1 绪论
1.1 引言
本课题项目来源为国家自然科学基金合作项目“气液共相非稳态混合润滑的超高速重载螺旋锥齿轮啮合行为与实验研究”。 齿轮是机械制造行业极其重要的传动元件，在工业发展的过程中发挥了不可或缺的作用。在齿轮传动中，润滑不仅可以减少摩擦，减轻磨损，还可以起到冷却、降噪、改善齿轮的工作状况、延长齿轮的使用寿命等作用。所以，齿轮的润滑相关问题一直是各国学术界研究的热点。 齿轮润滑分为浸油润滑和喷油润滑[1]，浸油润滑是指当齿轮的圆周速度V<15m/s时，将齿轮浸入油池中进行润滑的方式；喷油润滑是指齿轮的圆周速度 V>15m/s 时，采用具有一定压力的润滑油经喷嘴喷到啮合齿面上进行润滑的方式。 航空齿轮传动具有高速、重载和轻质等特点。近年来，国内外专家学者对航空齿轮的失效形式进行了大量的理论和试验研究[2]。齿轮常见失效形式，如图 1.1 所示，根据国内外近年来的失效统计表明：航空齿轮接触失效占齿轮总失效的 67.3%以上，接触疲劳损坏占齿轮失效的 80%以上，航空齿轮润滑与齿轮失效密切相关，在高速重载航空齿轮传动过程中良好的润滑能够大大延长齿轮的寿命。因此，对航空齿轮润滑和其影响因素的研究显得尤为重要。 目前航空齿轮传动正在向超高速重载方向发展，润滑的作用就显得越来越重要，良好的润滑对齿轮的使用寿命和承载能力都有极其重要的作用。对于高速重载航空齿轮，由于结构紧凑，为了实现良好的润滑效果，一般采用喷油方式进行润滑。航空齿轮润滑系统通过输油管道将润滑油运送至各个喷油嘴进行喷油润滑[3]，齿面温度是评定齿轮传动性能的一个非常重要的指标。齿面温度与多种失效形式有关[4-6]，齿面温度过高会影响传动性能，有时甚至会导致传动卡死[7]。喷油润滑的性能与多种因素有关，已有人对喷油嘴喷射方向、油雾特性等相关问题做了大量研究[8-15]，不同润滑参数下齿轮的冷却效果不同，使得齿面温度也不同。为了得到更好地润滑与散热效果，应对喷油润滑系统齿面冷却性能影响因素进行深入的研究。
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1.2 国内外研究现状
关于齿轮温度测试方面国外做了大量的研究，1984 年，Al-Rubeye [19, 20]采用类似热电偶测温法来测量滑动接触面间的温升。1995 年，日本的 Kato[21]将热电偶埋在非常靠近工作齿面的轮齿内来测量轮齿的温度，并提出了预测轮齿温度的公式，试验结果与计算结果吻合，试验原理如图 1.2 所示。2000 年，英国 Britton 等人[22]在轮齿与节线对应的齿高位置钻出 1mm 的孔，埋入热电偶以测量轮齿的温度，研究齿面的粗糙度与轮齿滑动摩擦损失的关系。美国的 Nagaraj[23]等应用红外测温技术测量了弹性流体动力润滑的滑动摩擦与滚动摩擦表面的温度，试验结果与 Blok 闪温理论[24]相吻合。此外，喷油润滑是齿轮传动系统中的一个重要组成部分，2005 年，NASA 的 William R[25]研究了润滑系统在空间技术中的应用，为空间润滑系统的设计提供了指导。与国外相比，我国在齿轮试验台研制及温度测量领域的研究起步晚，取得的成果少。1993 年，西安交通大学的王裕文教授[26]应用红外热成像技术测得塑料齿轮啮合区的温度分布。作者在研究中发现运动目标的红外热像测试结果会产生变形和信息丢失等现象。1996 年，唐大放[27, 28]采用自然热电偶法测量了斜齿轮齿面温度，如图 1.3 所示。试验结果得出齿面胶合失效与齿面温度分布之间的关系。1996 年，合肥工业大学的叶敏[29]釆用热电偶插入齿轮非工作齿面直径 1mm 的小孔中测量了齿面温度。在单个轮齿上开设了三个小孔，方向分别朝向齿根、齿顶和节圆。作者由试验结果分析得出转速是影响齿面胶合的主要因素。
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2 齿面冷却性能试验台研制及试验研究
本章主要研究齿面冷却性能试验台的研制及齿面冷却性能分析。航空发动机中的齿轮工作在高速状态，当齿轮分度圆切向速度大于 15m/s 时，主要采用喷油方式对其进行润滑与冷却[45]。在高速工况下转动的齿轮，啮合时产生大量的热量使齿轮齿面温度升高，容易产生齿面胶合等失效形式[46-48]，达不到设计寿命。喷油润滑系统喷出的油液将啮合发热带走[49]，很好地控制了啮合齿轮的本体温度，降低了齿面失效的可能，延长了齿轮的使用寿命。故对航空齿轮喷油冷却效果影响因素进行研究能够提高齿轮传动性能。 目前针对喷油嘴的喷雾特性、喷射方向偏离影响因素及其对燃烧与排放的影响等问题已经有人作了大量的研究[50-54]，但对喷油嘴喷射角度改变对冷却效果的影响问题进行专门的研究较少，本章通过理论分析以及搭建试验台进行试验，找到了喷油嘴不同喷射角度情况下齿面冷却效果的变化规律，为航空发动机润滑系统喷油嘴的布置提供依据。
2.1 喷油润滑条件下齿面冷却性能分析
喷油过程中，齿轮的散热方式主要是对流换热。流体流过固体表面的情况所发生的热量传递称为对流换热[55]，对流换热是热量传递基本方式之一，对流换热过程中运动流体能够带走大量热能，热传导方式只能通过接触介质传递热量，所以对流换热的传热能力比热传导方式强很多[56]。 喷射角度是指喷油射流与齿面喷点切向方向所成的角度。对于齿轮而言，由于齿轮齿面曲率半径较大，轮齿曲面弯曲程度较小，故对于齿面冷却问题可转化为平面冷却问题，即在喷油冷却过程中，齿面对流换热可转化为平面对流换热问题进行分析。将喷油过程简化，结果如图 2.1 所示。图中 A、B、C 分别表示三条喷油射流，喷射角度分别为 α、β、γ；D 点为喷点；D 点位于齿轮啮合时的节圆上。图中喷油射流 C 与喷点 D 的切线方向垂直，即喷射角度为 γ=90°。
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2.2 基于 CFX 的齿面冷却有限元仿真
齿面冷却性能仿真是根据 CFD 计算流体动力学相关理论，包括流体运动的基本控制方程、湍流模型及边界层理论等。并建立重载齿轮单齿面模型运用 CFX 软件，根据齿轮实际工况，设置不同约束及边界条件进行有限元分析。进行 CFX 分析首先要了解流体运动的稳态与非稳态流动、湍流模型等理论。 由于研究的是不同喷油角度对齿面冷却性能的影响，在不影响冷却性能的前提下，将齿轮模型进行适当简化。首先建立不同喷油角度计算流体域模型，喷点到被测齿面的距离固定为 600mm。如图 2.4 所示，P 为喷点。将模型导入到有限元分析软件ANSYS-workbench，利用流体分析模块 CFX 建立计算模型。
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3 齿轮喷油润滑齿面温度测试试验台设计 .... 28
3.1 试验台选型方案 ...... 28
3.2 试验台加载方案设计 ..... 30
3.3 试验台机械结构设计 ..... 39
3.4 试验台润滑系统设计 ..... 46
3.5 试验台总成设计 ...... 48
3.6 本章小结 .... 49
4 基于热网络法的齿面温度分析 ...... 51
4.1 试验齿轮箱齿轮产热计算 .... 51
4.2 试验齿轮箱轴承产热计算 .... 52
4.3 试验齿轮箱热阻计算 ..... 55
4.4 热网络模型建立及热平衡方程求解 ......... 57
4.5 本章小结 .... 61
5 齿轮喷油润滑齿面温度测试试验研究 ........ 62
5.1 试验目的 .... 62
5.2 试验原理 .... 63
5.3 试验过程 .... 63
5.4 试验结果 .... 64
5.5 试验结果与计算结果对比 .... 65
5.6 本章小结 .... 65
5 齿轮喷油润滑齿面温度测试试验研究
本章主要利用已研制完成的齿轮喷油润滑齿面温度测试试验台进行齿面温度测试试验，测得运转状态下的齿面温度。试验结果符合《螺旋锥齿轮润滑试验规范》中的要求，说明齿面温度测试试验台满足设计要求，试验台的测试性能良好。
5.1 试验目的
本章为了测试齿面温度测试试验台是否满足设计要求，实现齿面温度测试功能。以某型号减速器中的螺旋锥齿轮传动部分为研究对象，进行了喷油润滑条件下的齿面温度测试试验。具体试验分为齿轮传动性能验证试验和齿轮齿面温度测试试验。齿面温度测试试验台如图 5.1 所示。对试验台螺旋锥齿轮进行空载跑合，保证试验台和滑油系统在 0-1200rpm 的试验工况范围内稳定运行。试验所使用的润滑油为 10W-40 重负荷动力传动通用润滑油（中国石油润滑油公司生产）。空载跑合试验工况参数，见表 5.1。 经检验，试验箱无异响；连接件、紧固件无松动；密封接合处不漏油、不渗油；运转平稳，无冲击；供油压力稳定，润滑充分、转速、扭矩检测设备正常，实际稳定转速为 1195r/min，空载扭矩为 10Nm。齿面无异常，齿面接触印痕清晰可见，齿轮空载印痕如图 5.3 所示。证明试验台传动性能良好。
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结论
本论文针对齿轮喷油润滑相关问题，开展了齿轮喷油润滑试验台研制和测试研究。首先研究了齿轮喷油润滑条件下齿面冷却性能随喷油参数变化问题，从齿轮喷油润滑冷却原理出发，研究了不同喷射角度对齿面对流换热系数的影响，搭建了齿面冷却性能测试试验台，对不同润滑油不同喷射角度下齿面的降温速率进行测试，得到了齿面冷却性能随喷射角度改变的变化规律；其次针对齿轮喷油润滑齿面温度测试问题，设计了齿面温度测试试验台。利用热网络法进行了试验齿轮传动系统温度分析，得到了在实际工况下的齿面温度和齿轮箱关键节点温度，利用搭建完成的齿面温度测试试验台进行试验，测得齿轮运转情况下的齿面温度，证明齿面温度测试试验台满足设计要求，验证了试验台的测试功能。本文所取得的研究成果如下：
（1）针对齿轮喷油润滑条件下齿面冷却性能随喷油参数变化问题进行研究，首先，运用 CFX 软件进行了齿面冷却热-流耦合分析；其次，进行了齿面冷却性能试验台的设计、安装和调试；最后，进行了齿面冷却性能试验，通过与仿真结果进行对比，验证了试验台设计合理性，得出了齿面冷却性能随喷油角度改变的变化规律：随着喷油角度的减小，齿面冷却性能逐渐增强。
（2）针对齿轮喷油润滑齿面温度测试问题，首先，根据试验需求对比了三种试验台类型的优缺点，确定了液压功率流封闭试验台作为试验台的选型方案；其次，进行了试验台加载系统、机械结构、润滑系统及测试系统设计；最后，完成了试验台的安装和调试。
（3）运用热网络分析法进行了试验齿轮箱温度分析，首先，分析了多种功率损失情况对齿轮产热的影响，进行了齿轮箱齿轮和轴承产热计算；其次，根据齿轮传动系统的几何参数利用不同热阻计算模型，得出不同节点之间的热阻值；最后，建立了齿轮传动系统的热网络，利用 MATLAB 编写程序计算出齿轮传动系统各节点的温度。
（4）进行了齿轮喷油润滑齿面温度测试试验台性能验证试验，首先，通过空载跑合齿面印痕试验，经检验，试验箱无异响；密封接合处不漏油；运转平稳，无冲击；供油压力稳定，润滑充分、转速、扭矩检测设备正常，证明试验台传动性能良好；其次，在实际工况下进行了齿面温度测试试验，进行多组试验得出平均温度。根据《螺旋锥齿轮润滑试验规范》，试验值与理论值差值的绝对值低于试验值的 10%，则试验结果真实有效。通过第 4 章中，基于热网络法的齿面温度计算得到的螺旋锥齿轮齿面温度为122.23℃，试验测得的实际平均温度为 113.67℃。试验值比计算值低 7.54%，小于 10%，则试验结果合理，说明试验台达到了设计要求。
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参考文献(略)