喷油润滑内齿圈外圆面红外测温及误差分析

高速重载人字齿轮箱的摩擦功率损失会转换成为温升,齿面温度测量是评价齿轮箱润滑和冷却设计的重要手段。针对某人字齿轮箱中内齿圈外圆面温度的在线实时准确测量需求,提出了一种基于红外测温仪的旋转齿轮表面温度测量方法,并分别设计搭建了相关测试试验装置。首先,分析了基于红外测温仪的旋转齿轮表面温度测量误差的影响因素;其次,通过试验对待测齿面的发射率进行标定;最后,开展了不同转速工况下的喷油润滑齿轮表面温度测量试验,并分析了吹气压力和吹气温度对红外测温误差的影响。研究结果表明:待测齿面喷涂黑色哑光漆后的标定发射率为0.96,而红外测温光路上的光学镜片会使红外测温值低2℃左右;带有空气吹扫管的红外测温仪可以在线实时测量旋转内齿圈外圆面的温度,且红外与热电偶测温值的最大相对误差不超过7%;选择合适的空气吹扫压力和吹扫温度,可以进一步减小红外测温误差。

内凹刀盘加工的直齿锥齿轮齿面接触分析

为了在国产数控弧齿锥齿轮机床上采用内凹刀盘加工直齿锥齿轮,对使用内凹刀盘加工直齿锥齿轮的原理和齿面接触分析(Tooth Contact Analysis,TCA)方法进行了研究。基于内凹刀盘的加工原理和结构特点,建立了内凹刀盘加工的直齿锥齿轮的齿面数学模型,给出了相应的齿面接触分析方法;编写齿面接触分析程序,计算得到了齿轮副的接触斑点和传动误差曲线;通过实际的切齿加工和接触斑点检验,验证了齿面数学模型以及TCA方法的正确性。研究为锥齿轮加工参数及刀具参数的确定与啮合质量控制提供了理论依据。

直纹面面齿轮共轭小齿轮的滚齿加工研究

针对直纹面面齿轮与圆柱齿轮不满足共轭关系而限制其在小传动比应用场合的情况,提出与直纹面面齿轮共轭的小齿轮及其滚齿加工方法。首先建立了直纹面面齿轮及其共轭小齿轮的齿面方程,获得共轭小齿轮相比圆柱齿轮的齿面偏差形貌;随后推导了阿基米德齿轮滚刀的齿面方程,并根据滚齿加工运动坐标系和啮合原理建立了圆柱齿轮的数学模型;在滚齿加工圆柱齿轮的运动基础上,通过增加滚刀的径向移动和工件的附加转动使滚刀切削刃逼近共轭齿面,附加运动由泰勒多项式表示,通过建立敏感矩阵方程并采用奇异值分解法迭代求解方程获得附加数控运动多项式系数,最后获得数控加工齿面;为评价直纹面面齿轮副的传动性能,进行了齿面承载接触分析,并与传统面齿轮-圆柱齿轮副进行了对比。研究结果表明:相同参数下,直纹面面齿轮副与传统面齿轮副的承载性能基本相同,完全能够代替传统面齿轮副传动;数值算例和仿真加工对该方法的验证表明,其数值算例误差不超过1μm,仿真结果误差不超过6μm,证明了该方法的可行性和准确性。

高速精量播种机阿基米德螺线型弧面双齿盘覆土装置设计与试验

针对现有重型精量播种机在高速作业时存在覆土装置影响播种均匀性、种沟内种子被“架空”等问题,基于阿基米德螺线切刃曲线与挤压式覆土原理相结合的思路,设计了一种阿基米德螺线型弧面双齿盘覆土装置,实现了覆土厚度适宜且均匀一致,降低覆土作业对播种均匀性影响的目的。本研究对覆土装置的结构参数、覆土量进行分析,确定了影响覆土效果的主要参数取值范围;利用EDEM离散元仿真技术建立了覆土装置-种子-土壤间的离散元模型,对关键参数进行仿真优化,确定弧面双齿盘的最优参数组合;通过田间试验对该装置的作业性能进行了验证。研究结果表明:影响弧面双齿盘作业性能的主要结构参数为阿基米德螺线型弧面双齿盘的中心间距、安装倾角、入土深度。当弧面双齿盘的中心间距为142.6mm、安装倾角为20°、入土深度为55mm时,该装置通过性能良好,覆土厚度均匀一致,平均厚度为47mm,合格粒距标准差、变异系数与空白对照组分别相差0.22mm、1.81个百分点,对播种均匀性影响小,满足精量播种的农艺要求。

考虑齿面闪温的风电齿轮箱裂纹故障特征分析

为了研究齿面闪温对风电齿轮箱裂纹故障时系统动力学响应的影响,利用Blok闪温理论分析齿轮啮合时的齿面温度,应用热变形公式计算齿廓形变,进而通过Hertz接触理论获得计及齿面闪温影响的轮齿刚度。考虑齿面闪温、阻尼、时变啮合刚度、综合啮合误差和齿侧间隙,建立含有高速级齿轮齿根裂纹的齿轮箱扭转动力学模型。通过时域图、频谱图、相图和Poincaré截面分析不同裂纹长度下系统振动特性随齿面闪温变化的规律,并比较裂纹故障仿真与实验的时频域结果。结果表明:齿面闪温使时域图上裂纹产生的冲击幅值增大、频域图中故障边频结构更为复杂、相图曲线向外扩展以及Poincaré截面离散点增多,且变化均随裂纹长度的增加越为明显。研究结论可为齿轮裂纹故障状态的诊断与监测提供依据。

基于自助法的弧齿锥齿轮齿面修正

为了降低弧齿锥齿轮在批量加工制造中存在的齿面偏差,提出一种基于自助法的弧齿锥齿轮齿面修正方法。以同一批次小样本弧齿锥齿轮作为研究对象,在自助法统计齿面偏差检测数据的基础上,得到大量的齿面偏差数据;利用NURBS曲面拟合方法构建齿面的均值差曲面,将它作为实际加工齿面,建立齿面偏差的数字化预控补偿模型,对它进行优化求解,得到批量齿面数控加工的机床修正参数,然后不断调整机床加工参数,实现齿面的预控修正补偿;最后对修正前、后齿面偏差作对比分析。结果表明:小轮齿面偏差比修正前降低了76.66%,验证了自助法齿面修正理论的有效性,对指导弧齿锥齿轮批量齿面修正提供了理论依据。

齿面粗糙度对风电齿轮箱行星轮系动力学特性影响

为研究齿面粗糙度对行星轮系动力学特性的影响,提出行星轮系齿轮副动态承载接触分析与系统振动位移耦合方法。以某型兆瓦级风电齿轮箱行星轮系为研究对象,基于分形理论对轮齿粗糙表面进行分形表征,通过齿轮副啮合变形协调条件,构建齿面动态承载接触状态与构件振动位移、粗糙齿面啮合误差以及摩擦力的关联关系,建立风电齿轮箱行星轮系动力学模型,分析粗糙齿面啮合误差与摩擦力对系统动态特性的影响。结果表明:随着粗糙度的增大,齿面载荷峰值与波动幅值增大,动态啮合刚度幅值出现明显波动,均载性能降低;增大粗糙度会降低行星轮系临界转速,在低转速区域内,其具有激励增振作用,而在临界转速区域附近,其具有阻尼减振作用;摩擦力主要影响行星轮系各构件振动位移,可改变动态啮合力在少齿啮合区的幅值。

基于SINUMERIK ONE的展成磨齿面扭曲修形模块开发

为了实现对齿向修形齿轮磨削时齿面扭曲的补偿,在研究SINUMERIK ONE数字化原生数控系统及其3GL开发软件基础上,以新型蜗杆砂轮磨齿机为研究对象,利用QT设计人机界面UI,用VS C++完成前端与后端设计,开发了蜗杆砂轮磨齿机扭曲修形模块。在人机界面上通过输入齿面修形参数和齿廓倾斜偏差,实现齿轮扭曲齿面补偿的自动化修形加工,极大地提高了磨齿机的开发效率与加工效率。

考虑安装误差的弧齿锥齿轮凹凸齿面印痕修正

弧齿锥齿轮作为重型燃气轮机中关键的动力传动部件,其双向传动的运行特点对齿轮凹凸齿面的接触印痕提出了更高的质量要求。为了满足实际需求,通过建立齿面啮合模型,利用考虑安装误差的齿轮接触分析(error tooth contact analysis, ETCA)技术研究了一对弧齿锥齿轮凹面和凸面均为工作面时,接触印痕随安装误差变化的数值规律。同时,以齿面印痕的中点位置、长轴倾角和面积作为印痕参数化处理后的特征值,优化齿轮安装误差调整值,修正印痕的不合理之处,实现凹凸齿面印痕的一致性和重叠性。滚检实验验证了模拟印痕的准确性,该修正规律可以为弧齿锥齿轮副的安装调整提供理论依据。

面齿轮车齿加工研究与试验验证

为了实现面齿轮的高精度、高效率加工,研究面齿轮的车齿加工技术。分析面齿轮车齿加工原理,建立刀具数学模型,根据车齿展成原理推导面齿轮的齿面及齿根过渡曲面方程。以配对渐开线圆柱齿轮共轭的面齿轮齿面作为基准齿面,构建车齿齿面的偏差齿面,分析不同刀具螺旋角、齿数和前角对车齿齿面的影响规律。使用YK2260MC数控车齿机床进行车齿加工,使用格里森650GMS齿轮检测中心,进行齿面误差检测。结果表明:左侧齿面和右侧齿面的误差最大分别为14.7、14.1μm,验证了所提车齿加工数学模型的正确性,为提高面齿轮的加工精度和效率,进一步改进面齿轮车齿工艺提供了参考。

成形磨削人字齿轮齿面扭曲消减设计方法

齿面扭曲是螺旋线修形人字齿轮成形磨削时产生的一种加工误差,为了消减齿面扭曲,提高磨削精度,基于逆向思维提出了一种齿轮反扭曲加工计算方法来消减齿面扭曲引起的加工误差。根据成形磨削人字齿轮空间啮合坐标系,求解标准齿轮齿面、齿面扭曲和齿面反扭曲多位置处的接触线,并通过计算齿面法曲率和螺旋线修形量,建立人字齿轮齿面反扭曲模型;联合蒙特卡洛法对修形前后人字齿轮进行接触线优化,通过有限元方法分析齿面反扭曲和齿面扭曲的传动误差、齿面接触应力;最后,比较了修形后齿面扭曲和齿面反扭曲的动态特性。结果表明,齿面反扭曲加工能够有效消减人字齿轮齿面加工原理性误差,提高人字齿轮磨削精度。

正交直齿面齿轮车齿刀具精确设计方法

为提高正交直齿面齿轮的加工精度,提出了一种针对正交直齿面齿轮的车齿刀具精确设计方法。基于齿轮交错轴啮合原理,对面齿轮的车齿加工过程进行解析;通过与面齿轮啮合的圆柱齿轮渐开线齿廓,包络出车齿刀齿面方程;基于法向平面,设计了刀具结构并推导了刀具切削刃表达式;求解切削刃与面齿轮的啮合条件式,推导数控加工规律并对面齿轮齿面进行了理论计算与仿真加工;将结果与面齿轮理论齿面进行了数值对比。结果表明,当刀具不存在误差时,可以得到面齿轮理论齿面;通过Vericut仿真,齿面误差保持在10 μm以内。

基于平面共轭对数的弧齿锥齿轮齿面设计研究

为了提高弧齿锥齿轮建模模拟在承载工作的情况下所得出数据的准确性,在球面渐开线弧齿锥齿轮齿面成形设计原理的基础上,引入平面共轭对数对球面渐开线弧齿锥齿轮齿面形成理论进行进一步的研究与改进,建立与法向截面圆弧齿形点位相接触的弧齿锥齿轮数学模型,并利用修改后的齿面设计理论进行弧齿锥齿轮工作齿面、齿顶根曲线及齿根过渡曲面的齿面精确数学建模,使大小轮之间的共轭曲面啮合精度得到提升,从而提高弧齿锥齿轮在循环啮合过程当中的接触强度与稳定性,并对原先球面渐开线理论中所具有的对弧齿锥齿轮传动时的轴角可分性进行分析,进行存在轴角误差时对该设计下齿轮的传动误差的影响。

蜗杆砂轮位置变化对展成磨齿齿面偏差的影响

圆柱齿轮展成磨齿过程中,不同的蜗杆砂轮位置误差对齿面磨削精度的影响不同。应用双参数包络理论建立了蜗杆砂轮展成磨削的数学模型,分析了齿面的啮合迹线分布规律。通过含蜗杆砂轮位置误差的齿面偏差计算模型计算齿轮的端面廓形误差。通过对比分析得到齿廓偏差、齿厚偏差与砂轮位置变化规律,为分析展成磨齿误差来源和提高蜗杆砂轮展成磨齿精度提供了理论依据。

考虑中心距安装误差下的齿面磨损特性分析

以重合度为1~2之间的定轴渐开线直齿轮为研究对象,基于Archard磨损模型数值仿真齿面磨损的分布规律,研究齿轮中心距安装误差对齿轮啮合过程的影响,揭示中心距安装误差对齿面磨损的影响机理。结果表明:在0.1%的中心距误差下,中心距的增大会使齿轮的重合度下降,啮合区域变小,啮入点的位置远离齿根,从而减小齿面磨损。

基于改进分形方法的齿面磨损故障直齿轮啮合特性分析

考虑实际的轮齿表面微观形貌,建立了轮齿间相互作用的三维分形接触模型。结合轮齿承载接触分析方法,考虑轮齿间摩擦力的影响,建立了直齿轮副的时变啮合刚度模型,并通过有限元方法进行了验证。结合Archard磨损模型,考虑齿面粗糙度和摩擦力的影响,分析了齿面磨损故障状态下直齿轮副的啮合特性和磨损深度,同时分析了摩擦力和分形参数对时变啮合刚度和磨损深度的影响。摩擦力导致节线处的时变啮合刚度发生突变。当直齿轮副处于双齿啮合时,摩擦因数的增加和分形维数的降低导致磨损深度的增加和时变啮合刚度的降低。时变啮合刚度随分形维数的变化呈线性变化。分形维数对时变啮合刚度和磨损深度的影响随着磨损周期的增加更为明显,超过了摩擦因数对其的影响。

考虑界面摩擦效应的齿轮齿面断裂风险预测研究

在循环载荷作用下,齿轮齿面断裂是裂纹源萌生于次表层位置发生的一种疲劳断裂失效形式,该失效模式与轮齿内部位置点的局部材料强度和局部应力状态密切相关。基于接触理论及弹性力学基础理论,建立含界面摩擦的轮齿内场应力和含硬度梯度的应力强度计算数学模型,开展齿轮齿面断裂风险预测研究。结果表明,计算最大应力风险位置发生在齿面下一定深度位置,与齿面断裂疲劳源表征位置基本一致。随着摩擦因数的增加,轮齿内部安全系数降低,表明界面润滑不良易引起轮齿内部裂纹加速萌生而造成齿面断裂疲劳失效。提出的齿面断裂风险预测模型为抗齿轮齿面断裂设计制造提供基础技术性保障和支撑。

考虑载荷变化域的斜齿轮副齿面组合修形稳健设计

工程实际中,齿轮副的载荷条件通常不是恒定不变的,而是位于某一变化域中。为了解决考虑载荷变化域的斜齿轮副齿面修形设计问题,首先,构造了基于柔度矩阵法的齿面承载接触方程,并提出了基于能量切片法的齿面法向柔度计算方法,从而建立了修形斜齿轮副传递误差的快速计算方法;其次,基于稳健优化设计理论,以齿轮副传递误差波动量的均值和方差最小为目标,综合采用齿廓修形、螺旋线修形和对角修形,建立了考虑载荷变化域的组合修形参数稳健优化数学模型;然后,将带精英策略的非支配排序的遗传算法与传递误差计算方法相结合,求解得到组合修形参数的Pareto前沿解集;最后,从Pareto前沿解集中选取使传递误差波动量的均值和方差均较小的稳健修形参数,并分析了稳健修形斜齿轮副的传递误差波动量随载荷的变化规律。结果表明,采用所提方法得到的修形齿面对载荷变化表现出较强的稳健性。

车轮踏面磨耗对齿轨列车齿轮齿条接触状态影响研究

针对齿轨列车车轮踏面磨耗情况下难以探究齿轮齿条接触状态规律的问题,提出了一种基于Hertz接触理论的考虑车轮踏面磨耗情况的齿轮齿条齿面接触应力计算模型。首先,分析了磨耗情况下齿轮齿条的接触关系,获得了接触应力计算关键参数随车轮磨耗的变化规律,并结合Hertz接触理论构建了考虑车轮磨耗的齿轮齿条接触应力计算模型;然后,选取某工程齿轮齿条参数进行计算,获得了磨耗周期内的齿面接触应力分布,并通过27组有限元仿真试验获得了不同磨耗量、不同接触位置的齿轮齿条接触应力数据,与上述计算模型结果进行了对比;最后,运用上述计算模型进一步分析了车轮磨耗影响接触应力规律的内在机制和关键因素。结果表明,模型结果与仿真计算结果的最大相对误差为7.71%,验证了计算模型的准确性;车轮踏面磨耗量越大,齿轮齿条啮入点附近的接触应力越大,其影响机制是车轮磨耗导致啮入点附近驱动齿轮曲率半径急剧减小;增大初始中心距和齿条齿顶圆角影响系数,可降低车轮踏面磨耗对接触应力的影响,并可通过减小高度调整周期来优化接触状态情况。

基于蜗杆砂轮磨削斜齿面原理性自然扭曲计算及三截面参数修形优化试验验证研究

基于蜗杆砂轮磨削斜齿轮齿面原理性自然扭曲问题,计算推导磨齿加工接触迹方程,选取齿形齿向评价范围,建立齿面扭曲模型,求得蜗杆砂轮磨削斜齿轮自然扭曲下的齿形齿向角度偏差值,优化与自然扭曲相关的齿轮微观修形参数,包括减小齿向鼓形量、调整配对齿轮鼓形量、调整配对齿轮扭曲量,经试验验证可有效降低或补偿蜗杆砂轮磨削斜齿轮自然扭曲,即可有效改善齿轮承载性能,减小齿轮啮合冲击,提升传动精度和振动噪声水平。