进技术研究,主要研究工作与结论如下:(1)开展了断裂失效理论分析、断口形貌分析、化学成分检测、力学性能测试、金相分析研究工作,结果表明齿轮轴的材质符合要求,但抗拉强度、屈服强度、抗扭强度偏低,结合金相分析结果与断口形貌分析结果,确定齿轮轴断裂是表面裂纹在交变载荷作用下产生的疲劳断裂。(2)考虑细长串联轴系运动的特点,综合运用ANSYS与Dy Ro Bes软件对齿轮轴进行了结构应力和扭应力分析,结果显示齿轮轴在键槽位置存在应力集中现象,是齿轮轴的薄弱位置。通过ANSYS疲劳寿命仿真分析得出齿轮轴在键槽处的疲劳强度不足,发生疲劳断裂。(3)考虑齿轮轴与接合套三维接触问题,建立了齿轮轴与接合套的非线性有限元模型。有限元分析结果表明,齿轮最大应力发生在靠近齿顶位置处,与失效部件的发生部位相吻合;将齿轮轴与结合套由不同材料改为相同的材料能够使齿轮轴齿轮处的最大应力下降24.67%;将齿顶倒R0.15mm,齿根倒R0.5mm的圆弧设计可使齿轮齿廓方向的峰值应力位置由接近齿顶位置向下移动,同时可以使齿廓上的最大应力下降8.36%,齿根部位的最大应力下降13.68%,是减小齿轮应力集中,改善齿轮磨损失效的有效途径。(4)针对试验检验出齿轮轴材料力学性能偏低提出了调质热处理工艺方案并通过试验加以验证,结果表明合理的热处理工艺方案能使材料的力学性能满足使用要求;针对齿轮轴疲劳断裂失效提出了材料优选与使用花键连接的方式来提高齿轮轴疲劳寿命,数值模拟分析与工程验证的结果表明,更换花键连接后,齿轮轴的疲劳寿命与安全系数均满足设计要求,潜油电泵机组稳定运行,未出现齿轮轴失效故障。图80幅,表15个,公式21个,参考文献89篇。

关键词： 面齿轮   齿面建模   磨削仿真   数控程序   试验验证  

摘要： 面齿轮传动是一种新型的交错轴传动形式,与锥齿轮传动相比具有众多优点:与面齿轮啮合的小齿轮为圆柱齿轮,无轴向载荷,可以简化支撑结构,降低传动系统重量;面齿轮传动性能对小齿轮轴向安装误差不敏感,无需防错位设计;面齿轮传动重合度大、传动平稳。因此,面齿轮可以替代锥齿轮成为下一代飞行器传动系统的关键零件。面齿轮加工方法主要包括滚齿、插齿、磨齿等,其中磨齿作为精加工工序将直接决定齿面精度与质量。国外目前已掌握面齿轮高效精密磨削工艺技术,并已成功将面齿轮应用于阿帕奇直升机主减速器,但国外对我国实行严格的技术封锁。国内高校/企业对面齿轮的设计方法及成形原理等进行了理论研究,但对面齿轮专用加工装备及加工试验研究尚不深入,导致面齿轮加工精度与精度一致性差,限制了面齿轮的实际应用。鉴于此,本文开展基于蜗杆砂轮磨削的面齿轮齿面建模、加工仿真、数控程序开发、磨削试验等研究,具体内容如下:(1)基于蜗杆砂轮磨削原理的面齿轮齿面建模。根据面齿轮蜗杆砂轮磨削原理,依次推导虚拟插齿刀齿面方程、金刚滚轮齿面方程、蜗杆砂轮齿面方程以及面齿轮齿面方程,并进行三维实体建模。(2)面齿轮蜗杆砂轮磨削仿真。建立面齿轮蜗杆砂轮磨齿机、工件齿轮及刀具模型,计算面齿轮蜗杆砂轮磨齿机床运动轴联动关系,建立面齿轮磨齿仿真模型,对比仿真结果与理论模型,验证面齿轮齿面模型及机床联动关系。(3)面齿轮蜗杆砂轮磨削数控程序开发。基于西门子840Dsl数控系统,开发蜗杆砂轮修整、自动对刀及面齿轮磨齿等功能的数控程序及人机操作界面,实现面齿轮蜗杆砂轮磨齿。(4)面齿轮加工试验验证。改造YS7232圆柱齿轮蜗杆砂轮磨齿机的外支架、喷嘴、小托座等硬件结构,开展面齿轮磨削试验,分析磨后齿面误差,验证面齿轮齿面模型的准确性及蜗杆砂轮磨齿方法的有效性。

关键词： 弹流润滑   粗糙形貌   摩擦系数   直齿轮  

摘要： 齿轮是机械设备中传递动力的核心部件,良好的润滑状态是保障齿轮传动系统正常运行的必要条件。齿轮经过不同的加工方式会形成不同的表面形貌,并不是理想的光滑表面,从微观角度来看,粗糙度对齿轮润滑状况影响显著。当齿轮工作在高速重载等恶劣工况条件下,并且齿轮表面加工精度比较低时,齿轮啮合点处的粗糙峰可能刺穿油膜,导致齿面直接发生接触,将造成齿面磨损及胶合等问题,进而影响机械设备的可靠性和使用寿命。因此,精确建立齿轮表面真实粗糙度形貌模型,探究微观形貌对齿轮润滑特性的影响规律具有重要的工程意义。针对上述问题,本文建立了综合考虑粗糙度效应和非牛顿流体效应的三维齿轮局部弹流润滑仿真模型,开发了参数化粗糙度建模程序,计算了不同影响因素下光滑表面与粗糙表面的润滑特性参数,揭示了齿轮啮合点处润滑特性参数与影响因素之间的变化规律,探寻出不同粗糙表面下齿轮啮合点处的最佳油气比。主要研究工作与结论如下:(1)齿轮光滑界面弹流润滑建模与齿轮表面粗糙度测量。根据直齿轮啮合原理,基于有限元仿真软件ADINA建立了三维齿轮局部弹流润滑仿真模型,然后,利用三维光学形貌仪测量了两种齿轮表面的粗糙度形貌,最后,根据建立的有限元仿真模型,利用MATLAB软件编程处理粗糙度样本数据,形成了能反映真实粗糙表面形貌的粗糙度模型。(2)齿轮接触界面真实粗糙形貌弹流仿真建模与仿真方法验证。探索出了含真实粗糙表面的流固耦合仿真建模方法,并基于有限元仿真软件ADINA的二次开发接口和MATLAB APP Designer设计平台编写了参数化流体材料二次开发和粗糙度建模程序。之后,通过线接触油膜厚度经验公式,对比仿真与经验公式计算的油膜厚度,结果表明:最大误差在10%左右,并且仿真计算的最小膜厚约为中心膜厚的0.7倍,保证了本文仿真方法的准确性。最后,验证了初始油膜厚度对仿真计算结果没有影响。(3)齿轮光滑表面润滑特性的参数影响研究。以齿轮啮出点为研究对象,分析了不同单位线载荷、滑滚比、卷吸速度和油气比对齿轮啮合点处润滑特性的影响。研究得出:当单位线载荷从100N/mm增大到400N/mm时,摩擦系数从0.0082增大到0.0184;当滑滚比由0.1增大到0.9时,摩擦系数从0.0063增大到0.0271;由于不同卷吸速度下,设定滑滚比都为0.3,所以当卷吸速度从10m/s增大到30m/s时,摩擦系数从0.0124增大到0.0167;当油气比从0.4增大到1时,摩擦系数从0.0325减小到0.0169。(4)以齿轮啮出点为研究对象,研究了不同单位线载荷和滑滚比对粗糙齿面润滑特性的影响,并对比分析了粗糙表面和光滑表面、不同粗糙表面之间的润滑性能。研究得出:当单位线载荷从200N/mm增大到400N/mm,A-A粗糙表面和B-B粗糙表面下的摩擦系数相对光滑表面最大增幅分别为115.8%和126.3%,B-B粗糙表面相对A-A粗糙表面的油膜承载系数最大降幅为3.4%;当滑滚比从0.1增大到0.5时,A-A粗糙表面和B-B粗糙表面下的摩擦系数相对光滑表面最大增幅分别为266.7%和282.5%,B-B粗糙表面相对A-A粗糙表面的油膜承载系数最大降幅为3.1%。(5)研究了不同油气比对粗糙齿面润滑特性的影响,对比分析了粗糙表面和光滑表面、不同粗糙表面之间的润滑性能,并针对不同粗糙表面下的润滑情况提出最佳油气比建议。研究得出:当油气比从0.6增大到1时,A-A粗糙表面和B-B粗糙表面下的摩擦系数相对光滑表面最大增幅分别为133.3%和174.2%,B-B粗糙表面相对A-A粗糙表面的油膜承载系数最大降幅为9.5%。并且在所研究的工况条件下,不同粗糙表面都存在一个油气比临界值,当油气比低于临界值时,啮合点处的油膜承载能力快速下降,摩擦系数大幅上升。因此,为了保证齿轮传动系统的良好润滑状态,对于A-A粗糙度形貌,油气比应控制在0.7或0.8左右,对于B-B粗糙度形貌,油气比应控制在0.8或0.9左右。

关键词： 齿轮传动系统   动态特性   齿轮修形   多目标白鲸优化  

摘要： 齿轮传动系统是高速列车转向架的重要组成部分,负责将牵引电机动力传递给轮对,对于保障高速列车的动力传输具有重要作用。随着高速列车行驶速度的不断提升,齿轮传动系统的工作环境愈加恶劣,对系统动态特性造成不良影响,严重影响列车平稳性和安全性。揭示各因素对齿轮传动系统动态特性的影响,提升系统动态性能对系统减振降噪具有积极意义。本论文将引入多体动力学理论,结合计算机仿真技术与智能优化算法对高速列车齿轮传动系统进行动态特性分析及参数优化。本文主要工作简述如下:开展单因素试验,揭示了各因素单一作用对齿轮传动系统动态特性的影响。运用Recur Dyn建立了齿轮传动系统动力学模型,在额定工况下进行仿真分析,并基于仿真分析和理论计算所得齿轮副相对转速和动态啮合力对比,完成动力学模型的有效性验证。确定轴承游隙、齿侧间隙、摩擦系数为设计变量,齿轮啮合力、齿轮振动加速度及系统传递误差为动态特性指标,采用控制变量法开展单因素试验,得到轴承游隙、齿侧间隙、摩擦系数单一作用对系统动态特性的影响规律。开展多因素试验,揭示了各因素交互作用对齿轮传动系统动态特性的影响。基于单因素试验分析结果,确定啮合合力最大值、传递误差峰峰值、小齿轮纵向加速度均方根值和最大值为动态特性指标,采用BBD方法开展多因素试验。基于多因素试验结果,拟合各指标的二次回归模型,对各回归模型进行可靠性诊断、方差分析及响应曲面分析,得到各因素交互作用对齿轮传动系统动态特性的影响规律。对传动系统宏观参数和微观参数进行优化设计,以提升齿轮传动系统的动态性能。以各性能指标最小为优化目标,对传动系统三个宏观参数进行优化,通过试验验证了优化后系统动态性能达到最佳。为了进一步提升齿轮传动系统性能,对传动齿轮微观参数进行优化。确定传动齿轮四个微观修形参数为设计变量,确定接触应力和传递误差峰峰值最小为优化目标,建立设计变量与目标函数之间的响应面优化模型,运用多目标白鲸优化算法求解该模型,得到设计变量最优解。结果表明:优化后系统传递误差峰峰值大幅度降低,齿面偏载及应力集中问题得到改善,齿轮传动系统的性能得到综合提升。论文揭示了轴承游隙、齿侧间隙、摩擦系数单一作用及交互作用对齿轮传动系统动态特性的影响,并且对齿轮传动系统宏观和微观参数进行优化,提升了系统动态性能,可为高速列车齿轮传动系统的性能优化提供理论依据和参考。