航空发动机高速锥齿轮瞬态动力学分析与试验研究

针对航空发动机中央传动锥齿轮由行波共振引起的掉块故障,采用瞬态接触动力学分析方法与试验验证相结合的手段,对行波共振发生时从动锥齿轮的共振特性和应力分布开展研究。基于声测法开展了航空发动机中央传动锥齿轮行波共振试验,研究中央传动锥齿轮行波共振特性,获取了从动锥齿轮行波共振动频、危险转速以及破坏断裂特征。仿真计算结果与试验结果对比分析表明:试验中出现三节径共振皆是前行波共振,四节径共振是后行波共振;三节径共振危险转速范围为74.2%～76.2%,四节径共振危险转速范围为102.8%～104.2%。数值仿真与试验测试中结构静频值具有一致性,三节径误差小于2%,四节径误差小于5%,验证了仿真计算模型的准确性。仿真计算四节径行波共振时从动锥齿轮齿根处和辐板应力集中,应力分布形式与齿轮故障复现试验断裂形式基本一致,辐板正面应力值大小与试验结果基本吻合,误差在0.5%～9.5%,满足工程级应力预测要求,验证了瞬态接触动力学分析方法对齿轮行波共振应力预测的有效性。试验表明该齿轮结构是否存在初始缺陷是发生齿轮断裂故障的重要因素之一。     

弧线齿面齿轮应力过程分析

为了给弧线齿面齿轮的齿面接触强度和齿根弯曲强度设计提供理论依据,研究了弧线齿面齿轮的齿面接触应力和齿根弯曲应力随载荷和安装误差的变化规律.在齿面接触分析和承载接触分析的基础上应用弹性理论计算了弧线齿面齿轮副的齿面接触应力和应用有限元应力影响矩阵法计算了该齿轮副的齿根弯曲应力.给出了数字计算实例,计算结果表明:齿面接触强度和齿根弯曲强度在重载时的接触强度和弯曲强度由单齿啮合区的强度决定,轴向安装误差和轴夹角安装误差分别会增加齿面接触应力和齿根弯曲应力,轴夹角安装误差和轴间距安装误差对齿面接触应力影响甚小,而轴向安装误差和轴间距安装误差可以降低齿根弯曲应力,与直齿面齿轮相比,弧线齿面齿轮的接触和弯曲应力明显减小.      

斜齿轮齿根动应力数值计算与实验研究

运用三维有限元和齿根局部网格密化技术提出了一套计算斜齿轮啮合过程齿根弯曲应力的方法。根据齿轮系统动态特性分析, 求得作用在轮齿上的动载历程, 计算了在动态载荷作用下的齿根应力分布。通过斜齿轮齿根动应力实验, 说明了本文方法的有效性。给出了啮合过程中齿宽不同截面上的动应力分布形态, 讨论了转速和扭矩对齿根动应力的影响。      

中央传动锥齿轮行波共振特征精准识别试验研究

为了精准监测复杂工作环境下航空发动机中央传动锥齿轮行波共振特征,并满足对试验器改装小和测试装置易安装的技术要求。建立了基于刚性壁声波导管技术的导出式噪声测量方法和基于替代法原理的动态特性标定方法,研制了导出式噪声测量系统和数字式闭环控制声喇叭行波管装置动态标定系统,解决了复杂环境下的齿轮行波共振声信号测量与数据修正的问题。完成了基于噪声和应力同步测试的某航空发动机中央传动锥齿轮行波共振特性试验,对从动锥齿轮的行波共振频率、共振转速及节径振动声辐射量级进行了分析。研究结果表明：导出式噪声测量方法及系统和动态标定方法及系统有效提高了齿轮行波共振特性的测量精度,可实现高温高油雾环境下齿轮行波共振频率和共振转速的精准识别和有效监测,行波共振频率误差小于0.04%,共振转速误差小于0.005%。四节径后行波共振时的齿轮辐板振动辐射的声压能量是三节径前行波共振时的4.5倍,说明齿轮在高转速发生行波共振会更危险。     

航空齿轮激光冲击强化残余应力场仿真计算研究

对高强度航空齿轮齿根激光冲击强化数值仿真计算进行研究,提出激光冲击压力的数值计算方法,建立考虑激光入射角度的航空齿轮单齿的激光冲击强化有限元模型。仿真计算齿根处表层齿宽方向残余应力平均值为–603.97 MPa,与试验测得的齿轮齿根处表层齿宽方向残余应力数据平均值相差0.15%。通过仿真试验,揭示了齿轮齿根区域残余应力分布与激光脉冲能量、搭接率以及光斑半径之间的关联规律。结果表明,同深度层、齿宽方向残余压应力平均值大于齿廓方向残余压应力平均值。提高激光脉冲能量或搭接率均可提高表层残余压应力平均值,但提高激光光斑半径会降低表层残余压应力平均值;提高激光搭接率可以有效降低表层残余应力分布中的应力起伏现象,但过高的搭接率会大幅降低强化工艺效率,实际搭接率不应超过0.8。     

某直升机中部减速器弧齿锥齿轮强度故障分析

本文从弧齿锥齿轮加工原理出发,计算了某型直升机弧齿锥齿轮齿面坐标,进行了轮齿加载接触分析。在此基础上,用有限元应力分析方法比较全面地对该齿轮进行了承载能力分析,计算了齿面接触应力分布,分别计算了破坏件和长试件,在R1.0和R1.1(刀具)两种齿根园弧半径下的齿根弯曲应力分布,工作转速下的振动应力及在可能转速下的一节径、二节径和一节园的共振应力。并对计算结果、接触磨痕、裂纹以及破坏原因进行了分析和探讨,给出了发生破坏的原因。     

基于声测法的齿轮行波共振测试方法

针对航空发动机由行波共振导致的中央传动锥齿轮断裂故障，提出了一种基于声测法的齿轮行波共振转速测试方法， 建立了非接触齿轮行波共振测量系统，该测试方法简便易行，不需要对转子件进行测试改装，直接引出测试部位的声信号进行分 析研究。基于声测法开展了航空发动机中央传动锥齿轮行波共振试验，研究中央传动锥齿轮行波共振特性，获取了从动锥齿轮行 波共振频率、危险转速范围。通过动应力同步测量试验进行对比验证，结果表明：该测试方法和系统可以精准识别和有效监测航 空发动机中央传动锥齿轮行波共振频率和共振转速，行波共振频率误差小于0.025%，共振转速误差小于0.018%。该方法同时适 用于其它齿轮和盘轴的行波共振故障分析，为相关类型齿轮共振试验及故障诊断提供了一种非接触、长时间监控疲劳试验的测量 方法。     

圆锥齿轮行波共振应力响应仿真计算

文中叙述了圆锥齿轮行波振动和行波共振的概念。利用圆柱直齿轮齿间啮合力的形状函数,组织了对圆锥齿轮行波共振的仿真激励函数。算出了圆锥齿轮的二、三节径行波共振应力响应。算出的应力响应幅值与实测值比较一致。     

渐开线轮齿的弯曲应力参数化分析

根据渐开线和齿根过渡曲线方程及相关参变量的取值范围,将载荷作用于单齿啮合最高点,建立了一套齿轮弯曲应力的参数化平面有限元分析方法.算例显示,现行设计方法的修正系数能比较准确地反映齿根的最大拉应力.齿根弯曲最大压应力大于最大拉应力,而现行设计方法仅考虑了最大拉应力.随着刀具齿顶圆角、变位系数和齿形角的增大,齿根最大拉应力都有减少.其中,压力角和刀具齿顶圆角的影响较显著,而齿数对齿根应力几乎无影响.     

大功率弧齿锥齿轮设计技术研究

采用自行开发的弧齿锥齿轮加载分析专用程序,对大功率弧齿锥齿轮设计技术进行了研究。分析了轮齿承载后的齿面接触区的大小和位置,计算了齿根弯曲应力和齿面接触应力,并对齿轮振动特性、齿轮系的振动噪声和齿轮啸叫进行了研究。研究成果为航空发动机弧齿锥齿轮的设计、制造、强度计算和动力学分析提供了理论基础,并有效提高了发动机传动系统的可靠性。     

机匣安装边应力分析的混合法

机匣安装边与壳体转接处的应力分布复杂,该处存在膜应力,弯曲应力并有应力集中,要精确计算该区域的弯曲应力比较困难。本文提出了一种计算安装边转接处弯曲应力计算的解析方法,并根据光弹性试验结果总结了与安装边结构参数有关的应力集中系数计算的经验公式。同时,运用数学计算方法和光弹性实验数据相结合的混合法计算了某发动机延伸机匣的安装边应力。     

计算斜齿轮弯曲应力的应力影响矩阵法

提出了计算齿轮弯曲应力分布过程的应力影响矩阵法。通过建立齿面柔度矩阵和齿根弯曲应力矩阵, 该方法只需经过一次有限元计算便可获得斜齿轮在整个啮合过程中轮齿弯曲应力三维分布的变化规律。通过对计算结果和斜齿轮弯曲应力测量结果进行比较, 证明本文提出的计算方法不仅具有较高的精度, 而且极大地节省了计算机内存和计算时间。      

高重合度外啮合齿轮齿根弯曲应力计算方法

针对高重合度外啮合直齿圆柱齿轮副,对其齿根弯曲应力计算方法进行了研究.计算了高重合度齿轮的轮齿变形和刚度,对单个轮齿承受的载荷进行了研究,给出了高重合度齿轮齿间载荷分配率的定义和计算方法.以高重合度齿轮的双齿啮合界点作为计算载荷的加载点,给出了高重合度齿轮齿根过渡曲线30°切线位置危险截面的双齿啮合区界点的齿形系数和应力集中系数计算方法,获得了齿根危险截面弯曲应力的计算公式;采用CL 100齿轮试验机,设计了不同重合度的外啮合齿轮副,测量了其齿根的弯曲应力数值,试验结果表明:在高载荷下主动轮的齿根弯曲应力理论计算误差小于7.85%,从动轮的计算误差小于9.8%;低载荷下主动轮的齿根弯曲应力理论计算误差小于24.1%,从动轮的计算误差小于19%.      

浅齿轮齿根激光冲击强化试验和仿真研究

为探究激光冲击强化对高强度钢齿轮齿根表面及内部残余应力的影响,使用ABAQUS软件对齿轮齿根进行了激光冲击强化模拟仿真,并通过试验对该仿真模型进行了验证。结果表明,所建立的齿轮齿根激光冲击强化有限元模型可以较好地预测实际激光冲击强化结果,准确揭示激光冲击强化作用规律。同时,根据残余应力分布情况可知,激光冲击强化可使高强度钢齿轮齿根产生明显的残余压应力层,但不同方向残余压应力分布略有不同,平行于齿根路径方向的平均残余压应力大于垂直于齿根路径方向的平均残余压应力。     

对直升机增速齿轮传动中大齿轮齿根弯曲疲劳应力计算的研究

作者系统地研究了影响直升机增速齿轮传动中大齿轮齿根弯曲疲劳应力的诸因素,并推导出包括齿间滑动摩擦力在内的实际外载荷作用下大齿轮齿根弯曲疲劳应力计算公式。研究表明,齿间摩擦力对大齿根弯曲疲劳强度的影响不可忽视。     

航空圆弧端齿的齿根双圆弧结构设计及优化

针对航空发动机圆弧端齿结构齿根单圆弧连接区域存在比较严重的应力集中问题,提出一种圆弧端齿结构齿根双圆弧设计方法,以改善齿根附近的应力集中现象。文中推导建立了双圆弧设计的基本公式,算例对比分析表明双圆弧设计的齿根最大等效应力比单圆弧设计降低了5.5%。在此基础上,根据EGD-3应力标准和格里森圆弧端齿设计准则,建立圆弧端齿结构的优化模型,采用精英保留遗传算法的优化方法对圆弧端齿进行了优化设计分析,优化结果表明双圆弧优化设计的齿根最大等效应力比单圆弧设计降低了12.3%,同时改善了齿根附近的应力分布状态。     

对直升机齿轮齿根应力分布规律的研究

本文不但指出并纠正传统齿轮齿根应力分析中的错误及不妥，而且还提出一组可确定直升机齿根剖面上正应力、剪应力以及主应力等分布规律的解析表达式。     

航空发动机中央传动失效故障分析

某型航空发动机在使用时发生中央传动失效故障,故障首断件为中央传动从动锥齿轮,断口性质为高周疲劳。为剖析 齿轮啮合与故障之间的关系,建立了包含主、从动锥齿轮的有限元模型,采用准静态的方法将啮合过程分成50个加载步,分析啮 合过程中从动锥齿轮应力分布情况。结果表明：在啮合过程中从动锥齿轮最大应力位置不是裂纹起始部位。通过行波共振分析、 振动应力测试、加工缺陷影响分析及故障复现试验,确定故障发生的主要原因为从动锥齿轮4节径后行波共振和啮合状态较差, 而故障位置加工状态较差对故障的发生也起到促进作用。分析结果表明：齿轮节径型振动是航空发动机齿轮主要的破坏原因之 一,在工作转速范围内节径型前、后行波振动均有可能被激起;齿轮啮合状态异常会显著提高振动应力水平。采用调整齿数、齿 宽、辐板厚度等方式可将共振转速调出常用工作转速范围,避免齿轮发生振动疲劳破坏。     

锥齿轮齿根应力计算的格里森方法分析及其与航标的比较

《航空锥齿轮轮齿弯曲疲劳强度计算》HB/Z89.3—85主要是以AGMA标准为基础制订的,而AGMA是以格里森(Gleason)方法为基础的,因此,它们的基本齿根应力计算是基本一致的。本文仅对格里森方法的基本齿根应力计算进行分析,并与HB/Z89.3—85进行比较。     

旋转脉动激励下壳体的行波振动

本文分析了旋转脉动激励作用下壳体行波共振的条件,并结合数值分析说明了在周波数不变的旋转脉动激励的作用下,壳体行波共振频率的分布特点。最后还分析了阻尼对行波共振的影响。