重载摆线锥齿轮非稳态条件下损伤机理研究与辨识

摆线锥齿轮是重载摆角铣头的核心传动部件，该铣头用于大型复杂曲面零件加工，故齿轮工作在重载、冲击和变载荷的复杂工况下，常产生点蚀、胶合甚至断齿等问题，对重型机床的加工性能有至关重要的影响。本项目以动载状态下的变工况重载摆线锥齿轮为研究对象，根据摆线锥齿轮特有的加工方法（偏心双刀盘刮削和平面产形冠轮），建立加载齿面动态接触特性模型；研究非稳态条件下齿轮的失效机理、振动响应特性及故障衍生的动态信息特征，进行摆线锥齿轮多源动态激励信号的辨识和提取；考虑轮齿弹性和轮齿误差，分析时变啮合刚度、轮齿误差等非线性振动信号特性，建立起摆线锥齿轮的啮合动力学耦合模型；研究耦合因子和数值求解算法，并进行阶次分析、谐响应分析和多动态参数激励的动态响应分析和相关实验。本研究为摆线锥齿轮的失效机理辨识、预控及可靠性提升提供基础理论和关键技术方法，为重型机床中的关键传动部件性能提升提供技术支持和服务。

摆线锥齿轮是重载摆角铣头的核心传动部件，该铣头用于大型复杂曲面零件加工，故齿轮工作在重载、冲击和变载荷的复杂工况下，常产生点蚀、胶合甚至断齿等问题，对重型机床的加工性能有至关重要的影响。本项目以动载状态下的变工况重载摆线锥齿轮为研究对象，根据摆线锥齿轮特有的加工方法（偏心双刀盘刮削和平面产形冠轮）和齿轮啮合理论，建立了加载齿面动态接触特性模型。基于工件和刀具的相对运动关系，建立了齿面加工坐标系并推导齿面方程，通过离散齿面方程建立了摆线锥齿轮三维模型；并根据等距共轭曲面原理，推导了齿根过渡曲面方程，建立了一对Klingelnberg摆线锥齿轮对滚模型，推导出轮齿接触区预报公式，并绘制出接触区和传递误差曲线，为加载接触分析与强度分析打下基础。基于摆线锥齿轮轻载接触分析，建立了一套在载荷作用下考虑误差的针对摆线锥齿轮副的加载接触分析方法，可以求解齿轮副承载传动时的真实接触区、运动误差曲线、载荷分配等关键指标。在考虑啮合刚度和啮合阻尼的时变性情况下，建立了摆线锥齿轮副振动平衡方程。研究了啮合刚度及啮合阻尼在三种啮合状态下对摆线锥齿轮副啮合特性的影响规律。基于集中参数法、齿轮副传动系统弯-扭-轴-摆耦合动力学理论及精确的齿面几何和运动学关系建立了摆线锥齿轮动力传动模型和啮合动力学模型，对传递误差激励引起的自由振动和受迫振动进行了分析，并对大-小齿轮临界异相扭转状态对齿轮系统造成的振动响应进行了研究。最终针对在一定的运行速度和扭矩范围内摆线锥齿轮的动态响应特性，提出了一种新的曲面积分与局部有限元联合求解方法。通过转速、负载扭矩、阻尼因子系数分析构建了多项式函数展开的时变啮合刚度模型，建立了针对摆线锥齿轮的非线性动力学方程。研究了非稳态条件下齿轮的失效机理、振动响应特性及故障信息时频域特征，解决了摆线锥齿轮故障下时域信号与频域信号特征对应关系。基于信号处理方法，以摆线锥齿轮的振动加速度信号为分析对象，建立了新的信号处理方法并能有效的提取故障特征信号。本项目研究为摆线锥齿轮的失效机理辨识、预控及可靠性提升提供基础理论和关键技术方法，为重型机床中的关键传动部件性能提升提供技术支持和服务。通过项目研究，共计发表论文共计14篇，其中SCI检索2篇、录用待刊1篇；EI检索10篇、录用待刊1篇，申请发明专利10项。