空間齒輪傳動系統(tǒng)接觸動力學(xué)及相關(guān)問題研究.pdf

1、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

2、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)

3、計提供理論依據(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L

4、o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算誤差增大,當塑性指數(shù)超過1時,本文模型計算結(jié)果更加準確。基于本文的模型,分析了實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,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理奠定了基礎(chǔ)。
　　再次,建立了空間齒

5、輪傳動系統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)模型。進行了真空環(huán)境下與地面大氣環(huán)境下的齒輪系統(tǒng)溫升對比實驗,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)速等運行參數(shù)對系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點溫度的影響,得出真空無對流散熱時齒輪系統(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)瞬時溫升的影響,得出以上參數(shù)與接觸區(qū)瞬時溫升變化規(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

6、驗中振動測點定位困難的問題,提出了一種確定振動測點最佳位置的方法,并采用峭度指標法對理論分析得到的最佳測點進行了實驗驗證。研究了單一時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)合時頻分析才能更準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)健康診斷實驗平臺,綜合運用小波變換與解調(diào)分析方法對空間齒輪傳動系統(tǒng)運行不同階段的振動信號進行分析,表明小波分析與解調(diào)分析相

7、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),驗證了該方法的有效性。
　　最后,基于相電流細分技術(shù),研制了適用于真空環(huán)境中工作的恒定制動轉(zhuǎn)矩負載制動器。搭建了空間齒輪系統(tǒng)實驗平臺,進行了常壓環(huán)境和真空環(huán)境的對比實驗研究。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)境下運行后嚙合表面微觀形貌,分析了空間齒輪齒面不同點的失效情況,分析了接觸失效與應(yīng)力的相互關(guān)系。進行了真空條件下和空氣中常壓條件下齒輪對比實驗研究