矿用重载齿轮滚磨光整加工颗粒流场的介质多尺度行为研究

Considering at the materials, geometry characteristics and finishing needs of heavy load gears in mining equipment, the particle flow field and its flow status change in mass finishing are analyzed based on the contact theory and discrete element method, the rules on the contact force and force chains change of the particle flow field among particles or the particle to the part surface are researched from the view of micro-scale and meso-scale, the relationship of the contact force or force chains with characteristic parameters, boundary conditions, initial conditions and external load of particles is revealed, multiscale particle behavior from shape, motion and mechanics are analyzed, multiscale correlations of particle media are discussed, main controlling factors are derived, the quantitative description of the contact force and force chains is studied according to the main factors, the finishing mechanism is illustrated. The rules of chamfering, finishing strength and material removal distribution of different characteristics positions like plane, convex and concave, etc., are researched, a new technology scheme of mass finishing for heavy load gear in mining equipment is comprehensively developed. This project aims to solve the problem of finishing and repairing of heavy load gear, thus providing a new theoretical support and research thought for the development of complex structural parts mass finishing. The research results will have reference significance to the surface integrity machining of the key parts in the field like wind power, nuclear power, high-speed rail, aerospace and others, and at the same time this is beneficial to promote the progress of particles mechanics.

针对矿用重载齿轮的材质、几何构形和加工要求，基于颗粒接触理论和离散元方法，分析滚磨光整加工的颗粒流场及颗粒流动形态的变化，从微观和细观尺度研究颗粒流场中介质之间及其对被加工表面的接触力和力链演变，揭示接触力和力链与颗粒特征参数、颗粒体系边界和初始条件、外荷载的关系；探索加工介质的结构、运动、力学等方面的多尺度行为及其跨尺度关联，提炼主要控制因素，研究主要因素对接触力和力链影响的定量描述方式，阐明颗粒物质对流场中被加工表面的加工机理；研究不同棱边倒圆规律，以及平面、凸面、凹面等特征部位的材料去除率和滚磨光整强度分布规律，综合形成重载齿轮滚磨光整加工新工艺方案，最终解决重载齿轮的光整加工和修复难题，为实现复杂结构零件的滚磨光整加工技术开发提出一种全新的理论支撑和研究思路。研究成果将对风电、核电、高速铁路、航空航天等领域的关键件表面完整性制造具有借鉴意义，也有利于推动颗粒物质力学研究的进展。

为满足工业应用的模拟需求，对比分析了并行处理、降低剪切模量、增大颗粒介质直径等多种提高模拟效率方式的优缺点，提出了通过增加时间步长提高离散元模拟速度的方法；提出了测试和标定颗粒介质参数的具体方法和实现流程；创设组合修正方案，提出了修正的接触力表达式，为实现颗粒流场的有效模拟拓展了思路、提供了手段。耦合模拟分析了各种振动流场、旋转流场及复合流场中颗粒的流动形态，确定了颗粒介质的运动学和动力学行为，定性描述了力链的演化及其动力学规律；提出采用动态力传感器和CCD激光位移传感器测试颗粒介质作用力与速度的方法，研发了测试装置，测试了不同加工方式、干式和湿式不同颗粒介质、不同工艺参数、不同位置等条件的作用力和速度变化情况，从而实现颗粒流场的创成与调控，为高性能零件光整加工方案的确定和工艺参数的优化提供了理论基础。分析了不同类型齿轮类零件的材料、加工工艺、几何构形、服役工况和实际的光整加工需求等，提出了不同类型齿轮类零件滚磨光整加工的新工艺方案，建立了数学模型和运动模型，理论与模拟相结合分析了影响加工效果的主要因素及其影响规律。研发了可自动控制的多功能滚磨光整加工试验平台，分析了工艺参数对倒圆半径和材料去除的影响规律，对表面粗糙度、微观形貌、显微硬度和残余应力等表面完整性主要参数的影响，拟合分析出表面粗糙度的预测模型；测试分析了提高抗疲劳性能、耐磨性能的效果和机理，建立了疲劳寿命预测模型。研发了不同类型齿轮类零件的光整加工装置、多种结构的新型工装，实现了不同类型齿轮类零件的光整加工。拓展研究方面，研制了新型聚氨酯颗粒介质、新型树脂颗粒介质，提出了一种磨液的制备方法，进一步满足高端装备高性能零件日益增长的高品质光整加工需求；完成了光整加工数据库平台搭建及工序模版设计，为零件光整加工工序规范性和加工质量一致性提供了技术保障。