斜齿轮传动系统动态齿面磨损失效机理及其动力学特性演化规律研究

Due to China’s weak industrial base, the Chinese government carried out the notice of special project about strengthening industrial basic parts. As one of the key basic parts, a high speed and precise helical gear transmission system will be taken in this research. The tooth face wear and its influence on dynamic characteristics of a helical gear system in the whole life cycle will be studied. Firstly, considering the tooth face wear, the helical gear stiffness is expressed as a series of parallel springs model and the mesh stiffness distribution model of a helical gear pair will be developed. Secondly, taking the mesh stiffness distribution excitation and torsional-swing vibration of a helical gear system caused by the non-uniform load distribution into consideration, a distributed flexural-torsional-axial-swing coupling dynamic model of a helical gear system will be presented and the problem that calculating accurately the dynamic responses and dynamic tooth contact stress will be solved by the model. Finally, based on the dynamic responses and tooth contact stress of the helical gear system, a multi-parameters helical gear system wear model with coupling the wear and dynamics will be established through theoretical analysis, simulation and experiment. Then, dynamic tooth face wear mechanism will be revealed and dynamic characteristics evolution rules of a helical gear system in the whole life cycle will be studied. All above studies will provide scientific theory support for low wear and high life design of a helical gear system.

针对我国工业基础能力薄弱，国家开展的“工业强基专项行动”的通知，本课题以重点基础部件高速精密斜齿轮传动系统为对象，对其在全生命周期运行过程中的齿面磨损问题以及齿面磨损对斜齿轮系统动力学特性的影响展开研究。首先，考虑齿面磨损将斜齿轮刚度表示为齿面上分布的一系列弹簧并联的模式，构建斜齿轮副啮合刚度分布模型。其次，引入啮合刚度分布激励，考虑齿面载荷分布的不均匀性引起的斜齿轮系统扭摆振动，建立斜齿轮系统的分布式弯-扭-轴-摆耦合动力学模型，解决解析法精确分析斜齿轮系统的振动响应和动态齿面接触应力的难题。最后，基于斜齿轮系统振动响应和动态齿面接触应力，通过理论分析、系统仿真和实验相结合的方法，构建磨损与动力学耦合下的斜齿轮系统的多参数磨损表征模型，揭示斜齿轮的动态齿面磨损机理，研究斜齿轮系统全生命周期动力学特性演化规律，该研究可为斜齿轮系统低磨损高寿命设计提供科学理论支撑。

齿轮系统在传递运动与动力的过程中，相互啮合的轮齿在大部分接触区域既有齿面相对滚动也有齿面相对滑动，这种滑动不可避免地产生齿面磨损现象。本研究针对齿轮系统的磨损与振动耦合作用，开展齿轮传动系统动态磨损机理及演化规律研究。通过三年的研究主要取得了以下研究成果：一、将斜齿轮等效为沿齿宽方向的等厚切片齿轮，考虑齿面磨损、齿廓修形、齿向修形、安装误差等误差，斜齿轮轴向力引起的轴向啮合变形，齿轮薄壁腹板、减重孔等复杂齿基，切片之间的耦合作用，构建了齿轮副时变啮合刚度模型，分析了齿轮副啮合特性；二、考虑斜齿轮接触线沿齿宽方向分布不对称，以及齿面载荷沿齿宽方向分布的不均匀性，将齿轮啮合表示为沿齿宽方向上分布的一系列弹簧的并联，建立了斜齿轮分布式弯扭轴摆耦合动力学模型，在此基础上分析了齿轮系统的振动特性和动应力特性；三、考虑齿轮传动系统运行过程中的动态齿面接触应力、动态齿面滑动速度、润滑、表面粗糙度、材料性能等，建立动态齿面磨损模型，揭示了斜齿轮的动态齿面磨损失效机理，形成了齿轮齿面磨损演化规律；四、基于深度自编码器、深度卷积神经网络和集成学习，建立了齿轮系统故障诊断模型、运行状态评估模型、剩余使用寿命预测模式，诊断了系统故障模式、评估了齿轮系统运行可靠性状态、预测了系统剩余使用寿命。基于以上研究成果，共发表SCI检索论文9篇，其中ESI高被引论文1篇；授权国家发明专利5项，受理国家发明专利5项；协助培养毕业博士研究生2名，硕士研究生4名；参加国际学术会议3次，国内学术会议2次，做学术报告共4次。在本项目的研究基础上，获国家自然科学基金面上项目资助。