發(fā)布時(shí)間：2020-06-13 18:42

【摘要】：隨著空間技術(shù)的發(fā)展，空間飛行器必須具有更長的使用壽命和更高的可靠性。空間機(jī)構(gòu)作為飛行器中必不可少的重要組成部分，研究其接觸失效的主要影響因素與抑制措施，對于提高空間飛行器的可靠性與壽命具有重要意義。由于齒輪傳動系統(tǒng)的接觸分析具有典型的代表性，本文將以其作為研究對象。在空間高真空環(huán)境下，金屬接觸時(shí)的粘附力及表面形貌對齒輪接觸失效產(chǎn)生重要影響，其接觸變形的過程非常復(fù)雜，涉及彈性、彈塑性及全塑性不同階段�？臻g飛行器齒輪傳動系統(tǒng)在真空環(huán)境下失效與在地面環(huán)境下失效明顯不同，，其熱力學(xué)、接觸力學(xué)及摩擦學(xué)行為具有明顯的特殊性，有必要對其進(jìn)行深入的研究。本文以空間某飛行器上工作的齒輪傳動系統(tǒng)為研究對象，深入研究系統(tǒng)主要參數(shù)、接觸表面屬性和溫場分布對系統(tǒng)接觸動力學(xué)特性的影響。 首先，基于Hertz接觸理論建立了空間齒輪接觸應(yīng)力沿嚙合線變化的數(shù)學(xué)模型。分析齒輪模數(shù)及齒數(shù)比對嚙合接觸應(yīng)力的影響，得出空間齒輪接觸應(yīng)力分布規(guī)律。確定了影響齒輪嚙合接觸應(yīng)力分布的主要因素，為齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。分析了摩擦系數(shù)對空間齒輪接觸應(yīng)力分布的影響，得出法向力與切向力的共同作用下主剪應(yīng)力的變化規(guī)律，在一定切向力作用下，應(yīng)力變化幅度約為100%。采用理論分析與有限元相結(jié)合的方法，建立空間齒輪有限元接觸分析模型，為熱力耦合分析奠定基礎(chǔ)。 其次，基于單一粗糙峰與剛性平面接觸理論，考慮真空環(huán)境中金屬表面粘附力的影響，建立了粗糙表面形貌接觸分析簡化模型，模型有效區(qū)分了粗糙峰的彈性、彈塑性及全塑性變形。將本文的彈塑性模型與Lo等人提出的全彈性模型對比，結(jié)果表明：在較小的塑性指數(shù)時(shí)兩者基本一致，隨著塑性指數(shù)變大，Lo等人的全彈性模型的計(jì)算誤差增大，當(dāng)塑性指數(shù)超過1時(shí)，本文模型計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確�；诒疚牡哪Ｐ�，分析了實(shí)際接觸面積與名義接觸面積比、切向承載能力隨接觸正載荷的變化關(guān)系，分析了表面硬度、表面粗糙度及無量綱塑性指數(shù)對其接觸特性的影響。針對空間高真空的特點(diǎn)，分析了表面能對接觸失效的影響，為研究空間齒輪接觸失效機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。 再次，建立了空間齒輪傳動系統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)模型。進(jìn)行了真空環(huán)境下與地面大氣環(huán)境下的齒輪系統(tǒng)溫升對比實(shí)驗(yàn)，確定了熱網(wǎng)絡(luò)模型的邊界條件。在此基礎(chǔ)上，分析了真空環(huán)境下系統(tǒng)載荷、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)對系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度的影響，得出真空無對流散熱時(shí)齒輪系統(tǒng)的溫場分布規(guī)律。分析了齒輪轉(zhuǎn)速、齒面滑動摩擦系數(shù)等參數(shù)對接觸區(qū)瞬時(shí)溫升的影響，得出以上參數(shù)與接觸區(qū)瞬時(shí)溫升變化規(guī)律。采用有限元法完成齒輪接觸熱力耦合分析，得出齒面瞬時(shí)溫升與接觸應(yīng)力的變化關(guān)系。 然后，針對空間齒輪壽命實(shí)驗(yàn)中振動測點(diǎn)定位困難的問題，提出了一種確定振動測點(diǎn)最佳位置的方法，并采用峭度指標(biāo)法對理論分析得到的最佳測點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究了單一時(shí)域分析和頻域分析在空間齒輪傳動系統(tǒng)健康診斷中的局限性，指出只有在小波理論分析齒輪傳動系統(tǒng)振動信號的基礎(chǔ)上結(jié)合時(shí)頻分析才能更準(zhǔn)確得到空間齒輪傳動系統(tǒng)健康狀態(tài)的診斷結(jié)果。建立了空間齒輪系統(tǒng)健康診斷實(shí)驗(yàn)平臺，綜合運(yùn)用小波變換與解調(diào)分析方法對空間齒輪傳動系統(tǒng)運(yùn)行不同階段的振動信號進(jìn)行分析，表明小波分析與解調(diào)分析相結(jié)合的方法能夠有效診斷空間齒輪傳動系統(tǒng)的健康狀態(tài)，驗(yàn)證了該方法的有效性。 最后，基于相電流細(xì)分技術(shù)，研制了適用于真空環(huán)境中工作的恒定制動轉(zhuǎn)矩負(fù)載制動器。搭建了空間齒輪系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了常壓環(huán)境和真空環(huán)境的對比實(shí)驗(yàn)研究。采用掃描電鏡（SEM）及原子力顯微鏡（AFM）觀測了齒輪在真空環(huán)境下運(yùn)行后嚙合表面微觀形貌，分析了空間齒輪齒面不同點(diǎn)的失效情況，分析了接觸失效與應(yīng)力的相互關(guān)系。進(jìn)行了真空條件下和空氣中常壓條件下齒輪對比實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同環(huán)境下齒輪主要失效形式。結(jié)果表明：真空條件下齒輪副比空氣中常壓條件下更易發(fā)生粘著磨損，空氣中常壓條件下磨損形式主要表現(xiàn)為疲勞磨損和磨粒磨損。研究了空間齒輪齒形及離子滲氮層厚度對齒頂失效的影響，為齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
【圖文】：

圖 2-3 漸開線齒輪傳動嚙合原理圖chematic drawing of the involute gears meshing transmission接觸線長度接觸應(yīng)力的大小與嚙合過程中相互接觸的齒對數(shù)量態(tài)時(shí)，其接觸線長度為單倍齒寬，此時(shí)的載荷僅接觸線長度為兩倍齒寬，載荷由嚙合的兩對輪齒共合分界點(diǎn)的位置與齒輪重合度有關(guān)，其表達(dá)式為 1 1 1 2 2 arccos arccosb a b a R R tg z tg R R t —齒輪齒頂圓半徑(mm)；—齒輪齒數(shù)。應(yīng)力數(shù)學(xué)建模入式(2-6)及式(2-8)中，可得 x 0處最大法向力 p0

- 24 -三維曲面圖 等值線圖d) 摩擦系數(shù) μ=0.6圖 2-7 不同摩擦系數(shù)時(shí)主剪應(yīng)力分布Fig. 2-7 Principal shear stress of the different frictional coefficient
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：V414.1;TH132.41

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 黃華梁,李柯;漸開線圓柱直齒輪本體溫度的邊界元法分析[J];機(jī)械設(shè)計(jì);1993年01期

本文編號：2711582