关键词:
真实表面模拟
织构表面
摩擦学特性
表面接触特性
齿轮摩擦动力学
摘要:
随着科技与社会的发展,大规模应用于生产生活的各类机械装备对高精度、高可靠性以及高效率的要求进一步提升。而在各种机械装备中,运动和力的传递是非常重要的一环,传递过程的特性往往决定了其实际的服役性能。要实现运动和力的传递通常都要以界面之间的相互作用为基础,在这一过程中常常会涉及接触和摩擦。然而界面的形貌千差万别,其摩擦特性和接触特性受到多种因素共同作用。在混合润滑情况下,真实形貌界面的摩擦和接触行为更加复杂,尤其是对于三维线接触界面的分析完成度较低。目前对界面摩擦特性和接触特性的研究往往只考虑一两方面的因素,缺乏多学科交叉融合下的多参数耦合分析,对实际工程的指导意义不足。基于此,本文从接触表面的微观形貌入手,综合混合弹流润滑理论、接触力学、摩擦磨损理论,对具有不同微观形貌的接触表面开展摩擦特性和接触特性研究。在此基础上建立新的计算模型,分析以齿轮传动为代表的传动系统动力学特性与摩擦耗能问题,以期在实际工程应用中对各种精密高端装备的性能提升起到指导作用。论文的主要研究内容包括以下几点:(1)提出了一种改进的表面纹理形貌模拟方法。以FFT频谱法为基础,结合非高斯变换并引入粗糙峰分布方位角,提出能模拟具有典型机加工形貌粗糙表面的方法。另外一方面根据几何理论和生物表面微观结构,分别构造凹坑表面织构和仿生表面织构,并将模拟粗糙表面和构造的表面织构叠加得到粗糙织构表面。通过对粗糙表面的模拟,为后续不同微观形貌接触表面的摩擦特性和接触特性研究提供样本。(2)提出了优化的网格密度,构建织构表面摩擦特性优化指数。在此基础上结合三维线接触混合弹流润滑模型与数值求解方法,混合弹流润滑理论和Achard磨损模型,提出粗糙表面瞬态摩擦磨损计算方法。采用该方法,主要在线接触情况下分析织构表面与机加粗糙表面的摩擦磨损。表面为凹坑织构表面和仿生织构表面,机加工表面和具有粗糙峰方位角的表面。具体讨论了不同的工况参数、粗糙表面参数以及织构几何特征参数对粗糙表面摩擦磨损特性的影响,实现了相关参数的优化选择。(3)构建了混合润滑情况下粗糙表面接触刚度和阻尼计算模型以及考虑表面形貌特征的粗糙表面接触模型。分别从两个方面对粗糙表面的接触问题进行了分析,对应提出了两类计算表面接触参数的方法。一是结合混合弹流润滑理论和KE模型及粗糙表面卸载理论,提出一种在混合润滑情况下能计算粗糙表面接触刚度和接触阻尼方法。二是基于ZMC模型和非高斯表面分布函数以及椭圆微凸体接触理论,改进了计算考虑各向异性非高斯表面接触参数的方法,从而实现了对表面形貌特征在接触特性中的影响进行分析。采用以上两种方法,分析了形貌参数、工况参数以及润滑参数对表面接触参数的影响。(4)将表面形貌和润滑状态等因素引入了齿轮振动特性分析与能量耗散计算,建立了更为完善了齿轮动力学分析模型。根据建立的模型,计算了不同参数下齿轮的接触刚度和阻尼以及啮合刚度和阻尼,并分析了参数不同对刚度和阻尼的影响。以齿轮弯扭振动模型为基础,在混合润滑情况下,将考虑齿面粗糙度的啮合刚度和阻尼,齿面的摩擦都纳入统一的齿轮传动系统摩擦动力学模型,求解齿轮的非线性振动特性以及由摩擦带来的能量损失。比较不同粗糙齿面情况下的结果,分析了表面粗糙度对齿轮传动系统的影响。(5)开展粗糙表面测量实验以及凹坑织构环-块摩擦磨损验证实验,证明了提出方法与模型的适用性。