三峡升船机齿条弯曲应力计算方法及测试技术研究

摘要

齿条特别是大模数齿条在重大工程装备中的应用越来越多，而且模数也越来越大，如三峡升船机齿条模数高达62.67mm，然而目前尚无计算齿条齿根应力的精确计算方法。现有标准多采用将齿条视为无穷大的渐开线齿轮的方法来计算齿条齿根应力，对于中小模数的齿条具有实用性和近似准确性,但当模数较大特别是大于50mm时，缺乏相应的试验数据作为支撑，计算公式中的参数可能不再适用，严格意义上来说，现有标准已不适用大模数齿条齿根应力的准确计算。研究表明，对于齿根经硬化处理的齿轮，裂纹萌发源可能会由齿根表面转移到齿根次表面，因此齿根内部的应力计算就显得尤为重要。因此，对齿条齿根表面应力、齿根内部应力的准确计算方法及齿条齿根应力测试技术的开发研究具有重要的理论价值和工程应用背景。本文主要研究内容和结论有：
　　(1)对齿根应力计算的平截面法、折截面法、有限元法进行了对比分析。研究表明：平截面法仅能计算齿根表面最大应力值；折截面法既能计算齿根表面应力值也能计算齿根内部应力值，并且比平截面法有更高的准确性；有限元法能清晰的获得轮齿的应力分布，可作为齿根应力分析的一个重要手段。
　　(2)对现有折截面法计算模型进行修正。为考虑齿根圆角引起的应力集中对齿根应力分布的影响，本文引入应力渗透因子概念，采用积分方法推导出了齿根弯曲应力、齿根压应力计算公式。并结合折截面法数学模型进一步分析了影响齿根应力计算准确性的若干因素。
　　(3)齿条齿根过渡曲线上应力最大点处切线角的影响因素分析。对不同齿形角、齿根圆角半径、模数、加载点位置、载荷大小的齿条进行有限元分析。研究表明：齿形角、齿根圆角半径、加载点位置对齿根最大应力点的切线角有较大影响；模数、载荷大小对齿根最大应力点的切线角基本无影响。
　　(4)齿轮齿条啮合刚度对齿间载荷分配及最恶加载点的影响规律研究。对齿轮齿条啮合过程的啮合刚度进行分析，得出不同相位下的轮齿啮合刚度。在考虑基节误差的情况下，三峡升船机齿轮齿条的最恶加载点位于单齿啮合上界点。
　　(5)应力渗透因子的确定。采用试验与相似理论相结合的方法计算应力渗透因子值，并通过有限元方法验证了相似理论的正确性。
　　(6)三峡升船机齿条齿根应力测试。根据试验转速和载荷控制策略确定测试齿的位置，并利用有限元对齿条齿根应力进行分析，得出三峡升船机齿条齿根应力分布规律，确定应变片的粘贴位置。
　　(7)三峡升船机齿条齿根应力测试数据分析。根据齿根应力分布规律，确定有效齿根应力测试点。利用最小二乘法对试验数据进行拟合，得出齿根应力与载荷的关系。将试验测试值、折截面法计算值、有限元分析值进行对比分析。结果表明，齿根内部应力折截面法计算值与有限元法结果基本吻合，齿根表面应力的折截面法计算值与实测值相差小于5％。
　　上述研究表明，本文对三峡升船机的齿根应力测试方法是可行的。试验和有限元分析的结果均表明本文提出的齿根应力折截面法修正计算模型是准确的。主要研究内容和结论，为大模数齿条弯曲强度的进一步研究奠定了重要技术基础。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2课题来源

1.3 研究背景及意义

1.4 齿轮齿条弯曲强度计算方法研究现状

1.5 本文主要研究内容

第二章 齿根弯曲应力计算方法对比分析

2.1 齿根弯曲应力平截面法

2.2 齿根弯曲应力折截面法

2.3 齿根弯曲应力有限元法

2.4 本章小节

第三章 基于折截面法的齿条齿根应力计算方法研究

3.1 轮齿弯曲疲劳裂纹扩展方式

3.2折截面法齿根应力计算数学模型修正

3.3 影响折截面法计算准确性的主要因素

3.4 本章小节

第四章 齿条齿根危险点位置影响因素分析

4.1 齿根过渡曲线上危险点位置分析

4.2 加载点对危险点位置的影响

4.3 载荷大小对危险点位置的影响

4.4 齿根过渡圆角半径对危险点位置的影响

4.5 齿形角对危险点位置的影响

4.6 模数对危险点位置的影响

4.7 本章小节

第五章 三峡升船机齿条折截面参数计算及齿根应力分析

5.1 三峡升船机齿条载荷修正系数

5.2 三峡升船机齿条齿间载荷分配及最恶加载点位置

5.3 三峡升船机齿条齿根过渡曲线上危险点位置

5.4应力渗透因子确定

5.5 折截面法计算齿根应力与有限元齿根应力结果对比分析

5.6 本章小节

第六章 三峡升船机齿条齿根应力测试技术研究

6.1 三峡升船机齿条试验台

6.2 齿根应变测试

6.3 试验数据采集及分析

6.4三峡升船机试验齿条齿根应力对比分析

6.5 本章小节

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文和参加科研情况