关键词:
瞬态啮合混合润滑
摩擦动力学
界面故障响应
直齿轮
弧齿锥齿轮
摩擦和闪温
啮合刚度
接触刚度
摘要:
齿轮作为机械设备的核心基础部件,在制造、运输和航空航天等领域有着广泛的应用。机械设备的运动和动力是通过齿轮啮合界面传递,界面的摩擦学特性影响着整个设备的服役性能。当前机械设备不断朝着高精度、高可靠、高功重比和长寿命等方向发展,对齿轮的设计制造和服役性能提出了越来越严格的需求。因此,对齿轮啮合界面进行系统的摩擦学分析和优化设计至关重要。另一方面,在实际工程中,齿轮传动啮合界面往往由于机械设备的多向振动,其法向啮合力和切向速度往往处于剧烈波动状态,加之齿轮啮合过程中接触参数固有的时变特性,引起界面复杂瞬态啮合混合润滑行为,进一步造成啮合刚度、摩擦系数和侧隙的波动,最终影响齿轮振动。可以看出齿轮系统摩擦学和动力学是密不可分,相互影响,因此有必要综合运用啮合理论、界面力学、摩擦学和动力学等协同创新设计理论和方法,建立统一的齿轮系统摩擦动力学模型。此外,齿轮在长期服役过程中往往会产生点蚀、剥落、磨损和断齿等一些故障,严重威胁设备可靠运行。目前健康监测和故障诊断仍然存在故障机理不清、早期诊断困难和故障类型不易分辨等问题。因此,开展故障摩擦动力学研究,探究故障、润滑、摩擦和振动之间相互作用机理具有重要的理论意义和工程价值。本文的主要研究内容和结论包括:
(1)考虑啮合接触参数的时变性、机加工粗糙度、挤压效应和卷吸夹角,建立了点/线接触瞬态啮合混合润滑、摩擦和闪温统一的物理分析模型,提出了瞬态渐进网格加密算法,有效解决了不收敛问题,并节省计算时间42%左右,揭示了粗糙度、转速、扭矩和接触路径对直齿轮和弧齿锥齿轮瞬态啮合混合润滑、摩擦和闪温等摩擦学特性的影响。
(2)建立了粗糙峰直接接触与油膜润滑共存的接触刚度和阻尼模型,考虑渐开线齿廓、混合润滑和摩擦,基于势能法建立了时变啮合刚度和侧隙模型,通过和文献对比验证了模型的准确性。基于所建立的模型,揭示了粗糙度、扭矩和转速对刚度和阻尼的影响。建立了多向机械振动下的动态接触刚度模拟模型,探究了载荷波动、速度波动及其耦合波动对齿轮动态接触刚度的影响规律。
(3)考虑实际工程中齿面的润滑行为,建立了瞬态啮合混合润滑齿轮非线性动力学模型,分析表明较大粗糙度会导致轮齿的双边冲击,随着扭矩的增加,振动加剧,大端接触振动最大,小端接触振动最小。进一步考虑摩擦学和动力学之间的相互作用,并以时变啮合刚度、摩擦系数和侧隙为中间量建立了齿轮摩擦动力学模型。结果表明,相较于准静态,摩擦动力学的摩擦学特性由于振动表现出剧烈的波动行为。摩擦动力学的DTE和在LOA方向上的振动远高于传统动力学。
(4)针对齿面点蚀/剥落故障,建立了故障瞬态啮合混合润滑、摩擦和闪温模型,考虑润滑和摩擦建立了故障时变啮合刚度和侧隙模型。进一步考虑故障、润滑、摩擦和动力学之间的耦合作用,建立了齿轮故障摩擦动力学模型。分析表明齿面点蚀/剥落会导致摩擦系数增大,啮合刚度减小,同时导致边频的出现。此外,所提出的故障摩擦动力学能更准确预测齿轮在OLOA方向的故障振动特性,而传统故障动力学会高估齿轮在LOA方向的故障振动特性。
(5)开展了不同工况下直齿轮振动测试实验,测试表明随着扭矩和转速的增大振动会加剧,这与本文模拟结果所得规律一致,验证了所建立模型的合理性。实验测试了有无润滑下直齿轮的振动特性,结果表明由于润滑的作用,润滑齿轮在LOA方向的振动相较于干接触增大了,而OLOA方向的振动相较于干接触减小了。数值模拟和实验测试结果对比显示出良好的一致性,验证了所建立模型的正确性。