基于运行工况的三峡升船机齿轮齿条载荷与润滑状态分析

三峡升船机齿轮齿条属低速重载开式硬齿面齿轮传动，一旦润滑不良极易产生齿面胶合等损伤，影响升船机运行的安全性和可靠性。根据三峡升船机的实际运行数据，采用油膜厚度准则系统分析了各种典型工况下齿轮齿条的润滑情况，推导了匀速工况时船厢误载水深与膜厚比之间的关系，计算了典型误载水深下润滑状态最危险啮合点的膜厚比；确定了船厢变速时齿轮齿条最差的润滑状态，分析了变速运行典型工况下的润滑状态与船厢水深的相关关系，进一步确定了较易产生胶合损伤的位置。结果表明，升船机匀速运行时，厢内水位处于最佳水位时，齿轮齿条的润滑状态最好；偏离最佳水位时，膜厚比随误载水深呈λ∝±Δh^-0.13的幂函数形式下降；齿轮齿条处于最危险啮合点时，齿轮齿根与齿条齿顶相接触且在大误载水深下齿面间的润滑状态更为恶劣；升船机变速运动时，润滑状态较差的工况为船厢水深为3.6 m时的上行加速和下行减速；因齿条上齿面接触频率高、润滑状态较差，发生胶合损伤的风险更高。     

低速重载开式齿轮齿条传动润滑状态分析

采用三峡升船机齿条性能评定试验装置,研究低速重载、频繁换向条件下开式齿轮齿条的润滑状态。对开式齿轮齿条油膜厚度计算模型中润滑油的压黏系数进行修正以适用高黏度润滑油,利用油膜厚度准则对开式齿轮齿条的润滑状态进行分析。结果表明,采用油膜厚度准则能相对准确地判断低速重载开式齿轮齿条传动的润滑状态;转速、载荷对润滑状态有很大的影响,齿轮齿条换向时,润滑状况相对恶劣,易磨损、胶合,应尽量减小载荷和齿面粗糙度,增大润滑油黏度。     

齿轮齿条传动机构等温稳态弹流润滑数值分析

齿轮齿条在现代机械中应用广泛,但传动过程中易产生噪声、磨损、齿面胶合等,通过对机构润滑理论的研究,降低传动过程中齿面磨损及胶合机率。在现有的弹性流体动力润滑理论的基础上,利用多重网格法,得到了齿轮齿条传动过程中等温稳态弹流润滑数值解,讨论了齿轮齿条传动机构在不同啮合点、变位系数、线角传动比和模数下的无量纲压力和膜厚图,计算结果表明:啮合点位置、变位系数、线角传动比、模数等都会对油膜压力与膜厚产生影响。最终得出结论:在传动过程中,啮入点为啮合过程中的危险点;正变位能够使油膜变厚,负变位使油膜变薄;线角传动比、模数越大,油膜压力越小、膜厚越厚。     

变位齿轮齿条传动的热弹流润滑分析

建立了齿轮齿条传动的热弹流润滑模型,考虑齿轮热效应和正负变位齿轮沿啮合线在不同啮合点的综合曲率半径变化、卷吸速度的变化和单双齿啮合引起的载荷变化,分析齿轮齿条传动机构在不同瞬时、载荷随时间变化的非稳态弹流润滑数值解。讨论了变位系数对齿轮齿条弹流润滑油膜压力和膜厚的影响并分析了正变位和负变位对中心膜厚和最小膜厚的影响规律。结果表明,正变位可以降低油膜压力,增加膜厚,改善齿轮齿条机构的润滑状态;负变位使油膜压力升高,膜厚变薄。因此,设计齿轮齿条传动机构时,在符合要求的前提下,应尽量选择正变位齿轮,避免选择负变位齿轮。     

不同粗糙纹理对齿轮齿条热弹流润滑的影响

将齿轮齿条的传动模型简化为圆柱与无限大平面之间的运动,建立考虑齿轮和齿条齿面粗糙纹理影响的齿轮齿条传动的热弹流润滑模型。采用牛顿流体,压力求解采用多重网格法,弹性变形采用多重网格积分法,计算得到不同粗糙纹理下的压力与膜厚,并与光滑表面进行比较,同时比较考虑热效应与等温情况下的压力与膜厚。计算结果表明:受粗糙纹理的影响,齿轮齿条传动机构的压力、膜厚和温升出现波动,最小膜厚变薄;矩形和三角形粗糙纹理表面粗糙峰和粗糙谷内都会形成局部的弹流现象,产生局部压力峰;考虑热效应时粗糙纹理表面的温升呈现波动,而压力和膜厚的波动幅度更大,考虑热效应的齿轮齿条传动机构的弹流润滑分析更符合工程实际。     

圆柱人字齿轮各内激励因素对齿面振动影响比例分析

为了研究圆柱人字齿轮各内激励因素对齿面振动的影响,建立同时考虑时变啮合刚度激励、轮齿线外啮入冲击激励和齿侧间隙影响的圆柱人字齿轮耦合动力学模型;针对不同的载荷和输入转速工况,分别计算啮合刚度激励、啮入冲击力激励以及齿侧间隙对圆柱齿轮系统齿面相对振动的影响程度。实例仿真计算表明,人字齿轮各内激励因素中,啮合刚度激励对振动影响占主要成分;齿侧间隙影响则是低转矩下的影响高于大转矩下的影响,高转速下的影响高于低转速下的影响,即当低速重载下,齿侧间隙非线性因素对系统影响较小。总结的各激励成分对系统振动影响比例规律,能够为后续人字齿轮齿面减振降噪优化提供更合理的设计目标。     

直齿轮齿面闪温最小修形优化设计

考虑到安装误差及修形齿轮接触线上齿面间隙变化对齿面载荷密度、油膜厚度及局部摩擦因数的影响,提出齿面闪温最小的直齿轮修形优化设计方法,结合TCA、LTCA方法将接触线上的载荷、油膜厚度离散,根据油膜比厚判断润滑状态,确定离散点的摩擦因数,应用Blok闪温公式获得齿面闪温,通过优化确定了最佳修形齿面。算例表明:修形后齿面载荷分布均匀,受曲率半径影响主动轮啮入端闪温下降更明显,但单齿啮合区内闪温变化不明显。     

基于真实粗糙齿面的齿轮传动接触应力分析

现行齿轮传动接触疲劳强度的设计基础是仅适用于一对光滑表面之间干接触的赫兹理论,这显然与齿轮传动实际状况有一定差异。为获得齿轮传动实际状况的齿面压力分布、油膜厚度及轮齿接触区次表面的应力分布,基于实测所得的表面粗糙度数据,采用有限元法对重载齿轮传动进行混合弹流润滑数值分析。结果表明:粗糙齿面接触时的齿面压力分布及轮齿接触区次表面应力分布均明显相异于赫兹分布或基于光滑齿面全膜弹流润滑计算所得的相应分布;齿面粗糙峰谷的存在会使齿面接触应力比赫兹接触应力增大25%左右,且齿面平均油膜厚度的最小值及接触应力的最大值均发生在啮入点而非节点。因此,现行的以赫兹应力为基础、以节点参数为依据进行齿轮传动接触强度设计的做法有失科学性和安全性。     

修形对直齿锥齿轮弹性流体动力润滑的影响

为解决直齿圆锥齿轮的端啮问题,通过对直齿圆锥齿轮进行齿廓修形,提高小端的油膜承载能力,使得载荷沿齿宽方向分布均匀。齿廓修形先采用二次抛物曲线,再改变主动轮和从动轮的齿顶修缘高度,确定修形参数后,建立直齿圆锥齿轮无限长线接触弹性流体动力润滑模型,压力和膜厚采用多重网格法求解,弹性变形采用多重网格积分法求解。齿顶修缘后啮入点的油膜压力比原来小,油膜厚度变大;二次抛物曲线修形后,啮入瞬时点和啮出瞬时点的油膜压力在赫兹接触区明显降低,赫兹接触区的油膜厚度明显增大,沿啮合线分布的最大油膜压力降低,最小油膜厚度增大,中心油膜压力降低,中心油膜厚度增大;修形参数的变化影响修形后的油膜压力和油膜厚度;修形改变了齿宽方向的载荷分布,直齿圆锥齿轮的小端和大端的载荷差距减少,齿面载荷由端部向齿宽中部转移。研究结果说明,齿廓修形可以改善齿轮的润滑状况,提高啮合过程的油膜压力,减少齿面的摩擦和磨损,同时也可以避免齿面胶合的产生。     

粗糙齿面接触应力与齿轮转速关系的理论探析

通过实测获得了具有横向纹理的表面粗糙度数据,借助傅立叶非线性变换,形成了近似真实分布的齿面粗糙度函数;将此函数叠加到油膜厚度方程中,构建了渐开线直齿圆柱齿轮传动混合弹流润滑模型。基于该模型,分别针对中、重载齿轮传动,通过改变小齿轮转速之值,共进行了约130组数值计算。结果表明,增大齿轮转速可有效改善齿轮润滑状态、降低齿面接触应力;然而,当转速增至一定值后,接触应力随转速的下降幅度十分缓慢。     

弧面分度凸轮机构分度期润滑状态及油膜研究

以弧面分度凸轮机构为研究对象,研究弧面分度凸轮机构在分度期啮合过程中的润滑状态及产生的弹流润滑油膜厚度。利用空间包络面共轭原理和旋转变量法建立机构的数学模型,根据Hamrock-Dowson最小油膜计算公式,分析得出机构稳态工况下卷吸速度、诱导主曲率以及接触应力是影响润滑油膜形成的关键因素。通过空间共轭原理提出机构接触应力的新算法并进行可行性验证。对不同转速下机构的接触应力、油膜厚度和膜厚比进行仿真。结果表明,机构低速传动过程中,啮入段和啮出段极难形成弹流润滑油膜,为优化机构润滑性能提供了理论依据。     

基于统计模型的修形齿轮点接触混合润滑分析

基于平均Reynolds方程和Zhao-Maietta-Chang（ZMC）弹塑性接触模型，提出鼓形修形齿轮点接触混合润滑的计算方法。采用渐进网格加密法计算润滑特性参数，对比稳态点接触混合润滑模型的仿真结果，验证提出模型的正确性。分析齿轮传动啮入点、节点和啮出点的润滑特性，研究齿轮几何参数、工况参数对鼓形修形齿面润滑特性的影响规律。结果表明：油膜压力、微凸体接触压力和总压力在啮入点处最大，啮出点处最小；名义油膜厚度在啮出点处最大，啮入点处最小；随着模数、压力角和转速的增加，油膜压力、微凸体接触压力与总压力降低，油膜厚度增加；随着功率和鼓形修形量的增大，油膜压力、微凸体接触压力和总压力增大，油膜厚度降低。因此，增大模数、压力角、转速和减小功率、鼓形修形量可改善粗糙齿面润滑状态。     

有限长线接触斜齿轮副瞬态弹流润滑研究

采用统一Reynolds方程建立斜齿轮有限长线接触瞬态弹流润滑模型,研究瞬态效应与表面粗糙度对润滑特性的影响。结果表明:考虑瞬态效应的斜齿轮副润滑参数在单齿啮合区域剧烈变化,其接触区域膜厚较低且摩擦因数较大,容易处于混合润滑状态;在单齿啮合区域,瞬态解有效承载区变窄且二次压力峰明显增大。当前算例表明全膜弹流润滑状态下,粗糙度对斜齿轮副的瞬态弹流润滑特性影响较少,仅在双齿啮合区域考虑粗糙度的平均膜厚较大,且对应接触压力与膜厚围绕光滑解波动。     

用动态电压法判断斜齿轮润滑状态的实验研究

本文针对斜齿圆柱齿轮的啮合特点，沿齿面接触线方向设置传感器，在GZ150型可调速调载封闭功率流高速齿轮实验台上，对斜齿圆柱齿轮多种工况条件下的齿面润滑状态进行了动态跟踪监测，并且分析了转速及载荷对润滑状态的影响。     

圆弧齿线圆柱齿轮等温弹流润滑模型建立及分析

圆弧齿线圆柱齿轮具有承载能力高、接触强度大、传动平稳等优点,但也存在齿面磨损、点蚀、胶合等失效形式,这主要是由于润滑不良造成的,因此保证其良好的润滑性能十分关键。分析圆弧齿线圆柱齿轮的啮合接触过程,简化其接触模型,并基于弹流润滑理论建立了圆弧齿线圆柱齿轮等温弹流润滑的物理模型及数学模型。通过直接迭代法和Fortran语言编程进行数值求解,得到其油膜特性曲线,并分析比较了卷吸速度、载荷以及润滑油黏度对油膜压力和膜厚的影响。结果显示,卷吸速度是影响膜厚最重要的因素,润滑油黏度对油膜压力和膜厚都有着重要的影响,载荷的影响程度则相对较小。此外,用膜厚比判断齿轮润滑状态,在进行圆弧齿线圆柱齿轮设计时,使其尽量接近完全弹流润滑状态。     

基于弹性流体动力润滑理论的齿轮设计

齿轮传动是重要的传动形式之一,良好润滑是保证齿轮正常传动的关键因素.根据所建立的齿轮弹性流体动力润滑数学模型,进行数值求解,分析载荷参数、润滑油粘度对齿轮弹流润滑性能的影响规律.结果表明随着载荷增加,二次压力峰值减少,位置向入口区偏离;而增大齿轮润滑油的粘度,弹流油膜压力影响不是很大,油膜膜厚是逐渐增加的.最后,根据齿轮形成的最小油膜厚度与齿面粗糙度之比(即膜厚比)分析了齿轮传动的润滑状态.     

内啮合齿轮传动的弹流润滑

基于弹性流体动力润滑理论,建立了内啮合齿轮传动的弹流润滑模型。针对行星齿轮变速传动的两种工况,求出内齿轮和行星齿轮内啮合时各个啮合点的最小油膜厚度,绘出沿啮合线的弹流油膜厚度分布图。经过对膜厚图的分析得知,在行星轮和内齿轮啮合的节点靠近行星轮齿根处是油膜厚度的最薄弱处,且变速传动时,低速传动的内啮合工况润滑状态较差;经计算对比得出提高润滑油的粘度,可以增大润滑油膜的厚度;增大压力角提高油膜厚度的效果明显。提高齿轮啮合的油膜厚度对改善齿轮的润滑状态,降低齿轮的生产成本,具有实际使用价值。     

直齿轮减振修形优化设计

为了提高齿轮副实际齿面啮合性能,设计齿廓修形曲面,与理论齿面叠加构造了直齿轮实际修形齿面,结合TCA、LTCA技术,建立考虑啮入冲击、刚度激励的直齿轮弯扭耦合的多齿对振动模型,以传动误差幅值、啮合冲击、啮合线向相对加速度均方根最小进行多目标优化,设计了最佳修形齿面。研究表明:无修形齿轮的传动误差幅值随载荷增加而增大,修形后随载荷增加重合度逐渐增大,幅值会产生波动,然后保持稳定,修形后直齿轮啮入啮出端载荷明显降低,因此啮合冲击降低;该方法确定的齿轮修形参数精确、有效,能大幅度减小齿轮的振动。     

低速重载齿轮齿面磨损有限元分析

以某公司易维护SL1000型采煤机摇臂传动系统的末级齿轮为例,运用有限元法分析了正常齿面模型和3种不同程度齿面磨损模型在一个啮合周期内轮齿啮合的运动状态、齿面接触有效应力等。以Hertz理论为基础,验证了有限元法的正确性。通过仿真结果分析,得到不同位置、不同程度齿面磨损对低速重载齿轮啮合传动、齿面接触有效应力的影响。     

谐波齿轮传动轮齿润滑研究

本文通过研究谐波齿轮传动柔轮和刚轮在啮合过程中的啮合状态、齿面速度和齿间载荷分布规律,分析计算了轮齿间油膜厚度和润滑状态。结果表明,对于动力传递用谐波齿轮传动减速器,其齿轮能形成正确渐开线啮合的范围很小,在啮合过程的大部分时间内是处于尖点啮合状态。在正确啮合区内有可能形成弹流油膜,但膜厚比一般小于3;在尖点啮合区内则几乎不存在流体润滑或弹流润滑效应。因此,谐波齿轮传动中轮齿的润滑状态主要为边界润滑或混合润滑。台架试验如铁谱分析结果也表明,轮齿润滑确实为边界润滑或混合润滑。