航空齿轮钢强化工艺与表面完整性关联规律研究

目的 探究不同加工工艺与表面完整性的关联规律。方法 对渗碳航空齿轮钢AISI9310进行常规喷丸、二次喷丸、微粒喷丸、滚磨光整、喷丸光整等齿轮高表面完整性强化加工工艺处理,使用白光干涉仪、X射线衍射应力仪和显微硬度计对不同工艺状态下的试件进行表面形貌、表面粗糙度、残余应力和显微硬度等表面完整性表征。结果 喷丸能使得航空齿轮钢的表面粗糙度Sa值由磨削状态的0.68μm增加到0.96μm,而光整处理后,Sa下降到0.2μm以下;微粒喷丸使表面残余压应力提升到–1 300 MPa,相比于常规喷丸和磨削状态,其幅值分别增加了450、800 MPa;滚磨光整使得表面残余压应力幅值进一步增加到1 400MPa以上;二次喷丸及喷丸光整能显著提升表面硬度,相比磨削状态的645HV分别提升到718HV、721HV。结论 二次喷丸、微粒喷丸、光整等工艺通过影响齿轮表面粗糙度、残余应力、硬度梯度等表面完整性参数,从而影响润滑状态、受力状态、应力集中、失效风险等,直接影响齿轮的服役性能。

喷油润滑聚醚醚酮的接触疲劳性能

聚醚醚酮(PEEK)是一种高强度、耐热的工程塑料,但其接触疲劳基础数据的缺失制约了它在重载场合下的高可靠、长寿命服役。开展了喷油润滑下的PEEK滚子滚动接触疲劳试验与PEEK齿轮接触疲劳试验,绘制了接触疲劳S-N曲线。对比发现,PEEK滚子滚动接触疲劳极限比齿轮接触疲劳极限高14%,接触压力135 MPa下的滚子滚动接触疲劳寿命比齿轮接触疲劳寿命长58%,进而提出PEEK的滚子-齿轮接触疲劳寿命转换公式。

航空高速齿轮服役温度预测模型研究

随着高速重载下航空传动服役温度的不断提高,齿轮胶合失效成为制约飞行器性能的关键因素。为高效预测航空齿轮服役温度,针对某航空发动机齿轮提出了一种基于顺序耦合的齿轮温度仿真分析方法,考虑固-液-气多相对流换热及不同齿面散热系数等因素,模拟了航空齿轮在不同工况下的本体温度和齿面闪温。经验证说明,该数值方法与ISO/TS 6336-20闪温法标准计算结果吻合良好,不同工况下接触温度最大偏差控制在10%以内;当传动系统输入转速为22400 r/min、转矩为119.4 N·m时,分流大齿轮的接触温度达到242.6℃,齿轮胶合安全系数为1.22,存在胶合失效风险。所提出的仿真分析方法能有效预测航空等领域高速齿轮服役温度,为评估航空齿轮胶合失效风险提供了高效可靠的方法。

同向平双齿轮传动系统设计分析软件开发

同向平双齿轮传动系统设计过程复杂、参数众多,型号更迭导致结构参数匹配困难、工作量大,亟待开发专用设计分析软件以提高设计效果和效率。建立了同向平双齿轮传动系统优化模型,基于C++语言与Qt应用程序框架开发了同向平双齿轮传动系统专用设计分析软件;结合工程案例对软件的可运行性、优化效果、信效度进行了对比分析,验证了软件的有效性和可靠性。结果表明,所开发的软件实现了某同向平双齿轮传动系统比现有水平减重7.98%,优化结果稳定收敛且收敛精度达99.02%,齿轮安全系数偏差率控制在8%以内,实现了良好的高功率密度设计,有望推动行业设计方法转型升级。

基于误差补偿的RV减速器摆线齿廓二次共轭修形方法

提出一种可以对加工误差进行补偿的RV减速器摆线齿廓二次共轭修形方法,通过建立的误差补偿模型,确定一次修形量,得到理论零侧隙摆线齿廓;再以给定的径向间隙、回差作为约束条件,通过建立的共轭齿廓优化模型确定二次修形量,得到共轭摆线齿廓。研究结果表明:该方法在单误差及组合误差条件下,均可对零件误差进行合理补偿,所确定的共轭齿廓在不发生装配干涉和保证传动精度的条件下,能改善齿面受力情况,降低摆线轮最大接触应力。该方法可应用于RV减速器的设计和装配阶段,降低零件加工难度和成本,具有重要的工程应用价值。

高性能齿轮传动数据库软件设计与开发

针对我国高性能齿轮传动基础数据管理不规范,齿轮传动数据库和设计软件功能欠缺等问题,设计了高性能齿轮传动数据库软件框架和数据库结构,基于C++语言、Qt应用程序框架和轻量化数据库引擎SQLite开发了高性能齿轮传动数据库软件,并应用于齿轮行业设计分析和生产管理。该软件实现了齿轮材料、工艺、结构、性能等基础数据的高效流程管理和科学数据分析;开发了包括工况分析、寿命预测、轴承选型、结构优化等齿轮传动系统设计模块,实现复杂可变边界条件下齿轮传动系统设计和多目标优化;成功应用于同向平双齿轮传动系统减重、特种车辆重载齿轮数据整理分析等,为高性能齿轮传动行业提供自主可控的有效工具支撑。

低碳合金钢18CrNiMo7-6齿轮弯曲疲劳试验研究与误差分析

齿轮弯曲疲劳试验是评价齿轮弯曲疲劳性能的重要手段,为保证试验结果的准确性,探究试验过程误差对试验结果的影响。根据GB/T 14230—1993《齿轮弯曲疲劳强度试验方法》中的B试验法以跨五齿对称加载方式制定弯曲疲劳试验方案,进行有限元仿真与电阻应变片测试验证试验方案的正确性,采用升降法开展18CrNiMo7-6喷丸齿轮弯曲疲劳试验,分析齿轮几何精度、装夹误差以及设备加载精度对弯曲疲劳试验结果的影响。结果表明:试验方案计算齿根弯曲应力与有限元仿真以及电阻应变测试的结果最大误差为8.7%,满足工程需求;99%可靠度下18CrNiMo7-6喷丸齿轮弯曲疲劳极限为642 MPa,相比国标中MQ级的500 MPa提高28%,标准设计偏保守。齿轮的几何精度以及试验设备精度对弯曲疲劳试验结果影响较大,考虑误差综合作用对试验结果的影响为2.43%。

基于Monte-Carlo模拟的小样本下齿轮疲劳极限计算方法及软件开发

齿轮疲劳极限评估Dixon-Mood(D-M)法的试验样本需求量较大,标准差估计值存在较大偏差,因此基于Monte-Carlo模拟提出小样本的齿轮疲劳极限分析方法(CQUboot),并结合大量弯曲疲劳极限试验对D-M法和CQUboot法进行了对比分析。与GB/T 14230—2021《齿轮弯曲疲劳强度试验方法》推荐的20~22个样本计算结果相比,样本量降至12时,D-M法的最大误差为15.76%~24.99%,CQUboot法为8.02%~12.98%;以12.66%为疲劳极限预估允许的最大误差时,D-M法至少需要10~18个样本点,CQUboot法只需8个样本点。

铸锭工艺对齿轮弯曲疲劳性能影响的试验研究

当前,表面硬化齿轮存在多种铸锭工艺状态,开展铸锭工艺对齿轮弯曲疲劳性能影响研究,对齿轮抗疲劳精益设计和成本控制有十分重要的意义。对模铸锭、连铸坯和电渣锭18CrNiMo7-6渗碳齿轮开展了表面完整性表征测试,研究了不同铸锭状态齿轮的齿根残余应力、表面粗糙度和硬度差异;基于国家标准GB/T 14230—2021《齿轮弯曲疲劳强度试验方法》,设计了齿轮弯曲疲劳试验方案,对模铸锭、连铸坯和电渣锭18CrNiMo7-6齿轮开展了升降法齿轮弯曲疲劳试验,获取了不同可靠度下的弯曲疲劳极限,探究了铸锭工艺对齿轮弯曲疲劳极限的影响;对3种工艺状态齿轮开展了Locati快速测定法的齿轮弯曲疲劳极限测试,研究了两种试验方法的弯曲疲劳极限结果差异,为我国齿轮疲劳基础数据建设与抗疲劳主动设计提供参考。

18CrNiMo7-6齿轮—4106航空润滑油摩擦学系统胶合试验与数据管理

针对常规浸油润滑齿轮胶合试验不能真实反映齿轮喷油润滑实际运行环境的问题,参考FZG A/8.3/90齿轮胶合承载能力试验方法,使用喷油润滑齿轮疲劳试验台,开展了4106航空润滑油喷油润滑条件下的18CrNiMo7-6渗碳钢制齿轮在磨削和喷丸工艺下的胶合性能试验;并基于两参数威布尔分布理论,实现了不同可靠度下的齿轮胶合性能评价。进一步,基于Python语言和轻量化数据库SQLite开发了齿轮胶合试验数据管理系统,以实现胶合试验数据的有效管理和高效利用。研究表明,同样工况和工艺条件下,齿轮胶合失效的临界FZG载荷级存在2~3级的分散性;基于GB/Z 6413.1—2003闪温法发现,在4106航空润滑油喷油润滑条件下,对于50%、90%、99%可靠度,喷丸工艺状态的齿轮胶合温度分别为212.55℃、183.22℃、152.24℃,相比磨削工艺状态分别提升了1.51%、7.31%、14.99%;开发的数据管理系统实现了胶合试验数据流程管理,通过系统中的两参数威布尔分布拟合功能,可获取不同可靠度下齿轮胶合温度,为评估齿轮胶合承载能力提供了高效工具。

小螺距滚柱牙型非接触式检测与偏差评价方法

行星滚柱丝杠副(planetary roller screw mechanism, PRSM)是旋转运动与直线运动相互转化的新型重载精密传动装置,螺纹牙型加工质量直接决定其传动精度和承载性能。针对小螺距PRSM滚柱牙型非完整短圆弧检测评价的难题,利用高精度三坐标测量机对滚柱轴向截面牙型非接触式检测,提出了基于非线性内点算法的滚柱牙型曲线拟合方法,验证了滚柱牙型曲线的拟合精度;建立了滚柱螺纹牙型偏差评价模型和偏差评价方法,绘制了基于本偏差模型的牙型偏差评价图,分析并总结了滚柱牙型偏差分布规律。提出的小螺距PRSM滚柱牙型检测评价方法,拟合残差平方和达到1.5×10~(-4)数级,牙型半径拟合精度控制在6μm,牙型圆心z_0坐标拟合精度控制在9.8μm,能够定量评判滚柱牙型形状精度和位置精度,在工程实际中具有可行性。

基于标称齿轮当量载荷的聚合物齿轮齿面承载能力评价方法

目前,聚合物齿轮主要沿用金属齿轮齿面承载能力评价方法,未能综合考虑聚合物齿轮材料属性、润滑状态和应力条件等多因素的影响,导致工程实际中聚合物齿轮材料选择、强度设计和齿面承载能力评估时严重依赖工程经验,限制了高承载精益设计。提出了基于标称齿轮当量载荷的聚合物齿轮齿面承载能力评价方法,获取了不同润滑状态、齿轮材料、加工方式等在内的共169组、6000余小时聚合物齿轮耐久试验数据。研究结果表明,油润滑可显著提高塑料齿轮的齿面承载能力,且油润滑下PEEK(聚醚醚酮)齿轮相比POM(聚甲醛)和PA66(聚酰胺)齿轮的齿面承载能力高30%以上,为聚合物齿轮主动设计和动力传递应用提供了评价方法和基础数据支撑。

齿轮动态应力无线测试系统开发及应用

齿轮传动过程中承受复杂应力状态,在循环载荷下可能发生齿轮接触疲劳和弯曲疲劳失效,齿轮动态应力的准确测量是保障其传动稳定性与可靠性的重要途径。基于STM32微控制器设计数据采集和无线传输电路,编写数据处理、显示、存储的上位机程序,开发了齿轮动态应力无线测试系统。在齿轮弯曲疲劳试验中进行了测试,其结果表明,齿根弯曲应力测试值与ISO标准计算值的误差在5%以内,与有限元计算值的最大误差在10%以内,验证了该测试系统具有较高的准确性。

基于数据驱动的零部件疲劳寿命预测研究现状与发展趋势

随着风电、高铁、航空等重大装备向着高可靠性、长寿命、智能化的方向发展,对齿轮、轴承等基础零部件的寿命提出更高的要求,也迫切需要更为科学、高效的疲劳寿命预测方法。机械零部件的寿命预测方法可分为基于物理失效模型、基于数据驱动模型和基于融合模型3种。随着零部件寿命预测研究向高精度、高效率发展,基于物理模型的寿命预测方法由于其模型复杂、耗时、不具有普适性等缺陷难以满足现代需求。基于数据驱动技术由于其具有无需知道其具体失效机理、预测结果准确等优点,且伴随机器学习、深度学习等技术的迅速发展,使得其成为零部件疲劳寿命预测研究的热点。鉴于此,详细阐述了基于数据驱动的机械零部件疲劳寿命预测方法,并详细介绍了神经网络、支持向量机、随机森林、深度学习等数据驱动方法在零部件寿命预测中的应用,总结了每种方法的特点,探讨了基于数据驱动的零部件寿命预测方法的发展趋势,并给出了基于GA-BP神经网络齿轮接触疲劳寿命预测研究的案例。

微齿轮齿面磨损行为及仿真分析

微型齿轮作为微机电系统(MEMS)的关键零部件,齿面磨损是影响其服役性能及失效形式的主要因素之一。为了研究微齿轮齿面磨损机理,基于Archard磨损理论,利用ABAQUS二次开发UMESHMOTION子程序,结合ALE自适应网格技术,建立了微齿轮齿面磨损有限元分析模型,得到了不同啮合周期下的齿面磨损分布规律,并进行了试验验证。基于构建的有限元模型,考虑主、从齿面磨损的相互作用,分析了不同材料性能(弹性模量)及材料配对方式对齿面磨损分布及大小的影响。研究结果表明,微齿轮齿面磨损最严重的地方发生在靠近齿根的基圆附近,齿顶附近磨损较轻;与材料性能相比,不同材料配对对微齿轮磨损大小影响更显著。

基于加工误差敏感度与模糊层次分析法的行星滚柱丝杠公差匹配优化方法

行星滚柱丝杠(PRSM)公差主动设计对提高其传动性能与加工可行性有着至关重要的作用。建立了综合考虑丝杠、滚柱、螺母的螺纹同轴度误差、螺距误差与中径误差的PRSM行程误差及轴向间隙模型,计算得到各误差因素敏感性指数;基于三角模糊数的专家评判层次分析法,计算各误差因素加工权重,初步分配PRSM行程精度各误差项公差;基于序列二次规划算法对轴向间隙各误差项公差进行优化;以标准型PRSM为例,验证了该方法的有效性。结果表明:针对行程精度与轴向间隙各误差项进行公差优化的方法,不仅极好地平衡了行程精度与轴向间隙,且增加了关键公差带宽度,提高了零件加工可行性,算例表明,优化后完整周期内轴向间隙最小值由-25μm变为0,避免螺纹干涉发生;优化后V300行程变动量基本不变,公差带宽度平均增加65%,保证PRSM 5级精度指标的同时提高了关键零件加工可行性,降低了加工成本,可为PRSM公差主动设计理论提供参考。

渐开线圆柱齿轮胶合承载能力计算标准比较研究

以新一代航空发动机传动系统等为代表的高端传动装备面临高速、高温、重载等极端服役环境挑战,使得胶合失效成为齿轮主要失效形式之一,严重影响系统寿命和可靠性。针对国内常用的3个齿轮胶合评价标准在齿轮胶合承载能力计算结果之间差异较大,且标准公式适用范围存在差异的问题,详细研究了闪温法和积分温度法,从理论分析、公式对比和案例分析三个方面开展了渐开线圆柱齿轮胶合承载能力标准对比研究;并针对FZG A型齿轮,进行了对比计算分析。结果表明,由于HB/Z 84.4的平均摩擦因数计算结果偏高,与GB/Z 6413.2相比计算结果偏大,HB/Z 84.4结果偏保守。GB/Z 6413.1和GB/Z 6413.2在较大的转矩、油温、转速范围内,齿面温度计算结果相差不大;但是,随着模数的减小,二者的齿面温度计算结果差异变大;模数在4~7 mm内,二者齿面温度计算结果相差不大。

载荷和安装误差对小模数螺旋锥齿轮啮合特性影响分析

基于双重双面法切齿原理和加工方法,建立小模数螺旋锥齿轮数学模型,采用有限元仿真技术,建立齿轮副加载接触分析模型,形成小模数螺旋锥齿轮精确数学模型-实体模型-加载接触分析模型的建模分析流程;分析额定载荷和载荷变化2种情况下的双重双面法螺旋锥齿轮啮合特性,探究小轮轴向安装误差、大轮轴向安装误差和轴交角安装误差对齿轮副啮合特性的影响规律。研究结果表明,随着载荷的增大,啮合印痕面积、传动误差、齿根弯曲应力和齿面接触应力均增大,但当载荷远小于额定载荷时,传动误差大于额定载荷时下的传动误差;小轮远离轴交点的轴向安装误差对螺旋锥齿轮啮合特性有较大的影响,大轮靠近轴交点的轴向安装误差对齿根弯曲应力和齿面接触应力影响较大,但对传动误差影响较小,轴交角安装误差、大轮轴向安装误差和小轮轴向安装误差对螺旋锥齿轮副啮合特性的影响逐渐增大。

齿轮接触疲劳微观结构作用研究综述

随着航空、风电等装备对齿轮传动功率密度、承载能力、寿命要求的提高,齿轮接触疲劳失效成为限制现代齿轮装备服役性能与可靠性的重要瓶颈,其中,材料的微观结构特征从根本上决定了齿轮等服役件疲劳性能的优劣。通过调研国内外相关研究现状,介绍了齿轮材料中残余奥氏体、碳化物、晶粒等主要微观结构及其对齿轮接触疲劳性能的影响。归纳了现有基于微观结构建模和微结构力学本构模型的齿轮疲劳数值模拟方法,用来描述齿轮接触疲劳中的微结构力学行为,以提升对齿轮疲劳关键特征和机理的理解。重点对齿轮存在的多种接触疲劳失效形式进行了详细阐述,分析了影响齿轮接触疲劳失效的主导因素、诱发的微观结构与力学性能变化特征以及潜在机理。为进一步理解齿轮服役过程中的微观结构演化特征与力学性能退化的关联关系以及接触疲劳失效内在机理、形成高性能齿轮抗疲劳设计制造方法提供了参考。

基于机器视觉的齿轮接触疲劳数值分析

传统宏观齿轮接触疲劳寿命预测方法基于均匀连续材料假设,未考虑多晶体的微观结构,难以描述材料的真实微观结构特征对齿轮滚动接触疲劳寿命影响。为了突破传统方法的局限,提出一种基于机器视觉数字图像处理技术,考虑材料真实微观结构的齿轮接触疲劳数值分析方法。首先,通过表征试验获取齿轮节点处啮合区域材料的真实晶粒形貌;其次,采用MATLAB图像处理工具箱识别晶粒形貌图像,生成真实微观几何拓扑结构;第三,构建弹塑性连续损伤耦合的本构关系,建立齿轮接触疲劳分析二维有限元数值模型;最后,研究齿轮循环受载历程中最大接触压力、晶界剪应力以及晶界损伤的分布情况,分析齿轮节点啮合区域不同微观结构特征对损伤的影响。研究结果表明:基于机器视觉的图像处理技术能很好地模拟齿轮材料的真实微观结构;在齿轮接触疲劳损伤过程中,最大接触压力呈现逐渐减小趋势;随着循环加载次数增加,损伤逐渐出现局部化现象;在损伤后期,采用图像处理法进行微观结构重构时,损伤速率显著加快。