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齿轮接触疲劳—磨损失效竞争机制研究

齿轮接触疲劳—磨损失效竞争机制研究

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作者：刘鹤立重庆大学

学位级别：硕士

齿轮的接触疲劳失效问题显著制约高端机械设备如风电、直升机、舰船等传动系统的传动效率、疲劳寿命及可靠性。然而,诸如微点蚀、跑合阶段磨损时的接触疲劳失效形式变化规律等机理还未被完全理解与揭示。影响齿轮接触疲劳失效的因素众多... 详细信息

齿轮的接触疲劳失效问题显著制约高端机械设备如风电、直升机、舰船等传动系统的传动效率、疲劳寿命及可靠性。然而,诸如微点蚀、跑合阶段磨损时的接触疲劳失效形式变化规律等机理还未被完全理解与揭示。影响齿轮接触疲劳失效的因素众多,不同因素之间联系紧密且复杂,容易导致多种失效形式之间的竞争现象,可能造成失效形式的错误判断,误导齿轮设计与加工制造过程,增加了齿轮接触疲劳分析的复杂程度。因此,本论文基于兆瓦级电齿轮副几何及工况参数,结合多源影响因素,开展齿轮接触疲劳失效机理及失效竞争机制研究,具有重要的理论价值和实践意义。本论文针对接触疲劳-磨损失效竞争现象,基于弹流润滑及多轴疲劳等理论,虑及齿面形貌分布与渗碳硬化特征,建立了考虑磨损效应的齿轮接触疲劳数值分析模型,研究多源因素耦合导致的失效竞争机理,试图为齿轮设计及失效预防提供支撑。主要研究内容如下:1)齿轮副接触压力及次表面应力应变分析。基于2 MW风电齿轮箱中间级齿轮副的工况及几何运动学特征,建立考虑实测粗糙度的齿轮接触弹流润滑模型,分析接触压力与油膜分布;基于Hertz接触理论分析齿轮次表面应力-应变场分布;为等效表示接触过程中的复杂多轴应力历程,基于Dang Van准则等多种多轴疲劳理论,在考虑渗碳硬化特性的条件下,分析并比较齿轮副接触过程中等效应力分布特征;2)齿面粗糙度对齿轮副接触疲劳影响分析。基于弹流润滑接触模型,虑及硬度梯度及残余应力梯度分布特征,修正Dang Van图的固有缺陷,绘制不同深度沿滚动方向分布的材料点的应力轨迹,从而描述啮合过程中不同表面粗糙度状态对滚动接触应力历程及接触疲劳失效风险的影响。结果表明,粗糙度对次表面的应力特征影响有限,而表面高失效风险极易引起微点蚀萌生;齿面粗糙度均方根值越大,啮合过程中齿面或十分接近齿面处接触疲劳失效风险越高;3)磨损过程中的接触疲劳失效竞争机制研究。基于上述接触疲劳失效分析数值模型,结合Archard’s磨损公式,模拟齿轮循环接触中齿面粗糙度的演变;利用Palmgren-Miner损伤线性累积准则,分析磨损过程中损伤累积分布特征,探究不同接触疲劳失效形式之间可能存在的竞争失效机理。研究表明,磨损是造成跑合阶段齿轮点蚀、微点蚀之间竞争失效的主要原因,但若齿面粗糙度均方根值降至一定程度,微点蚀风险可能被完全消除。

关键词：齿轮接触疲劳表面粗糙度磨损失效竞争机制

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