高速膠印機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)非線性動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)精度要求高的紙張印刷設(shè)備，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是多色膠印機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分。隨著社會(huì)對(duì)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(shí)驗(yàn)證明了:高速印刷條件下，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)激勵(lì)是膠印機(jī)振動(dòng)的主要來源，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)非線性振動(dòng)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(shí)），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(dòng)系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)行為的研究是振動(dòng)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(duì)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(duì)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(jì)無法得到有效的指導(dǎo)。以往對(duì)齒輪的研究幾乎

3、都忽略齒面摩擦對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響，國外最近的研究表明:齒面摩擦與齒輪動(dòng)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(dòng)力學(xué)理論，深入剖析齒輪潤滑特性與動(dòng)力學(xué)行為的耦合關(guān)系，進(jìn)而揭示對(duì)可靠性有重要影響的油膜潤滑機(jī)理。研究結(jié)果對(duì)齒輪潤滑特性的認(rèn)識(shí)和潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　本文在江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金項(xiàng)目的資助下，針對(duì)國產(chǎn)某型高速多色膠印機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)非線性動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型的建立與非線性動(dòng)力學(xué)特性分析、膠印機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)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(shí)變嚙合剛度、傳動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型。利用直接積分的Newmark-β法對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解，研究了系統(tǒng)的固有頻率、動(dòng)載系數(shù)和加速度有效值

5、?；跀?shù)值計(jì)算結(jié)果，通過加速度時(shí)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(dòng)力學(xué)特性。
　　(2)利用集中參數(shù)法分別建立多級(jí)平行軸斜齒輪模型和多級(jí)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(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。利用4階Runge-Kutta法對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值求解，得到了齒輪加速度、動(dòng)態(tài)嚙合力和滾筒相對(duì)滑動(dòng)速度等動(dòng)態(tài)響應(yīng)。采用序列二次規(guī)劃法

6、對(duì)膠印機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過優(yōu)化前后的重合度、動(dòng)態(tài)嚙合力、等效動(dòng)載系數(shù)、單齒加載和等效應(yīng)力的對(duì)比，驗(yàn)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(zhǎng)線接觸混合彈流潤滑理論對(duì)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(duì)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(dòng)力學(xué)理論分別建立了漸開線圓柱直齒輪動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)特性、油膜剛度、單齒負(fù)載、平均油膜厚度、時(shí)變嚙合阻尼、滑動(dòng)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(dòng)態(tài)工況下的齒輪傳動(dòng)效率。
　　(5)利用電測(cè)法對(duì)膠印機(jī)進(jìn)行

8、整機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，提取不同印刷速度下膠印機(jī)若干關(guān)鍵部位的振動(dòng)加速度。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過信號(hào)分析技術(shù)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析和有效值分析，揭示膠印機(jī)振動(dòng)的主要來源，明確優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向。
　　本文在以下幾個(gè)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(diǎn)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(dòng)力學(xué)模型。
　　(2)在建立膠印機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，將多自由度的齒輪嚙合副模型簡(jiǎn)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(dòng)載系數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。
　　(3)提出一種具有兩個(gè)方向速度的二維有限長(zhǎng)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(duì)潤滑特性的影響。
　　(4)提出一種考慮了動(dòng)態(tài)嚙合力、動(dòng)態(tài)邊界條件、時(shí)變嚙合阻尼、時(shí)變摩擦力和時(shí)變摩擦力