高速膠印機(jī)齒輪傳動系統(tǒng)非線性動力學(xué)及彈流潤滑研究.pdf

1、膠印機(jī)是一種體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對運動精度要求高的紙張印刷設(shè)備，齒輪傳動系統(tǒng)是多色膠印機(jī)機(jī)械傳動系統(tǒng)的重要組成部分。隨著社會對紙張印刷效率和品質(zhì)要求的不斷提高，膠印機(jī)正朝著高速、多色和高精度方向發(fā)展。國內(nèi)外學(xué)者通過實驗證明了:高速印刷條件下，齒輪傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的動態(tài)激勵是膠印機(jī)振動的主要來源，齒輪傳動系統(tǒng)非線性振動引起的印刷質(zhì)量下降是最迫切需要解決的問題。國外先進(jìn)的高速多色膠印機(jī)的最高印刷速度已突破18000r/h（轉(zhuǎn)每小時），而國產(chǎn)同類

2、型膠印機(jī)只有15000r/h，國產(chǎn)膠印機(jī)與國外產(chǎn)品的差距主要體現(xiàn)在高速印刷條件下穩(wěn)定性差和可靠性低方面。因此，膠印機(jī)齒輪傳動系統(tǒng)非線性動力學(xué)行為的研究是振動理論和工程應(yīng)用上亟待解決的重要課題。
　　齒輪潤滑技術(shù)對齒面摩擦、使用壽命、承載能力和可靠性有重要的影響。工程應(yīng)用上，齒面紋理特征對齒輪潤滑特性有很大的影響，如壓力分布、膜厚分布和摩擦系數(shù)，但相關(guān)的理論模型還不多見，造成了齒輪潤滑系統(tǒng)設(shè)計無法得到有效的指導(dǎo)。以往對齒輪的研究幾乎

3、都忽略齒面摩擦對動力學(xué)的影響，國外最近的研究表明:齒面摩擦與齒輪動力學(xué)有相互耦合作用。因此，有必要建立和發(fā)展齒輪摩擦動力學(xué)理論，深入剖析齒輪潤滑特性與動力學(xué)行為的耦合關(guān)系，進(jìn)而揭示對可靠性有重要影響的油膜潤滑機(jī)理。研究結(jié)果對齒輪潤滑特性的認(rèn)識和潤滑系統(tǒng)的設(shè)計有重要的理論意義和實用價值。
　　本文在江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金項目的資助下，針對國產(chǎn)某型高速多色膠印機(jī)齒輪傳動系統(tǒng)非線性動力學(xué)及彈流潤滑問題進(jìn)行了深入的研究。在膠印機(jī)齒輪—

4、滾筒—軸承系統(tǒng)非線性動力學(xué)模型的建立與非線性動力學(xué)特性分析、膠印機(jī)齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立與參數(shù)優(yōu)化、竄墨輥直齒輪混合彈流潤滑分析和漸開線齒輪摩擦動力學(xué)特性分析等方面的研究取得了成果。本文的主要內(nèi)容包括:
　　(1)建立了包含時變嚙合剛度、傳動誤差、齒側(cè)間隙和肩鐵、橡膠接觸等非線性因素的齒輪—滾筒—軸承系統(tǒng)非線性動力學(xué)模型。利用直接積分的Newmark-β法對系統(tǒng)動力學(xué)方程進(jìn)行求解，研究了系統(tǒng)的固有頻率、動載系數(shù)和加速度有效值

5、。基于數(shù)值計算結(jié)果，通過加速度時間歷程響應(yīng)、FFT譜圖、相平面圖、Poincaré映射圖和最大Lyapunov指數(shù)研究了齒輪—滾筒—軸承系統(tǒng)非線性動力學(xué)特性。
　　(2)利用集中參數(shù)法分別建立多級平行軸斜齒輪模型和多級平行軸直齒輪模型，通過兩子模型的整合得到膠印機(jī)齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型。利用4階Runge-Kutta法對齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值求解，得到了齒輪加速度、動態(tài)嚙合力和滾筒相對滑動速度等動態(tài)響應(yīng)。采用序列二次規(guī)劃法

6、對膠印機(jī)齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，并通過優(yōu)化前后的重合度、動態(tài)嚙合力、等效動載系數(shù)、單齒加載和等效應(yīng)力的對比，驗證了參數(shù)優(yōu)化的效果。
　　(3)在考慮軸向速度和齒面紋理特征前提下，基于有限長線接觸混合彈流潤滑理論對膠印機(jī)竄墨輥直齒輪進(jìn)行潤滑分析。利用多重網(wǎng)格法獲得了竄墨輥直齒輪混合彈流潤滑模型的數(shù)值解，并研究了齒輪軸向速度和齒面紋理特征對油膜壓力分布、油膜厚度分布、粗糙面承載率和摩擦系數(shù)沿嚙合線的變化規(guī)律。
　　(4)

7、基于摩擦動力學(xué)理論分別建立了漸開線圓柱直齒輪動力學(xué)模型與瞬態(tài)混合彈流潤滑模型，通過整合得到了具有耦合特性的直齒輪摩擦動力學(xué)模型。利用Runge-Kutta法和多重網(wǎng)格法的聯(lián)合迭代獲得了直齒輪摩擦動力學(xué)模型的數(shù)值解，通過數(shù)值結(jié)果研究了齒輪的運動學(xué)特性、油膜剛度、單齒負(fù)載、平均油膜厚度、時變嚙合阻尼、滑動摩擦力、摩擦力、摩擦系數(shù)和嚙合功率損失沿嚙合線的變化規(guī)律，并討論了靜態(tài)、動態(tài)工況下的齒輪傳動效率。
　　(5)利用電測法對膠印機(jī)進(jìn)行

8、整機(jī)動態(tài)響應(yīng)測試，提取不同印刷速度下膠印機(jī)若干關(guān)鍵部位的振動加速度。在實驗基礎(chǔ)上，通過信號分析技術(shù)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行時域分析、頻域分析和有效值分析，揭示膠印機(jī)振動的主要來源，明確優(yōu)化設(shè)計的方向。
　　本文在以下幾個方面具有創(chuàng)新性:
　　(1)根據(jù)有限元法思想將齒輪—滾筒—軸承系統(tǒng)劃分為齒輪嚙合副單元、滾筒和彈性軸單元、軸承單元、肩鐵和橡膠接觸單元，利用各單元節(jié)點間的連續(xù)條件與位移協(xié)調(diào)條件進(jìn)行單元組裝，最后建立起齒輪—滾筒—軸承系

9、統(tǒng)非線性動力學(xué)模型。
　　(2)在建立膠印機(jī)齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型基礎(chǔ)上，將多自由度的齒輪嚙合副模型簡化為單自由度模型，推導(dǎo)出最大嚙合力的近似解析式，并以等效動載系數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)。
　　(3)提出一種具有兩個方向速度的二維有限長線接觸模型來分析竄墨輥直齒輪混合彈流潤滑問題，研究了直齒輪軸向速度與粗糙面類型對潤滑特性的影響。
　　(4)提出一種考慮了動態(tài)嚙合力、動態(tài)邊界條件、時變嚙合阻尼、時變摩擦力和時變摩擦力