（轮机工程专业论文）船用齿轮齿面润滑与接触问题数值分析.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 摘要 齿面的润滑与接触状况直接关系到齿轮传动装置的振动、噪声以及齿轮的 点蚀、胶合、过度磨损等失效形式的出现。目前，重承载能力、高可靠性、低 功耗、低振动及噪声的船用齿轮设计理念已经越来越引起了人们的重视，并成 为了未来发展的趋势。然而，由于传统齿轮润滑设计方法的局限性，使得该方 法不再能够满足现代设计的需要。因此，开展对齿轮润滑与接触问题的深入研 究是非常有意义的。 本研究以某单级船用齿轮为研究对象，开发出了一套专门针对渐开线直齿 轮的润滑与接触特性分析的程序模块以指导船用齿轮的润滑设计和出现故障之 后的失效分析。论文的主要内容可以概括为以下几点： ( 1 ) 首先，本文介绍了齿轮润滑油的功效和在啮合传动过程中齿面所处的 润滑状态。并对船用齿轮的常见失效形式及相关影响因素进行了深入分析。 ( 2 ) 通过对齿面的运动与受力分析，同时将实际的船用齿轮啮合传动问题 进行了适当的简化，最终建立起了线接触的物理模型。 ( 3 ) 建立了关于渐开线直齿轮的混合弹流润滑分析及齿面强度分析的数学 模型，并给出了具体的数值计算方法。 ( 4 ) 利用m a t l a b 软件完成了具体的程序设计，经过程序调试之后，成功的 开发出一套专门针对渐开线直齿轮的润滑与接触特性分析程序模块。将与其相 关的初始条件参数输入到该程序中，便能够算出齿轮在整个啮合过程中的润滑 油膜厚度、膜厚比、油膜承载百分比、摩擦系数、齿面及油膜中心处的温度、 啮合点处的局部最大剪应力和v o mm i s e s 应力分布等重要参数的数值解。 ( 5 ) 最后，对齿轮的影响因素进行了讨论，结果表明：1 ) 齿面粗糙度是 一个非常重要的设计参数，即使齿面综合粗糙度均方根( r m s ) 值仅仅有0 1 微 米的偏差都会对齿面的工作状况产生很大的影响。此外，降低齿面粗糙度却有 可能会造成润滑油膜温度的升高；2 ) 环境温度主要是对油膜的温度有较大影响； 3 ) 合理地选用齿轮润滑油能够使齿面具备一定的抗过载能力；4 ) 低转速状态 下运行的影响也是值得重视的，转速越低对齿轮则越不利。 关键词：船用齿轮；混合弹流润滑；温度；摩擦系数；强度分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l u b r i c a t i o na n dc o n t a c tp e r f o r m a n c eo fg e a rt o o t hi n f l u e n c e sd i r e c t l yt h e v i b r a t i o na n dn o i s eo fg e a rt r a n s m i s s i o nd e v i c e ，a n ds e v e r a lf a i l u r ef o r m so fg e a rs u c h a sp i r i n g ，s c u f f i n ga n de x c e s s i v ew e a r c u r r e n t l y , t h ew e i g h tb e a r i n gc a p a c i t y , h i g h r e l i a b i l i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wv i b r a t i o na n dn o i s eo fm a r i n eg e a rd e s i g n c o n c e p th a sb e c o m ei n c r e a s i n g l ya t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no fp e o p l e ，a n db e c o m et h e f u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n d s h o w e v e r , d u et ot h el i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a ld e s i g n m e t h o d ，t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o dn ol o n g e rm e e tt h en e e do fm o d e md e s i g n t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nl u b r i c a t i o na n dc o n t a c tp r o b l e mo fm a r i n eg e a ri sv e r y m e a n i n g f u l w i t has i n g l em a r i n eg e a ra sr e s e a r c ho b j e c t ，t h i ss t u d yd e v e l o p e das p e c i a l p r o g r a mm o d u l ef o rl u b r i c a t i o na n dc o n t a c tp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fi n v o l u t es p u r g e a ri no r d e rt og u i d eg e a rl u b r i c a t i o nd e s i g na n df a i l u r ea n a l y s i sa f t e rm a l f u n c t i o n t h em a i ni d e ao ft h et h e s i sc a nb es u m m a r i z e da st h ef o l l o w i n gp o i n t s ： ( 1 ) f i r s to fa l l ，i ti n t r o d u c e de f f e c t so fg e a rl u b r i c a n t sa n dl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n o fg e a rt o o t hi nt h ep r o c e s so fm e s h i n g f u r t h e r m o r ec o m m o nf a i l u r ef o r m so fm a r i n e g e a rl u b r i c a t i o na n dr e l a t e df a c t o r sw e r ea n a l y s i s e d ( 2 ) b a s e do nt h em o v e m e n ta n df o r c ea n a l y s i so fg e 鸡a tt h es a m et i m ep r o p e r s i m p l i f i c a t i o nw a sa l s om a d et ot h ea c t u a lm a r i n eg e a rp r o b l e m f i n a l l y , t h ep h y s i c a l m o d e lo fl i n ec o n t a c tw a se s t a b l i s h e d ( 3 ) b o t ht h em a t h e m a t i c a la n a l y s i sm o d e lf o rm i x e de l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i - c a t i o n ( e h l ) a n dt o o t hs u r f a c es t r e n g t ha b o u ti n v o l u t es p u rg e a rw e r ed e r i v e d ，a n d d e t a i l e dn u m e r i c a la l g o r i t h m sw e r eg i v e n ( 4 ) b yu s i n gt h es o f t w a r eo fm a t l a ba n da f t e rd e b u g g i n g , as p e c i a lp r o g r a m m o d u l ef o rl u b r i c a t i o na n dc o n t a c tb e h a v i o ro fg e a rt o o t ho fi n v o l u t es p u rg e a rw a s s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d i n p u tt h ei n i t i a lc o n d i t i o np a r a m e t e r sr e l a t e dt ot h ep r o g r a m ， t h e nn u m e r i c a ls o l u t i o n so fs e v e r a li m p o r t a n tl u b r i c a t i o np a r a m e t e r si nt h ew h o l e p r o c e s so fm e s h i n g w e r ec a l c u l a t e d ，i n c l u d i n gf i l mt h i c k n e s sr a t i o ，p e r c e n t a g eo fl o a d b yf i l m ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n d c e n t e rt e m p e r a t u r eo fc o n t a c tz o n e i i ( 5 ) f i n a l l y ，i n f l u e n c ef a c t o r so fg e a rw e l ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：1 ) s u 】融er o u 酉m e s si sav e r yi m p o r t a n td e s i g np a r a m e t e r s e v e ni fr o u g h n e s sr m s o n l vh a v et oo 1 m i c r o m e t e rd e v i a t i o no fg e a rt o o t hs u r f a c e ，i tw i l l e x e r tg r e a t i n f l u e n c eo nt h ew o r k i n gs t a t u s i na d d i t i o n ，r e d u c i n gr o u g h n e s s ，h o w e v e r , m a y b e c a u s eh i g h e rf i l mt e m p e r a t u r e ；2 ) a m b i e n tt e m p e r a t u r eh a v em a i ni n f l u e i l c e o nt n e t 锄p e r 栅eo ff i l m ；3 ) t h r o u g ht h er e a s o n a b l e s e l e c t i o no fl u b r i c a n ti sa b l et om a k e t o o t hs u r f a c e sh a v ec e r t a i nr e s i s t a n c e o fo v e r l o a da b i l i t y 4 ) r u n i n gu n d e l t h e c o n d i t i o no fl o ws p e e di sa l s os h o u l db e c a r e da b o u t t h el o w e rt h es p e e d1 s ，t h em o 粥 h a r m f u lt og e a r k e y w 。r d s ：m a r l n eg e a r ；m i x e de h l ；t e m p e r a t u r e ；蹦c t i 。n c o e f f i c i 饥t ； s t r e n g t ha n a l y s i s i i i 武汉理工人学硕士学位论文 主要符号表 符号名称单位 6 h e n z 接触鞔6 ：辱 m p n 最大赫兹压力，p 2 ( c b ) e p a 2 x r 艿线接触的接触线长度m h 油膜厚度 m r ，瓦油膜温度及环境温度k 互：两接触固体表面的温度 k p 压力 p a e名义单位线宽外载荷n m 昂节点处啮合时的单位齿宽载荷n m e ，e油膜和粗糙峰各自所承担的载荷n m p h ，p c接触区中心处油膜和粗糙峰各自承担的压力 p a f f h ，f f ，c油膜和粗糙峰各自所产生的摩擦力n m 届2两接触固体的密度k g m 3 刁，7 7 0润滑油的粘度及其环境粘度 p a s 蜀：接触点处两表面轮廓各自的曲率半径 m r 综合蟀艳r 2 器 m i v 武汉理工大学硕士学位论文 巨：两接触固体各自的弹性模量p a e 综合弹性魑q 1 l ( 1 - 巨0 7 + 警 p a c ，c 1 2润滑油及两接触固体各自的比热容j k g k 一1 k ，毛2润滑油及两接触固体各自的热传导率 w m k 。1 u i ，2 两接触表面各自的运动速度 m s 砟卷吸速度，= ( 甜。+ 甜：) 2m s u s 娃d i n g相对滑动速度，蚝，撇= “。一心m s x ，z 沿齿面轮廓的切向及法向坐标 m 口 b a r u s 粘压系数p a 一1 br o e l a n d s 粘温系数 k 一1 f e 滑动摩擦系数 摩擦系数 q 2 两接触固体的泊松比 f 剪应力 p a 仇平均峰元密度 1 m 2 6 s 平均峰元曲率半径 m q综合粗糙度均方根( r m s ) 值 m 名 膜厚比( 无量纲油膜参数) 说明：下标l 、2 分别代表主、从齿轮的有关参数。 v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了感谢。 签名：犁盈勇日期_ 丝；，! ! ：墨乡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留交向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：丞丞塑 导师( 签名) ： 日期矽p 气 武汉理上人学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 选题背景与研究目的及意义 齿轮传动装置是机械设备中最常用的一种传动方式，其工作性能及使用寿 命固然与几何参数设计，齿轮选材，加工方法、热处理及装配工艺等因素有关。 同时，还应该注意到润滑也是至关重要的问题，润滑的目的不仅在于能够形成 一定厚度的油膜以避免和减轻齿面之间因直接接触而导致的危害，而且还有助 于提高传动效率、增强散热、防止锈蚀、缓冲和吸振。有关统计资料表明，国 外因润滑不合理而导致齿轮减速器失效的占1 0 ，我国则占2 5 【lj 。 船舶齿轮减速器广泛应用于内河船舶、近海客货船、作业船、渔船、远洋 船舶及各种军用舰船【2 j 。它与由船舶主机( 一般民用船舶多为中、低速柴油机) 、 联轴节、轴系及螺旋桨共同组成了船舶推进系统，其主要作用是实现减速、倒 顺车、并车及分车传动等功能。图卜l 所示为一种能够实现多台船用柴油机并 车功能的齿轮传动系统简图，柴油机的并车台数可以为双机、三机或四机【3 】。这 种联合传动的布置形式，可以将主机所发出的有限动力进行优化组合。 一 -一广 瓦五i 而 。高_ = 一( - 二”i l- 兰i 卜( 电堑圃 一 图1 1柴油机并车齿轮传动系统简图 可见，船用齿轮减速器设计的优劣会直接关系到船舶推进系统的可靠性、 机动性及经济性。随着科技水平的不断进步，船用齿轮的载荷、尺寸、振动及 噪声等各项性能指标都在不断地提高，同时面临着世界能源的同益匮乏的现实， 船用齿轮减速器的设计越来越引起了全世界的重视。目前，重承载能力、高可 靠性、低功耗、低振动及噪声的船用齿轮设计理念已同益被人们所接受，并成 为了船用齿轮未来发展的趋势。因此，对船用齿轮齿面润滑与接触问题的研究 武汉理1 ：人学硕士学位论文 具有非常重要的意义。 1 2 目前我国齿轮润滑设计的常规方法介绍 迄今为止，我国关于齿轮润滑问题尚无完善的理论，润滑设计参数的计算 也还不够完备。齿轮润滑设计中还仍然是以非常简化的模型为理论基础，即根 据h e r t z 接触公式和d o w s o n 经验公式建立起来的。这些公式大都不考虑载不同 啮合点处的曲率半径、卷吸速度、齿面间所受载荷、润滑剂的粘度和密度随温 度和压力等参数的瞬时变化对润滑效果的影响。目前，我国对于闭式齿轮减速 器的润滑设计一般包括齿轮润滑油种类、粘度以及润滑方式的确定3 个部分。 在国标j b t 8 8 3 1 - 2 0 0 1 即“工业闭式齿轮的润滑油选用方法”中给出了工业齿轮 润滑油选用的常规方、法【4 捌。 ( 1 ) 润滑油种类的选择 首先，基于经典的h e r t z 接触理论并根据实际经验引入各种修正系数，从而 推导出了齿面节点处所受到的接触应力计算公式。对于渐开线圆柱齿轮齿面接 触应力计算有 o h = z h z e z s z 8 式中，“+ 号用于外啮合传动，“一 号用于内啮合传动。f 为齿面所传递的载 荷；吐为小齿轮的分度圆直径；b 为工作齿宽z n 、z e 、乙、z a 分别为节点区域系 数、弹性系数、重合度系数及螺旋角系数；足彳、k pk ，口、k 口分别为使用系数、 动载系数、齿间载荷分配系数及齿向载荷分布系数。 根据所算得的接触应力盯值所处的应力范围便能够确定出需要选用的润 滑油的种类。 ( 2 ) 润滑油黏度的选择 然后，通过计算低速级齿轮的节圆圆周速度范围，同时考虑齿轮工作的环 境温度，确定所选润滑油的黏度等级。 ( 3 ) 润滑方式的选择 最后，根据节圆圆周速度来确定出齿轮的润滑方式。 y ：万d w l n l( 1 2 )y = l 上一么， 6 0 0 0 0 式中：v 为齿轮节圆圆周速度m s ；d 。为小齿轮的节圆直径，m m ；n 。为小齿轮 2 武汉理工大学硕+ 学位论文 的转速，r m i n 。 一般当节圆圆周速度小于1 5 m s 时采用油浴润滑，大于1 5 m s 时则采用喷油 润滑。 由此可见，目前普遍采用的常规齿轮润滑设计方法具有很大的局限性。该 方法并不能准确地判断出啮合过程中齿面所处的真实润滑状态，同时润滑油膜 的承载比例、摩擦系数、温升及齿面应力状态等润滑参数显然也是无法得知的。 然而，以上多个润滑参数往往是从事润滑设计的工作人员最为关注的重要参数。 1 3 国内外相关理论的研究现状 对于一些高副接触的摩擦副( 齿轮、凸轮及滚动轴承等) 来说，载荷作用 集中且接触压力大是这类零件的共同特点。过度磨损、疲劳点蚀、胶合等失效 形式也常常与它们相伴，并且在很大程度上限制了它们的使用强度和寿命。在 很长一段时间内，由于缺乏一种准确而有效的润滑分析技术手段，使得这类零 件的润滑问题都一直困扰着国内外相关的设计人员。 1 - 3 1 弹流润滑的研究 弹性流体动力润滑( e l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ) 简称为弹流润滑( e h l 或e h d ) 是近几十年来摩擦学研究的重要领域。它是一门专门以解决名义点、 线高副接触摩擦副的润滑问题为研究目标的重要理论，从该理论诞生至今已经 有6 0 多年的历史了【6 。 在弹流润滑理论的研究中，其核心是在求解r e y n o l d s 方程的过程中同时考 虑润滑油的粘压效应和表面弹性变形【7 】。于是相应的数学计算则变得十分繁琐， 通常只能借助计算机，采用数值分析的研究手段。由于近几十年来计算机的性 能得到了巨大的飞跃，这使得弹流润滑研究取得了长足的进步，并获得了许多 重要的研究成果。通过采用数值分析的方法已经能够针对摩擦副所处的不同工 况条件，分析出摩擦副所处的润滑及受力状态，从而能够为摩擦副的润滑设计 以及出现故障之后的失效分析提供一种准确而快捷的分析手段。 目前，弹流研究已经由过去仅考虑光滑表面的润滑研究逐步深入到了更加 真实的去考虑表面粗糙度，以及其他一些重要影响因素的的混合弹流润滑( 又 被简称为混合润滑) 研究阶段。并逐步发展成为了不仅能够解决机械零件设计， 3 武汉理工大学硕十学位论文 同时还能解决诸如材料成型【8 9 1 、人工关节设计【1 0 1 2 】等现代工程问题【5 l 】的一种重 要理论。 1 3 2 混合弹流润滑的研究 有关弹流的实验研究和理论计算都早已证实，实际上在重载、高温、大滑 动速度下工作的摩擦副表面的粗糙度往往与其间的润滑油膜厚度在一个数量级 水平，甚至是要大于润滑油膜厚度，因此粗糙度的影响是不可以忽略的。直到 2 0 世纪7 0 年代，混合弹流润滑理( m i x e de l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ，m i x e d e h l ) 论才在人们逐渐增强对接触表面粗糙度的认识背景下逐步发展起来的，于 是它便成为了弹流润滑理论的进一步延伸。 在目前的混合弹流润滑的研究中，研究人员已经不仅仅考虑到了表面粗糙 度效应，而且曾经一度被人们所忽略了的诸多其影响因素( 例如非稳态效应、 润滑剂的流变特性、乏油现象、液固边界滑移现象、磨损现象等) 也得到了一 定的重视，并取得了相应的研究成果。以下对j o u r n a lo ft r i b o l o g 、t r i b o l o g y i n t e r n a t i o n a l 和w e a r 等国际核心期刊上所刊登的关于点、线混合弹流润滑问题 理论研究所取得的最新进展予以简要介绍。 2 0 0 4 年，美国学者w a n g t l 3 j 等利用2 0 世纪7 0 年代p a t i ra n dc h e n g 所提出的 著名的平均流量r e y n o l d s 方程，提出了一种解决混合弹流润滑问题的简化方法， 即m a c r o m i c r o 的求解方法，在一定程度上减少了传统的混合弹流润滑问题研究 的数值求解困难。2 0 0 5 年，日本学者c h e n 等【1 4 】等对以水为润滑剂条件下的两圆 盘摩擦副为对象，基于平均流量r e y n o l d s 方程，同时考虑了表面粗糙度，对该 有限长线接触接触表面所出现的穴蚀现象成因进行了理论研究，指出两圆盘的 滚动速度、水温及表面粗糙标准偏差值时导致穴蚀的重要影响因素。2 0 0 6 年， 我国学者杨沛然及王优强等【l5 】基于非牛顿、热弹流线接触的数学模型，采用了 多重网格法，研究了在乏油状态下摩擦副的润滑特性。同年，葡萄牙学者 c a m p o s t l 6 】等专门针对m i l l 2 3 6 9 9 润滑油的特殊属性建立了非牛顿的润滑剂模 型，同时考虑了表明粗糙度及热效应，采用n e w t o n r a p h s o n 算法分析了两圆柱 滚子的润滑问题。2 0 0 7 年，美国学者z h u 等【i7 】建立了具有确定性的粗糙表面的 混合弹流润滑模型，假设粗糙表面直接接触的地方会发生磨损，并且磨损率正 比于相对滑动速度和该处的接触压力，反比于表面硬度。在每次数值模拟循环 都考虑进摩擦副表面材料的磨损量和表面形貌的相应跟新的前提下，求解了润 4 武汉理工大学硕+ 学位论文 滑油膜的厚度及接触压力分布，并指出了该方法能够被广泛地应用到各种工程 问题。2 0 0 8 年，美国学者n e e l e s h 等l l8 j 针对点接触混合弹流润滑问题建立了确 定性的三维粗糙表面模型，对处于不同载荷下的纯滚动或滚滑状态点接触混合 润滑问题进行了数值模拟，该模型不仅能够模拟从边界润滑状态到全膜润滑状 态的过渡，而且能预测由于粗糙表面相接触而产生的瞬时闪温。另外在对压力 及温度分布求解时采用了f f t 法，从而显著地减少了运算量。2 0 0 9 年，美国学 者r e n 等【l9 】针对有限长线接触混合弹流润滑问题建立了考虑粗糙表面形貌特征 的确定性的三维粗糙表面模型，并指出此改进是十分必要的，之此前所采用的 借助二维粗糙表面模型来分析混合润滑问题的很多不恰当之处。 可见，目前的混合弹流润滑研究已经逐步深入到将包括表面粗糙度在内的 多种实际存在的影响因素予以同时考虑，并且积极地探索更加准确、简便且快 捷的数值分析方法的研究阶段。 1 3 3 以齿轮为对象的润滑与接触问题研究 与普通滑块、滚子和圆盘这类早期弹流润滑的研究对象不同，关于齿面的 润滑与接触问题的研究本身另外还具有几何、速度及载荷参数瞬时变化大，接 触区温升显著等更为复杂的特点。因此，关于齿面的润滑问题的解决程度一直 被视为衡量弹流润滑发展的重要标志，并成为了世界各国竞相研究的重要课题。 以下是关于齿面润滑研究的最新进展。 2 0 0 4 年，我国学者王优强等【2 0 j 在国际著名摩擦学学术期刊t r i b o l o g y 砌纪朋鳓d ，z 订，上发表了一篇关于渐开线直齿轮的瞬态弹流润滑文章。他们基于牛 顿流体、齿面为光滑表面及轮齿是刚性的假设，采用多重网格法做了理论研究。 得出的结论是：热效应显著影响啮入、啮出点处的油膜厚度，但对中心压力影 响不大；压力、摩擦系数和油膜温度的最大值均出现在节点附近；小齿轮转速 和传递功率对摩擦系数和温度的影响较大。同年，韩国学者y pk o o 2 i 】基于有限 长弹流润滑模型，采用了n e w t o n r a p s o n 算法得到了齿面的三维的油膜压力分 布及齿面油膜的厚度。2 0 0 5 年，英国学者h 0 1 m e s 【2 2 】建立了齿面的混合弹流润滑 模型，并分析了表面粗糙峰形貌及h e r t z 接触应力对表面粗糙峰承载量的不同影 响。2 0 0 6 年，加拿大学者d i a b 等1 2 3 j 通过混合弹流润滑数值模拟，提出了一种能 够预测由齿面摩擦而导致的功率损失的方法。2 0 0 7 年，美国学者x u 等【2 4 】建立 了渐开线斜齿轮齿面润滑的数学模型，并提出了能够预测平行轴齿轮传动装置 武汉理工大学硕+ 学位论文 的机械效率的方法。2 0 0 8 年，美国学者a k b a r z a d e h 与k h o l l s 撕【2 5 2 6 】基于j o h n s o n 于1 9 7 2 年所提出的载荷分担( l o a d s h a r i n g ) 的研究混合弹流润滑的方法，建 立了简化的混合弹流润滑的数学模型，分析了在渐开线直齿轮齿面的粗糙峰与 油膜各自的承载比例、油膜厚度、摩擦系数、及齿面和润滑油膜各自的温度变 化等润滑特性参数。接着于2 0 0 9 年上述两位学者【27 】在以上工作的基础之上进一 步研究了齿面在啮合传动过程中的粘着磨损现象。 1 3 4 国内的相关研究 至于国内的相关研究，整体上的进展与国际先进水平之间还是存在一定的 差距，但也有部分学者取得了非常重要的研究成果。青岛理工大学的杨沛然于 1 9 9 8 年编著的了目前国内著名的弹流专著流体润滑数值分析。该书中详细介 绍了进行数值求解线接触弹流润滑基本方程的具体算法实施过程【2 8 1 ，极大的促 进了我国弹流研究的发展。此外，青岛理工大学近年来无论是在点、线弹流润 滑的理论及实验研列2 9 抛】，还是在针对齿轮【3 3 _ 3 5 1 的润滑研究均取处于得国内研 究的前列。杨沛然、王优强等也已成为了国际上润滑理论研究领域的著名学者。 他们所掌握的压力求解的多重网格法，温度求解的逐列扫描法等技术在计算机 求解弹流润滑方程中发挥了非常重要的作用【2 8 3 6 j 。此外，清华大学的摩擦学国家 重点实验室【3 7 。3 9 】，以及太原理工大学的高创宽等人【4 0 4 2 】多年来也一直从事着与 弹流润滑相关的研究，也为国家做出了一定的贡献。 通过上述回顾可以得出以下结论，以渐开线直齿圆柱齿轮为对象的弹流润 滑理论研究已基本成熟。但是，要充分考虑进齿轮轮齿本体的弹性变形、表面 粗糙度、材料磨损、瞬时闪温、动载荷、振动激励、乏油现象等诸多实际存在 的复杂影响因素依然是当前研究面临的困难，也是当前研究的前沿焦点。而对 渐开线斜齿圆柱齿轮的研究却还处于起步探索阶段，是因为斜齿轮的齿面接触 线上具有非均布载荷，不同的曲率半径和滚滑速度，这使得研究更为困难。因 此，总的来说对于该问题的研究还有诸多关键因素需要进一步地考虑和完善。 1 4 本论文研究的主要内容、关键问题和研究方法 本研究是建立在润滑与接触问题的相关理论基础之上的，并将目前研究的 最新思路应用于船用齿轮齿面润滑与接触问题。论文研究的主要内容、关键问 6 武汉理工大学硕士学位论文 题和研究方法如下： ( 1 ) 研究的主要内容 1 ) 首先，研究了齿轮润滑油的功效和在啮合传动过程中齿面所处的润滑状 态。对船用齿轮的常见失效形式，及导致润滑失效的影响因素进行了深入分析。 2 ) 对齿面的运动速度、受力及齿面粗糙度进行了分析，同时对实际的齿轮 啮合传动问题进行了适当的简化，建立起了线接触的物理模型。 3 ) 建立了关于渐开线直齿轮的线接触混合弹流润滑简化分析的数学模型， 并根据接触力学中“弹性半空间的有关理论和第三、第四强度理论建立了齿 面强度分析的数学模型。 4 ) 进行了相应的算法及程序设计，并经过程序调试，最终成功地开发出一 套专门针对渐开线直齿轮的润滑及接触特性分析程序模块。以某船用单级齿轮 减速器为算例，将与其相关的初始条件参数输入到该程序中，经过计算得到了 齿轮在整个啮合过程中的润滑油膜厚度、膜厚比、油膜承载百分比、摩擦系数、 齿面及油膜中心处的温度、啮合点处的局部最大剪应力和v o mm i s e s 应力分布 等重要参数的数值解。 5 ) 最后，对齿轮的四种影响因素进行了讨论，并对船用齿轮的设计人员和 船舶操纵人员分别给出了相应的建议。 ( 2 ) 关键问题 1 ) 根据混合弹流润滑与接触问题的相关理论建立线接触混合弹流润滑的数 学模型和齿面强度分析的数学模型。 2 ) 通过相应的算法和程序设计，并经过程序调试，开发出一套专门针对渐 开线直齿轮的润滑与接触特性分析的程序模块。 ( 3 ) 研究方法 1 ) 首先，对船用齿轮的常见失效形式及原因进行了全面地分析，然后对复 杂问题做了适当的简化，并建立起了相应的物理模型。并根据线接触混合弹流 润滑的有关理论，建立起了相应的数学模型。 2 ) 对相关的方程进行算法设计，然后再利用m a t l a b 软件进行了相应的程序 设计，最终得到了多个润滑性能参数的数值解，并利用m a t l a b 软件将计算结果 予以了图形可视化。 3 ) 最后，对齿面粗糙度、环境温度、载荷及转速4 种齿轮的影响因素分别 进行了讨论。 7 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章齿轮润滑的机理及其失效的影响因素 对于齿轮的润滑与接触问题研究，首先应该分析清楚齿轮润滑油的功效和 在啮合传动过程中齿面所处的润滑状态。明确船用齿轮的常见失效形式，以及 导致这些失效发生的重要影响因素。于是，本章主要围绕了以上几个问题而展 开。 2 1 齿轮润滑油的功效 齿轮在润滑啮合的过程中两齿面相对滑动而形成楔形润滑油膜，这层油膜 一般是由一层流体膜和两层边界膜共同组成的。流体膜可以在齿面间自由流动， 并靠齿面问的相对运动产生动压来承受一定的载荷。边界膜一般包括物理吸附 膜和化学反应膜。通常物理吸附膜都相对较弱，容易失效，而化学反应膜属于 无机物覆盖膜，其塑性较高而熔点较低，并存在一个临界反应温度，只有高于 该温度时才能生成稳定的化学反应膜。当齿面承载载荷增大时，由于接触表面 的微观不平，流体膜首先遭到破坏，一部分载荷开始由边界膜承担，进入混合 润滑状态。当载荷进一步增大后，摩擦系数随之显著增大，表面接触区产生的 瞬时高温将会导致物理吸附膜完全被破坏，当温度达到一定的反应温度时，就 开始发生化学反应，化学反应膜不断生成并开始承担载荷，这时磨损情况得到 缓解，摩擦系数开始下降，直到载荷、温度及摩擦系数都重新达到一个稳定值。 因此，可以认为化学反应膜的失效就会导致齿面胶合、过度磨损等失效现象的 发生。 随着船用齿轮承载强度要求的不断增加，对润滑的重视程度也在不断加强， 于是科学且合理的选用高品质的润滑油已经成为了必然的趋势。目前所使用的 船用齿轮润滑油一般是以矿物油( 以石油馏分为原料生产的) 为基础油，再加 入适当的添加剂调制而成。添加剂的选用主要是考虑到矿物油在某些性能方面 与合成油相比存在缺陷而不能满足使用要求。添加剂的种类很多，按作用来看 可分为两大类：一类是为改善润滑油物理性能的，如油性剂、粘度指数改进剂、 降凝剂和抗泡剂；另一类是在化学方面起作用的，如极压抗磨剂、抗氧抗腐剂、 防锈剂等【4 引。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 齿面的润滑状态 显然，只有当油膜厚度达到足以使两齿面的粗糙峰完全隔丌时，则可避免 出现磨损。但由于实际齿轮传动是难以避免两轮齿啮合表面粗糙峰直接发生接 触的，因此，接触表面的粗糙度与润滑油膜的厚度关系在润滑研究中就显得尤 为重要。目前，混合润滑的研究者普遍把膜厚比( 又被称为无量纲油膜参数) 作为齿面润滑设计的一个重要参数【4 0 】，所谓膜厚比的概念是指接触区的中心油 膜厚度吃与综合表面粗糙度均方根值吼之比，即 名= 吃g ( 2 1 ) 式中，仃。= q + ，o l 、0 2 分别为两齿面各自的粗糙度均方根值，又被称为 “r m s ( r o o t - m e a n s q u a r e ) 值 。 根据膜厚比五值的大小可以将齿轮的润滑状态分为以下三种m 】： ( 1 ) 五 3 为全膜弹流润滑状态( f u l le l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ) 齿面完全完全被边界膜和连续的流体动压油膜隔开，载荷全部由油膜来承 担，轮齿表面的摩擦仅为油膜内部分子之间的摩擦，摩擦系数极小，发生点蚀、 胶合等损伤的可能性较小，是一种较为理想的润滑状态。 ( 3 ) 1 名 1 5 时，可以认为齿轮是处 于正常工作状态的。学者a k i n 指出当a 3 时，齿面通常不会发生胶合；而当 五= l 3 时，齿面是否会发生胶合主要取决于表面温度；当a 1 时，则齿面极易 9 武汉理t 大学硕士学位论文 发生胶合。 2 3 船用齿轮的常见失效形式 当船舶航行作业时，一方面，船舶轴系上的附加载荷会导致齿轮轴晃动， 并偏离其正常工作位置，从而使得载荷沿齿宽方向不均匀分布；另一方面，因 主机的输出转矩波动和螺旋桨旋转频率改变等因素会导致船舶推进系统发生扭 转振动；再加上船舶在狂风恶浪中航行时的船体弯曲变形以及船舶起停车和换 向操作时离合器接合、脱开等恶劣工况条件都会对齿轮传动产生严重的冲击， 急易导致齿轮传动的失效。 目前大多数研究齿轮的学者认为 4 6 1 ：可把齿轮的失效分成两大类，一类是 结构失效( 包括轮齿折断、塑性变形、硬层溃裂3 种形式) ；另一类是润滑失效 ( 包括胶合、点蚀、磨损3 种形式) 。相对来说，第一类失效研究主要涉及到的 是固体力学的有关理论，而第二类失效问题的研究则必须要从固体力学、流体 力学、传热学及化学等学科角度予以综合考虑，所以较为复杂，而且很多第一 类失效问题也往往与润滑状态有着一定的联系。所以，对润滑与接触问题的研 究一直是齿轮设计的一个重点和难点。 下面针对船用齿轮最为常见的两种齿面失效形式来进行分析： ( 1 ) 点蚀 齿面点蚀是由于齿面的微观裂纹源逐渐扩展而产生的，造成在齿面间产生 麻点状剥蚀损伤现象。导致点蚀发生的客观原因是由于齿面长期在变化的接触 应力条件下工作。实践表明，靠近齿根的齿面局部最易产生点蚀。这是由于该 处齿面所处的应力状态最为不利，极易导致疲劳裂纹源的产生，再加上润滑油 的渗透性对裂纹有很大的挤胀作用，于是就加速了裂纹的扩展，并发展为大面 积剥落，最后甚至会导致断齿。无论是调质齿轮，还是表面硬化齿轮，当齿面 所受到的应力值超过其强度极限时都将出现点蚀失效，因此对于齿面的应力进 行分析是十分重要的。此外，润滑油的粘度和齿面粗糙度也是诱发点蚀的重要 因素。 ( 2 ) 胶合 高速重载齿轮传动过程中啮合区所承受的载荷强度高，相对滑动速度大， 摩擦发热多，局部温升快；而低速重载时，齿面之间的相对滑动速度较小，动 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 压弹流油膜不易形成。以上两种情况都非常容易引起润滑油膜的破裂，导致两 齿面金属直接接触，从而使齿面产生弹塑性变形，摩擦发热并相互粘着。随着 啮合传动的继续，软齿面上的部分金属则会被撕落，于是便会在齿面上就形成 与滑动方向一致的沟纹。影响胶合的因素很多，润滑油的粘度、齿面相对滑动 速度、添加剂及润滑方式对其均有一定程度的影响。 2 4 导致齿面润滑失效的影响因素分析 2 4 1 润滑油属性的影响 对于齿轮传动来说，齿面接触应力和油膜剪切率都很高，这对润滑油的粘 度和密度等属性的影响都不可忽视。因此，所选择的润滑油的属性是影响齿面 润滑性能的重要因素。如果润滑油的选择不恰当，则会使得润滑油的属性不能 适应齿轮的工况条件，这是导致齿轮失效的一个非常重要的原因， ( 1 ) 对点蚀的影响 润滑油的粘度对点蚀的影响很大。一般而言，粘度越高，润滑油向齿面裂 纹中渗透也就越困难，对裂纹的挤胀作用也越小，抗点蚀能力也就越强。虽然， 高粘度对于齿面避免点蚀和胶合失效都较为有利，但是，也应该意识到粘度过 高又会随之造成过多的搅油损失和局部发热剧烈的后果。另外，对于船用齿轮 这样的重载齿轮来说，润滑油的粘度随温度和压力的变化均十分敏感，这些都 是需要润滑设计者兼顾考虑的。 ( 2 ) 对胶合的影响 1 ) 润滑油的粘度越高，越有利于形成弹性流体动压油膜，胶合极限负荷值 也就越高。 2 ) 齿面相对滑动速度越高则齿面摩擦发热越多，温升越高，更容易导致润 滑油膜的失效，从而出现胶合现象。 3 ) 对于加入了恰当的添加剂的齿轮油来说，则能形成比纯矿物油更为牢固 的边界膜。在更高的温度下依然能够保持良好的品质，从而使得抗胶合的能力 得到显著增强。因此，添加剂的合理选用也是十分重要的。 4 ) 另外，还应该注意到供油量充足、冷却效果良好等也是可以使润滑油的 作用得到充分地发挥，从而起到提高抗胶合极限负荷的作用。 武汉理丁大学硕十学位论文 2 4 2 粗糙度的影响 表面粗糙度是一个对润滑状态有着重要影响的因素。在齿轮啮合传动的过 程中要想达到较为良好的润滑状态就要尽可能地避免粗糙峰相接触的现象。从 流体润滑理论上讲，如果齿面较光滑，则可以选用低粘度齿轮润滑油；如果齿 面粗糙度较大，则不得不选用高粘度的齿轮润滑油。这随之便又带来了轮齿在 油池中的搅油功率损失增加以及润滑油循环冷却速度减慢的后果。此外，除了齿 面粗糙度对润滑油选用的影响，齿轮表面粗糙度的影响还表现在以下几个方面： 1 ) 齿面微观粗糙峰谷是造成应力集中的重要因素。齿面越粗糙则应力集中 越敏感，特别是在恶劣工况条件下工作，应力集中使齿面抗疲劳强度降低，疲 劳源裂纹很容易出现，从而导致了齿面的点蚀失效。 2 ) 在恶劣工况条件下工作时，粗糙度越大，磨损程度也越大，同时摩擦生 热也越多，则可能产生的剧烈的瞬时闪温，并成为导致齿面胶合实现的重要因素。 3 ) 齿面粗糙度越大，则积聚在齿面上的机械杂质也越多，从而会加速齿面 的磨损。 因此，对于齿面粗糙度参数值的选择，应该既要满足齿面的润滑性能要求 及使用寿命，又要同时兼顾经济性，以降低加工成本。 2 4 3 振动激励的影响 除了前面所提到的船用齿轮轴晃动、轴系扭转振动以及船体变形等齿轮传 动过程中外部激励的因素外，齿轮传动这种传动形式本身还存在着一定的内部 激励。内部激励是齿轮传动的一大特点，包括刚度激励、误差激励和啮合冲击 激励【4 7 】。即使没有外部激励影响，齿轮传动系统也会因其内部的激励作用而产 生振动和噪声，随之而产生的载荷和转速的波动必然也会对齿面的润滑状态产 生一定的影响。 2 5 本章小结 本章主要介绍了齿轮润滑油的功效，齿面在啮合传动过程中所处的润滑状 态以及船用齿轮的常见失效形式。着重分析了导致齿面润滑失效的影响因素， 包括齿轮润滑油的属性、齿面粗糙度和振动激励3 个方面。明确了各种失效形 式与相应的润滑参数之问的联系。 1 2 武汉理j = 人学硕士学位论文 第3 章实际问题的简化及物理模型的建立 为了便于理论研究，建立恰当的物理模型是十分重要的。本章首先对齿面 的运动速度和受力进行了系统的分析，同时对船用齿轮在实际的啮合传动过程 中所涉及到的复杂影响因素进行了适当地简化。本章最后还对齿面粗糙度做了 相关的介绍。最终建立起了线接触问题理论分析的物理模型。 3 1 齿面运动速度分析 为了研究齿面的润滑问题，首先对齿面的运动与受力进行分析是十分有必 要的。根据渐开线直齿圆柱齿轮的