关键词： 行星齿轮传动系统   虚拟样机技术   齿轮故障   接触力  

摘要： 行星齿轮传动系统广泛应用于汽车、航空航天、电力等领域,行星齿轮传动系统作为传动装置的核心部件,由于工作环境具有高负荷的特性,使得系统故障尤其是齿轮故障频发,本文以含故障的行星齿轮传动系统作为研究对象,探索、掌握行星齿轮系统在不同故障下时域、频域的动力学特性,一定程度上简化故障诊断的难度,具有重要的意义。论文的主要内容如下:本文基于Solidworks,建立了行星齿轮传动系统的虚拟样机模型,采用Adams对行星齿轮传动系统刚柔耦合模型进行动力学仿真,通过对比角速度理论值来验证模型的正确性。针对行星齿轮传动系统局部故障的问题,建立不同程度下的三种太阳轮故障(齿面点蚀、齿根裂纹、轮齿折断)与两种混合故障的刚柔耦合虚拟样机模型,使用接触力时域与频域图分析故障对系统动力学特性的影响。在提取的接触力时域图的基础上,对系统的均载特性进行了分析。在频域图的基础上,使用边频带与主频的幅值比进行计算与分析。研究结果表明:健康工况时呈周期性平稳变化的接触力时域图中出现了会因为故障程度加重而越来越高的接触力峰值;发生故障后,频域图中的变化主要体现在基频与二倍频附近,基频幅值的下降与二倍频的上升很明显,倍频附近会出现与故障频率相关的边频带。接触力时域信号无量纲指标中的峭度、峰值因子、脉冲因子、裕度因子可以作为检测、判断故障程度的参考。健康工况时行星齿轮系统拥有良好的均载性能,发生故障后系统的均载系数增大,且随着故障程度加重不断恶化。

关键词： 机车传动齿轮   轮轨激励   热-力耦合   温度场   应力场  

摘要： 机车传动齿轮是机车动力传输过程中的核心部件,其结构的可靠性将直接影响机车的运行安全。随着近年来铁路运输的速度与承载要求提高,长时间服役的机车齿轮将处于较高的工作环境中,过高的温度可能会带来齿面胶合等齿轮损伤。因此,探究机车齿轮温度场分布及大小情况及考虑不同工况下的热-力耦合特性对机车齿轮的可靠性评估及监测维护有重要工程意义。本文以某型电力机车传动齿轮为研究对象,利用多体动力学仿真软件建立机车整车模型并进行模型验证,导出由波幅为0.05mm、波长为150mm的钢轨波磨与车轮诱发的轮轨激励下机车传动齿轮振动位移图,并分析在不同速度下机车传动齿轮振动情况,研究发现,随着机车运行速度的增加,从动齿轮垂向位移激励振动频率与振动幅值加剧;结合机车传动齿轮的几何与物理参数,利用齿轮传热学、摩擦学等基本理论计算出机车传动齿轮的热流密度及不同区域的对流换热系数等边界条件,并探究在不同牵引电机转速及润滑油油温下,对机车传动齿轮的热流密度及不同区域的对流换热系数等边界条件的影响,分析发现,机车传动齿轮的热流密度随着机车运行速度的增加而增大,牵引电机转速及润滑油油温对齿轮不同区域的对流换热系数影响程度不同;利用ABAQUS有限元软件将齿轮边界条件加载在到机车传动齿轮模型上,得出在不同牵引电机转速及润滑油油温下对温度场、热变形的大小及分布情况影响,发现最高温度位于齿轮齿根处,呈细长椭圆状分布;最大变形量出现两端面与啮合面相交角处,变形量由齿顶向齿轮内壁面依次递减。采用结构场及热-力耦合场探究有、无考虑轮轨激励影响下,机车传动齿轮的温度场和应力场分布及疲劳寿命情况,其中热-力耦合场采用直接耦合法,使得温度与应力相互作用;结合疲劳损伤理论及应力分析结果,利用疲劳分析软件fe-safe对有无考虑温度影响下,对某一载荷谱服役时的寿命进行预测,研究发现,考虑温度效应影响后机车传动齿轮疲劳寿命明显降低。

关键词： 17CrNiMo6齿轮钢   精密磨削   粗糙度   温度场仿真   残余应力  

摘要： 17CrNiMo6齿轮钢以其高强度和耐磨性的特点,广泛使用于变速箱齿轮等重载齿轮的生产与制造。磨齿加工作为齿轮加工的最后一道工序,然而磨削区域较高温度场非常容易引起磨削烧伤发生,使加工表面质量和疲劳寿命难以保证。以往多通过试验法研究磨削工艺参数对齿轮钢的表面质量的影响,但成本较高。鉴于此,本文采用磨削仿真技术开展17CrNiMo6齿轮钢磨削工艺参数与加工表面质量的关系研究,并加以试验验证。 首先,基于磨削加工的成形磨齿原理,分析了磨齿热量的产生与传递过程,阐述了四种热源模型的主要应用场合,推导了干磨和湿磨情况下的对流换热系数,对磨削区内的热量分配进行了理论分析,推导成形磨齿工艺参数与磨削区热量分配的理论计算公式。 其次,分析了成形法磨齿温度场的三类边界条件。运用有限元法,推导了齿面瞬态温度场与瞬态热应力场的有限元模型,用ANSYS APDL语言对成形磨削齿面进行了三维瞬态温度场有限元仿真,又利用ANSYS提供的间接法对齿面热应力进行了三维热-力耦合仿真。获得了干湿磨工况下的齿面温度场与热应力场分布状况,并阐明了两种热源模型对齿面温度的影响。通过改变磨齿工艺参数(砂轮线速度、砂轮进给速度、磨削深度)探究出齿面温度及热应力的变化规律。 最后,对17CrNiMo6齿轮钢开展了齿轮磨削试验,对磨削加工时的磨削温度,磨削加工后试样的表面粗糙度,显微硬度,显微组织,残余应力进行了测量,并与仿真结果进行了对比分析,间接对磨削温度场与热应力场仿真模型进行了验证。结果表明,本文建立的齿轮磨削加工温度场和热应力场仿真模型具有较高的准确度,对磨削表面质量研究具有一定指导意义。 通过本文的研究,得出了虑及热力耦合作用的齿轮精磨加工工艺参数对磨削加工表面质量,残余应力的影响规律,掌握了齿轮磨削烧伤的检测方法,对优化17CrNiMo6齿轮钢齿轮磨削工艺参数,减少磨削烧伤,具有较强的指导意义。本文的建模方法也可供相近领域的研究进行参考。

关键词： 塑料齿轮   机器视觉   外观缺陷检测   深度学习   齿轮精度评价   亚像素   工艺溯源  

摘要： 在智能制造的趋势下,塑料齿轮行业也面临着向数字化、网络化和智能化转型的挑战。随着ERP、MES等生产管理系统在塑料齿轮产业中的应用普及,庞大的订单数据、生产计划和供应链数据均可上传至管理系统进行汇总,实现生产过程的自动化控制与跟踪。然而由于现有的齿轮量仪难以实现塑料齿轮在线全检,导致目前整个智能制造管理体系缺失了最重要、最基础的一环——即塑料齿轮质量检测数据的实时获取环节,工厂无法根据反馈的质量检测数据实时跟踪和调整生产工艺。塑料齿轮行业寻求可追溯的质量检测数据,亟需可应用于生产现场的塑料齿轮在线全检技术。塑料齿轮在线全检技术中塑料齿轮外观缺陷检测和塑料齿轮精度误差评价是质量检测中的两大关键,尽管近十年来齿轮视觉检测技术取得了一定的发展,但缺乏专用于小模数塑料齿轮、融合外观缺陷检测和精度误差评价的100%在线全检技术,难以与塑料齿轮产线紧密耦合。 本文通过理论创新和技术创新,开发了塑料齿轮综合外观缺陷智能检测方法,提升了复杂特征下的塑料齿轮综合缺陷检测准确率;提出了从图像中快速获取塑料齿轮整体误差的新方法,拓展了齿轮精度评价能力;建立了小模数塑料直齿轮免参数并行快速检测方法,解决了同一条塑料齿轮产线上的多种不同型号的小模数塑料齿轮并行在线检测难题;研制了面向智能制造的塑料齿轮在线检测系统,可以与产线紧密耦合实现100%在线全检,并已投入使用。 本文主要研究内容如下: 1)构建了塑料齿轮外观缺陷数据集,包含上端面(顶针面)、下端面(水口面)和侧面(齿面)的塑料齿轮全方位缺陷图像,共计有16个种类的外观缺陷;从外观缺陷检测两大任务(目标检测任务和实例分割任务)出发进行方法原理推导和实验验证;针对目标检测任务,建立了PGD-net(Plastic Gear Defect-net),在网络结构中设计了样本权重自适应优化方法——Focal-IOU Loss,缓解了塑料齿轮缺陷样本的长尾效应,平衡了样本分布,提高了困难类别缺陷的检测能力;开发了基于UNet++和特征融合的塑料齿轮复杂黑点缺陷分割方法,通过优化UNet++网络模型来预测黑点缺陷的区域,再结合多特征融合的置信度分析方法,采用区域生长法对预测出来的缺陷区域进行修正,改善缺陷分割结果。 2)提出了基于GTC-Facet(Gaussian Template Convolution-Facet)的塑料齿轮整体误差获取方法,提出通过GTC方法获取Hessian矩阵,从而运用矩阵运算快速获取Facet灰度分布模型,提高了齿轮亚像素边缘定位精度;提出迭代重加权最小二乘拟合齿轮中心点的方法,能够有效抑制边缘离群值对拟合中心定位精度的影响;结合齿轮整体误差理论,实现从齿轮图像中快速获取齿轮截面整体误差曲线(JZ曲线),获取的误差信息中既包含齿轮分析式测量结果,也包含齿轮功能式测量结果,拓展了齿轮精度评价能力。从JZ曲线中不仅可以分解出齿距偏差、齿廓偏差、齿厚偏差等单项误差信息,还能从JZ曲线的外包络线中获取切向综合偏差,从双向截面整体误差曲线(SJZ曲线)中解析出径向跳动;能够快速定位和定量分析齿面毛刺、齿轮偏心以及齿廓修形。 3)建立了小模数塑料直齿轮免参数并行快速检测方法,提出以多目标分割算法、GTC-Facet亚像素定位算法、圆与齿廓交点定位算法和轮廓分割算法为基础,通过交点法、正弦函数拟合法测量齿数,公式法、齿廓近似法测量压力角,进而测算出齿数、模数、压力角、齿顶圆直径、齿根圆直径、全齿高、齿宽、公法线变动量、变位系数和形位误差等关键参数;在检测前免输入任何参数,且无需装夹齿轮。 4)研制了面向智能制造的塑料齿轮质量在线检测系统——GOI(Gear Online Inspection)系统。已在某塑料齿轮产线得到实际应用,日检塑料齿轮超6万件;发明了侧方图像采集机构和清洗机构,可进行侧面、齿面上的缺陷图像自动采集以及玻璃转盘自动清洁;设计了控制系统和硬件电路,以PLC为核心,可以实现运动控制、自动定位、自动采图、自动检测、自动分选下料和异常报警;GOI系统的软件集成了塑料齿轮外观缺陷检测和精度误差评价两大关键质量检测技术,可与塑料齿轮产线紧密耦合实现100%在线全检;搭建了Bayesian网络和物联网云平台,与ERP、MES系统实现通讯互联,可根据云端存储的全周期的质量检测数据对塑料齿轮工艺进行溯源。

关键词： 直齿圆柱齿轮   椭圆织构   织构特征参数   动压润滑   摩擦性能  

摘要： 直齿圆柱齿轮是精密传动设备常用的基础件,其具有传动可靠、传动精度高和制造工艺简单等优点被广泛应用于航空航天、能源动力等领域,但在啮合传动过程中,齿轮表面因润滑不足,摩擦磨损性能较差,使齿面易发生胶合失效和疲劳破坏,严重影响了齿轮的寿命,降低了传动系统的效率。表面织构技术能够改善齿轮表面的润滑性能,具有降低界面摩擦和磨损的功能,提高了试件的散热性能,表面织构齿轮的研究为齿轮提高寿命提供了重要的方法。本文提出了一种椭圆齿面织构,针对椭圆织构直齿圆柱齿轮的润滑和摩擦性能开展研究,通过构建椭圆织构线接触模型,进行润滑能力计算分析,开展椭圆织构圆柱滚子和椭圆织构齿轮的摩擦磨损试验和摩擦磨损试验,探究椭圆织构对齿轮润滑和摩擦性能的影响。 首先,开展椭圆织构线接触模型润滑性能计算。通过MATLAB PDE工具箱求解Reynolds方程,对比分析椭圆织构,凹坑织构,沟槽织构和无织构模型油膜压力分布和润滑性能,探究椭圆织构不同面积占有率,椭圆率,角度,卷吸速度,长轴半径与织构深度对模型润滑性能的影响规律。结果表明,椭圆率,卷吸速度和较小的角度对椭圆织构模型润滑性能影响较小;面积占有率和较大的角度对椭圆织构摩擦润滑性能影响较大;椭圆织构长轴半径较大且织构深度较浅时具有更好的润滑性能,椭圆织构能够有效提高模型表面的润滑性能,最佳润滑性能的椭圆织构参数为δ*=0.25～0.3,γ=0.7～0.9,θ=0°～45°,U*=3.455,Ra*=6～8,H*=1。 其次,开展椭圆微织构圆柱滚子摩擦磨损试验研究。采用激光加工技术进行椭圆织构圆柱滚子加工,并通过MMS-2A摩擦磨损试验机进行椭圆织构圆柱滚子摩擦磨损试验;通过四因素三水平正交试验分析滚子的磨损量,损伤形貌以及平均摩擦系数,探究椭圆织构深度,长轴半径,椭圆率以及角度对圆柱滚子摩擦磨损性能的影响规律。结果表明,椭圆织构长轴半径较大,织构深度较深以及角度较小时可以获得更优的摩擦磨损性能,最佳磨损性能椭圆织构参数为H=5μm,Ra=150μm,γ=0.7,θ=0°,最佳摩擦性能椭圆织构参数为H=20μm,Ra=80μm,γ=0.7,θ=45°。结合润滑计算与试验结果选择出最佳椭圆织构参数H=20μm,Ra=150μm,γ=0.7,θ=0°。 最后,开展椭圆织构齿轮摩擦磨损试验。采用激光加工技术在齿轮表面加工出最佳参数的椭圆织构,并进行椭圆织构齿轮摩擦磨损试验,采用胶合试验法和显微镜观测法,观测齿轮损伤形貌以及损伤面积率,分析椭圆织构对齿轮摩擦磨损性能的影响程度。结果表明,椭圆织构表面损伤呈现点状或较小带状,损伤区域较小,椭圆织构齿轮损伤面积率相较于无织构齿轮降低了76.97%～81.11%,椭圆织构齿轮比无织构齿轮具备更好的摩擦磨损性能。

关键词： 风电机组齿轮箱   故障诊断   深度学习   动态结构   不确定性  

摘要： 随着我国风电行业的快速发展,对风电机组运行状态进行监测和故障诊断,可以有效降低故障停机造成的运维成本。齿轮箱作为风电机组重要组成部分,一旦发生故障就会带来严重的经济损失。风电机组齿轮箱振动信号存在有效特征稀疏问题,传统非概率化的诊断模型在监测海量数据时故障特征提取和识别能力差,且诊断过程高度确定。因此,本文以深度学习理论为基础,建立动态框架概率化的贝叶斯并行深度学习(Bayesian Parallel Deep Learning,Bayesian PDL)模型对风电机组齿轮箱进行故障诊断,实现网络结构与故障数据自适应匹配,提高故障特征识别能力。同时,网络超参数概率化使得输出的诊断结果具有高置信度。主要研究内容如下:(1)阐述风电机组齿轮箱故障诊断方法的研究背景和意义,总结当前国内外智能化故障诊断方法的研究现状;以风电机组行星齿轮箱为研究对象,对行星轮系中的轴承和齿轮的组成结构、故障信号发生机理进行分析;针对采集的信号具有高噪声低故障特征的特点,提出一种差分连续小波变换(Different Continuous Wavelet Transform,DCWT)故障信号预处理方法。利用差分变换减少信号不规律波动,通过连续小波变换提高时频特征的分辨率。经实验验证,所提方法使预处理后的信号具有更高的时间和频率分辨率。(2)针对传统智能化风电机组齿轮箱故障诊断模型网络结构固定而导致挖掘故障特征能力较差的问题,提出一种并行深度学习(Parallel Deep Learning,PDL)框架的故障诊断模型。所提模型网络框架可以根据输入数据特征的不同,动态地变换网络框架结构,实现数据特征与网络框架结构自适应匹配。在PDL故障诊断模型内部提出注意力特征融合机制,该机制使网络注意力集中于重复出现的故障特征,高注意力值的故障特征融合可有效提高PDL故障特征识别能力。通过实验,所提模型可更好地匹配数据并增强故障特征,其诊断准确率可达99.91%±0.0054,比传统智能诊断模型具有更强的特征识别能力和更高的诊断性能。(3)传统非概率化智能故障诊断模型的网络具有高度的确定性,导致输出风电机组齿轮箱故障诊断结果置信度低。在动态PDL框架基础上,提出概率化的Bayesian PDL故障诊断模型,将网络超参数由传统的点估计转换成概率分布的表达形式,量化网络在故障诊断过程中的不确定性,解决网络模型超参数高度确定而导致结果低置信度输出的问题。实验表明,对风电机组齿轮箱轴承和齿轮的故障诊断准确率分别为99.44%±0.0101和99.10%±0.0034,同时诊断结果的不确定性分布最高。Bayesian PDL故障诊断模型比传统非概率化模型具有更好的数据拟合和特征识别能力,比概率化诊断模型具有更高的不确定性和鲁棒性。

关键词： LaF3纳米微粒   配伍规律   摩擦学性能   重负荷齿轮油   纳米复合剂  

摘要： 含极压抗磨剂的齿轮油虽然可以避免苛刻工况条件下齿轮的摩擦磨损,但是极压抗磨剂不仅对齿面金属具有腐蚀性,还会对人体健康和自然环境造成伤害。纳米微粒作为添加剂不仅可使润滑油的减摩、抗磨和承载性能得到大幅度提高,同时还在环境保护和人体健康等方面也具有十分突出的效果,为以上问题提供了一种新的解决思路。LaF纳米微粒作为一种常用的高温固体润滑剂,近似层状的结构,具有相对较低的硬度、较高的热稳定性和化学稳定性,在重负荷工业齿轮油中具有潜在的应用前景。然而,纳米LaF在基础油中的分散稳定性和感受性以及与齿轮油复合剂的相容性问题,使其难以投入到实际应用中。基于此,本论文合成了二(2-乙基己基)磷酸(D2EHPA)表面修饰的LaF纳米微粒,研究其在三种不同类型基础油中的摩擦学行为。探究LaF纳米微粒与齿轮油复合剂的核心添加剂之间的配伍规律,揭示其相互作用的机理,进一步将纳米LaF加入到市售全配方齿轮油中,考察其对市售成品齿轮油摩擦学性能的影响。最终为了实现纳米添加剂的商业化应用,基于以上试验结果,设计开发一款含有油溶性纳米LaF的重负荷工业齿轮油复合剂。主要研究内容及结论如下:(1)油溶性纳米LaF的制备及在不同基础油中的摩擦学行为以氟化钠(NaF)、七水氯化镧(LaCl·7HO)为反应原料,采用D2EHPA为表面修饰剂制备出油溶性的LaF纳米微粒,在矿物油(150N)、聚α-烯烃(PAO6)和癸二酸二异辛酯(DIOS)基础油中具有良好的分散稳定性。四球测试结果表明LaF纳米微粒对三种基础油的摩擦学性能具有显著的增强效果。当其添加浓度为0.2 wt%时油品性能最佳,此时基础油PAO6、150N和DIOS的摩擦系数分别降低了28%、33%和49%,而磨斑直径则减小了38%、53%和46%;并且在100 N到400 N的载荷区间,均具有一定的抗磨性能。结合磨损表面的分析结果发现,在摩擦过程中D2EHPA表面修饰的LaF纳米微粒在磨损表面形成了由磷酸盐、氧化铁、氟化镧和氧化镧等组成的复杂边界润滑膜,不仅使接触表面的磨损和摩擦系数得以显著的降低,还能对表面缺陷处进行填补修复。(2)油溶性纳米LaF与齿轮油典型添加剂的配伍性能及其应用研究探究了纳米LaF与齿轮油典型添加剂硫化烯烃(T321)、硫代磷酸复酯胺盐(T307)和丁基异辛基磷酸十二胺盐(T308B)之间的配伍规律,并结合添加剂的吸附行为与磨损表面的表征结果,分析纳米LaF与齿轮油典型添加剂的相互作用机理。最后更进一步探究了纳米LaF对市售成品齿轮油摩擦学性能的影响。试验结果表明,纳米LaF与齿轮油添加剂(T321和T307)复配后,不仅在改善基础油减摩抗磨性能方面上存在明显的协同效应,还能够提高基础油的最大无卡咬负荷(P)。通过对添加剂在金属表面的吸附行为和磨损表面的表征结果分析发现,复配后减摩抗磨性能和最大无卡咬负荷(P)的提升,正是由于LaF纳米微粒与齿轮油添加剂(T321和T307)在金属表面上相互促进吸附,在摩擦的初始阶段能够于摩擦副接触表面更快的吸附,并与纳米LaF共同形成更厚的摩擦膜。除此之外,试验发现油溶性纳米LaF与市售L-CKD 320重负荷工业齿轮油的复合剂显示出较高的相容性,能有效的改善市售重负荷工业齿轮油的润滑效果。(3)重负荷工业齿轮油纳米复合剂的配方设计与性能研究基于LaF纳米微粒在基础油中的摩擦学行为以及与齿轮油典型添加剂的配伍规律,并结合重负荷工业齿轮油的性能特点与应用条件,设计开发一款含有油溶性纳米LaF的重负荷工业齿轮油复合剂。选择烷基萘30(AN30)为基础油,使用四球摩擦试验机、高压差示扫描量热仪和铜片腐蚀测定器,就纳米复合剂与市售复合剂在基础油中的摩擦学性能、抗氧化性能和铜片腐蚀性能进行比较分析。通过对比发现,含纳米复合剂的基础油比市售复合剂具有更低的摩擦系数,更小的磨斑直径和更高的最大无卡咬负荷(P)、烧结负荷(P)和综合磨损值(ZMZ);除此之外,含纳米复合剂基础油的铜片腐蚀性和抗氧化性与市售复合剂基本相当。

关键词： 多级齿轮传动   摩擦热流量   齿廓修形   动力学特性   振动噪声  

摘要： 齿轮系统运行时不可避免出现轮齿啮合刚度变化、传递误差和啮合冲击,同时因受到温度、制造误差、安装误差等影响,齿轮啮合过程中载荷发生周期性变化,进而产生振动和噪声。修形作为优化齿轮振动噪声的重要手段,可以改善齿轮啮合过程中轮齿受力情况,减小振动及冲击,提高传动系统平稳性、承载能力和使用寿命。本文以航空多级齿轮传动系统为研究对象,开展圆柱齿轮副参数优化、热弹耦合仿真、齿廓修形设计以及系统动力学分析、振动噪声预估等方面的研究。主要工作如下:(1)基于混合弹流润滑方法计算齿轮副时变摩擦系数,建立齿轮副摩擦热流量计算模型,分析齿轮参数对摩擦热流量的影响规律。建立以低摩擦热流量为目标的多级圆柱齿轮系统参数优化模型,编写计算程序,优化齿轮系统参数,优化后齿轮系统摩擦热流量显著减小。(2)基于ANSYS软件,求解齿轮传动系统温度场,并进行热弹耦合分析,根据仿真所得啮入啮出位置干涉位移量计算修形参数;推导齿廓修形齿面方程,建立修形齿轮系统参数化有限元模型,并进行热弹耦合求解;对比修形前后齿轮系统各齿轮副接触应力,修形后各齿轮副应力皆有所减小。(3)借助Romax软件计算各轴承支承刚度,基于有限元法求解各齿轮副时变啮合刚度;建立齿轮传动系统动力学模型,采用龙格库塔法求解动力学方程,得到修形前后齿轮的振动响应以及各齿轮副的动态啮合力。对比修形前后齿轮振动响应可得,修形后各齿轮振动响应皆有所减小。(4)在ANSYS中建立齿轮箱有限元模型,采用Block Lanczos法求解箱体约束模态,对比齿轮箱固有频率和齿轮副激励频率,排除了齿轮箱共振的可能性;基于模态叠加法计算修形前后齿轮箱的振动响应,修形后振动响应大幅减小。在SYSNOISE中建立齿轮箱声学边界元模型,采用直接边界元法求解齿轮箱表面声压和场点辐射噪声,修形后齿轮箱噪声得到一定程度的减小。

关键词： 激光离散硬化   强韧性   软?硬相间   渐开线齿轮   滚动接触疲劳  

摘要： 目前,齿轮技术发展正面临着高承载能力、高服役寿命的双重考验。因此,齿轮的设计制造体系正从考虑齿廓几何的控形制造向着考虑齿面完整性的“控形控性”抗疲劳制造转变。其中,表层改性作为齿面完整性抗疲劳设计制造的核心和主导,却仍采用全区域的处理方式,难以兼顾强度和韧性,无法对齿面进行区域化的差异处理,容易造成所谓的“硬则易脆,软则易磨”现象,在耐磨性提高的同时也容易造成齿面点蚀、微点蚀,以及剥落等接触疲劳失效的问题。为此,本文受自然界某些生物特征启发,提出“软?硬相间”的结构表面,通过激光表面离散硬化的方式引入到齿面表层改性中,并围绕硬质单元体形态耦元对齿面接触疲劳行为产生的影响,开展系统的理论和试验研究。（1）激光动态多道次离散硬化对表面完整性影响。在相同的激光输入能量情况下,提出了一种动态多次短持续时间的激光辐照方式（模式为Ⅱ）,并与单次长持续时间的激光辐照模式（模式为Ⅰ）相对比,研究这两种激光照射模式之间的差异及对表面质量的影响。结果表明:通过减少持续时间,增加重复次数,有利于控制熔凝区的尺寸,因此,可通过改变激光照射方式来提高硬化表面质量;在激光辐照模式Ⅱ下,随着重复次数的增加,温度历程不会表现出明显的叠加热效应,但硬度会呈现累积效应,并能提高硬化层的均匀性。这可能与多次的快速再奥氏体化相关,前次生成的马氏体组织中含有大量晶格缺陷,将为后续再次奥氏体化提供形核位点,阻碍再奥氏体化过程中晶粒生长,导致奥氏体晶粒变小,形成更细小的马氏体晶粒。（2）离散硬质单元体诱导材料强韧化机制。利用单向拉伸试验,得到激光离散硬质单元体诱导材料力学性能参数产生的变化,进而计算材料静力韧度。同时,分析拉伸后的断口形貌,并结合离散硬质单元体的动态拉伸有限元模拟结果,探究硬质单元体诱导拉伸断裂行为变化,以及对材料强韧化作用机制。结果表明:不同激光辐照模式Ⅰ和模式Ⅱ得到的“大而疏”和“小而密”板状试样抗拉强度分别提高了9.54%和5.15%;离散的硬质单元体阵列,可以近似看着“应力节点”,对表面的应力分布进行规整。同时,硬质单元体能阻隔了材料的塑性流动,集聚了更高的应力,并将根据自身形态耦元,做出不同的响应,如沿着与拉伸方向垂直开裂,或者沿拉伸方向椭圆化,消耗内能,提高材料自身韧性。（3）离散硬质单元体滚动接触疲劳行为研究。通过搭建圆柱滚动接触疲劳试验机,开展滚动接触疲劳试验,分析滚动摩擦状态和损伤形貌演变;同时,建立离散硬质单元体的圆柱滚动接触动态仿真有限元模型,分析滚动接触过程中“硬质”单元体与“软体”基材产生的耦合效应,以及其所诱发表面接触应力场变化。结果表明:“软—硬相间”的表面结构,能够令滚动接触磨损过程中失重分别下降41.9%,55.4%;随着循环次数的增加,硬质单元体的损伤形式由微磨损（环形微凸体磨平）向接触疲劳损伤（硬化区域点蚀）转变。同时,离散分布的硬质单元体对应力场分布起到调控作用,在“硬质”单元体的等效应力要明显高于“软体”基材的等效应力,诱导原本接触区域均一的应力场分布产生周期性波动,呈现局部应力集中的分散特征。（4）硬质单元体对齿轮啮合接触行为调控机制。建立硬质单元体齿轮动态接触模型,按啮合接触状态,研究齿轮啮合接触过程中的应力-应变,接触压力,滑动距离,摩擦应力,以及赫兹接触刚度,分析“硬质”单元体与“软体”基材的耦合效应所诱发的齿面接触应力场变化。结果表明:接触区域的“硬质”单元体,可以改变接触压力原本阶梯增加的趋势,呈现中间高,较前一接触状态增加了接近3倍,两侧低,接触压力较相同位置未处理试样的接触压力下降了近2/3,有效地减弱齿面“软体”基材区域接触压力,促使整体接触压力状态呈现下降的趋势。因此,“硬质”单元体发挥支撑作用,缓解“软体”基材所承受的应力状态,还能发挥“集聚效应”,诱导“硬质”单元体周边形成高应力和高应变状态。（5）硬质单元体对齿轮弹流润滑特性的影响。以齿轮啮合简化模型和等温线接触弹流润滑模型为基础,结合齿轮多状态啮合过程中的时变参数,引入齿面离散硬质单元体与区域弹性模量的映射关系,建立考虑硬质单元体的齿轮弹流润滑模型,重点分析不同硬质单元体形态耦元对油膜厚度和承载能力的影响规律。结果表明:“硬质”单元体具备增加局部油膜厚度的作用,将诱导最小油膜曲线轮廓产生周期性局部凸起;同时,使得该区域的油膜压力变小,诱导最大油膜压力曲线轮廓出现周期性凹陷。因此,在低负载扭矩的工况下,将有利于齿面形成润滑条件;在高负载扭矩工况下,由于先于“软体”基材进入薄膜或者混合弹流润滑阶段,提前形成微凸体接触,保护“软体”基材。（6）激光偏置离散硬化处理齿面的应用研究。提出激光倾斜入射离散硬化工艺,设计自动获取齿廓均匀分布的硬化点坐标方法,来开发面向齿面处理的激光离散硬化控制策略及设备。设计并搭建功率开放式齿轮试验台,验证齿面离散硬化