航空螺旋锥齿轮失油状态下生存能力预测方法的研究

摘要

现代战争中，制空权的控制能力对战争的胜负具有决定性的作用，武装直升机不需要机场跑道，可以依靠旋翼垂直起落、在空中盘旋停留、前后左右都能飞行，具有极高的机动性和灵活性，受到各兵种的青睐。但是，在战争中，由于武装直升机作战飞行是处于低空或超低空空域，更容易受到从天上到地面多方位、多种类的攻击。武装直升机传动系统在作战中中弹漏油失去润滑的情况下，将处于极端工作状态，为了保证传动系统仍然能够工作一定的时间，使受损的武装直升机脱离战场，寻找安全的地点着陆，世界各国军方和直升机工业对武装直升机传动系统提出了基本的生存能力要求。螺旋锥齿轮具有传动平稳、噪声低、承载能力高等特性，自1913年问世至今，一直是相交轴或交错轴运动和动力传输的重要传动形式，是武装直升机传动系统中的重要传动部件。螺旋锥齿轮失去润滑后的生存能力是武装直升机战场生存能力的决定性因素之一。因此，进行螺旋锥齿轮传动极端工况生存能力的研究，具有非常重要的理论意义和实际价值。本文以某型武装直升机主减速器的螺旋锥齿轮为研究对象，在加载接触分析的基础上，对其进行了失油状态下生存能力的研究，并提出了提高其生存能力的措施。主要研究内容和取得的成果如下：
　　 ⑴以空间曲面共轭原理为基础，进行了轮齿加载接触分析，确定了轮齿的啮合点位置、接触点曲率、接触椭圆的长半轴和短半轴长、轮齿接触迹、齿间载荷分配、齿面间的滑动速度和卷吸速度，并利用程序将求得的齿面坐标点数据，采用自下而上，从低级到高级的方式，建立了有限元分析模型。
　　 ⑵多重网格法是求解椭圆接触弹流润滑问题的一种有效方法，其计算速度快，收敛速度与网格尺度无关。分析了多重网格法及多重网格积分法的基本原理，研究了椭圆接触充分供油条件下油膜厚度、油膜压力的变化规律及主要参数对膜厚和压力分布的影响。结果表明：油膜厚度随着载荷参数减小、速度参数增大、材料参数增大而增大；载荷参数增大，压力增大；速度参数增大，压力峰尖锐化，并向入口区移动；材料参数增大对压力分布影响很小。
　　 ⑶利用有效供油膜厚判断乏油程度，研究了椭圆接触乏油热弹流润滑特性，结果表明：随着有效供油膜厚的减小，膜厚减小，压力区减小，乏油区增大，油膜温度峰值和出口温度升高。乏油区到压力区存在部分油膜比例值的突变。载荷参数、速度参数和材料参数对膜厚、压力、油膜温度及压力区分布具有一定的影响。
　　 ⑷提出了螺旋锥齿轮乏油热弹流润滑失效计算准则——油膜厚度准则，健立了适合螺旋锥齿轮乏油热弹流润滑分析的局部动态坐标系和膜厚方程，算例分析表明，膜厚沿接触迹先减小后增大，压力和油膜温度先增大后减小；膜厚、压力和油膜温度的极值出现于接触迹中点附近偏向齿根。建立了螺旋锥齿轮乏油热弹流润滑生存能力数学模型，并进行了算例分析，为其生存能力预测提供了一种有效的方法。
　　 ⑸在深入研究边界润滑膜形成机理、结构、润滑及失效机理基础上，提出了螺旋锥齿轮边界润滑下的失效计算准则----边界膜分解温度准则。推导了螺旋锥齿轮边界润滑下润滑失效的临界温度方程，瞬态热分析的导热微分方程及各界面的边界条件，热分析模型和传热计算模型，各界面对流换热系数。应用变分原理，利用ANSYS软件研究了螺旋锥齿轮边界润滑下瞬态温度场变化规律。结果表明，齿面最高温度点位于中点接触迹附近偏向齿顶，且随着啮合周期的增加，分布区域逐渐变小，齿轮转速对生存能力具有显著的影响。提出了螺旋锥齿轮边界润滑下生存能力预测方法，算例分析说明该方法简便有效。
　　 ⑹以瞬时温度准则为热胶合失效准则，研究了螺旋锥齿轮干摩擦下的生存能力，给出了瞬态温度场的分布规律，建立了胶合失效时间的求解方法。螺旋锥齿轮失油状态下的生存能力是:乏油热弹流润滑下的生存能力、边界润滑下的生存能力和干摩擦下生存能力的总和，建立了各阶段的预测模型，并给出了生存能力预测方法。对于转速为8000r/min，转矩为447.8N.M的算例进行了分析，其失油状态下的生存能力为12.65分钟。
　　 ⑺螺旋锥齿轮失油状态下生存能力的研究表明，轮齿的相对滑动速度、齿面摩擦系数和齿间载荷分配决定了其生存能力。提出了提高螺旋锥齿轮失油状态下生存能力的措施，并从减小摩擦系数方面进行了模拟试验研究。制备的纳米添加剂和采用激光熔覆技术制备的复合自润滑涂层均能有效减小摩擦系数，提高其生存能力。