航空高速齿轮服役温度预测模型研究.pdf

2024年 第48卷 第2期Journal of Mechanical Transmission航空高速齿轮服役温度预测模型研究陈玉灵1 朱加赞2 陈泰民1 朱才朝1 魏沛堂1 徐永强2（1 重庆大学 高端装备机械传动全国重点实验室，重庆 400044）（2 中国航发四川燃气涡轮研究院 机械系统技术研究室，四川 成都 610500）摘要 随着高速重载下航空传动服役温度的不断提高，齿轮胶合失效成为制约飞行器性能的关键因素。为高效预测航空齿轮服役温度，针对某航空发动机齿轮提出了一种基于顺序耦合的齿轮温度仿真分析方法，考虑固-液-气多相对流换热及不同齿面散热系数等因素，模拟了航空齿轮在不同工况下的本体温度和齿面闪温。经验证说明，该数值方法与ISO/TS 6336-20闪温法标准计算结果吻合良好，不同工况下接触温度最大偏差控制在10%以内；当传动系统输入转速为22 400 r/min、转矩为119.4 Nm时，分流大齿轮的接触温度达到242.6，齿轮胶合安全系数为1.22，存在胶合失效风险。所提出的仿真分析方法能有效预测航空等领域高速齿轮服役温度，为评估航空齿轮胶合失效风险提供了高效可靠的方法。关键词 航空齿轮 齿轮胶合 温度仿真 本体温度 接触温度Study on Operating Temperature Prediction Model of Aero High-speed GearsChen Yuling1 Zhu Jiazan2 Chen Taimin1 Zhu Caichao1 Wei Peitang1 Xu Yongqiang2(1 State Key Laboratory of Mechanical Transmission for Advanced Equipment,Chongqing University,Chongqing 400044,China)(2 Laboratory of Mechanical Systems Technology,AEEC Sichuan Gas Turbine Establishment,Chengdu 610500,China)Abstract With the continuous improvement of the operating temperature of aero transmission under the high-speed and high load,gear scuffing failure has become a key factor restricting the performance of aircrafts.To efficiently predict the operating temperature of aero gears,a sequential coupling numerical analysis method of the gear temperature is proposed for an aero engine gear,which simulates the bulk temperature and flash temperature under different working conditions,considering factors such as solid-liquid-gas multi-state flow heat exchange and heat dissipation coefficients of different tooth surfaces.The simulated gear contact temperature is compared with calculation results of ISO/TS 6336-20 and shows consistency,the largest deviation between which under different working conditions is controlled within 10%.When the input speed is 22 400 r/min and the torque is 119.4 Nm,the split large gear contact temperature reaches 242.6,the scuffing safety factor is 1.22,and there is a risk of scuffing failure.The proposed simulation analysis method can effectively predict the operating temperature of aero high-speed gears,and provide an efficient and reliable method for assessing the risk of aero gear scuffing failure.Key words Aero gear Gear scuffing Temperature simulation Bulk temperature Contact temperature0 引言航空发动机朝着高马赫数、高推重比、高可靠性和长寿命方向发展，这给航空发动机机械传动系统研制带来了更加严峻的挑战。航空发动机附件传动系统作为航空发动机的关键部件，其性能的好坏直接决定航空发动机能否正常运行。因此，对航空齿轮的承载能力和疲劳性能提出了更高要求。航空齿轮的主要失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合及齿轮轮体行波振动破坏。航空齿轮传动属于高线速度、重载传动，容易造成齿轮啮合处局部过热，边界油膜破坏，两接触齿面金属熔焊而黏着。文章编号：1004-2539（2024）02-0001-09DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2024.02.0011第48卷因此，齿面胶合失效模式更为突出1-3。以Blok闪温理论为代表的胶合准则，作为国际上公认的齿轮胶合理论被大多数学者所接受。以Blok理论为基础，形成了诸多国家和国际标准。该理论研究证明，胶合破坏与齿轮温度场之间存在强关联性4-6。实现齿轮表面温度的仿真模拟是进行齿轮胶合失效风险分析的基础，可为高性能飞行器齿轮传动系统可靠服役提供理论支撑。Jie 等7认为，用有限元法预测齿轮温度是判断是否胶合的最经济、有效的设计方法。余国达等814建立了考虑温度-模量效应及摩擦热流-滞后热通量多热源效应的塑料齿轮运行温度场有限元数值模型，其稳态啮合温度和闪温分析结果分别与试验和 Blok 理论结果吻合良好。姚阳迪等9基于解析法和有限元分析法对高速重载齿轮传动系统进行了摩擦热流量和齿轮本体温度场分布的分析，并在此基础上进行了齿轮修形。龚宪生等10基于齿轮啮合原理和摩擦学等理论，分析了行星齿轮运转过程中轮齿间的绝对、相对滑动速度和摩擦热流量的分布规律，通过有限元分析得到轮齿稳态温度场的分布，并在此基础上进行瞬态热分析，得到齿面瞬时温度的分布。Lu等11建立了一种预测缩醛齿轮接触疲劳性能的数值模型，研究了负载和温度对齿轮接触的影响，仿真结果表明，尽管接触压力因模量衰减而减轻，但温度升高会危及接触疲劳寿命，考虑温度对乙缩醛齿轮接触疲劳性能的影响至关重要。Chen等12考虑齿轮不同几何表面复杂换热边界的影响，建立了齿轮温度数值仿真模型，模拟齿轮在喷油润滑试验条件下齿轮稳态本体温度；同时设计了喷油润滑下齿轮胶合承载能力试验，仿真结果与试验温度测试结果吻合良好。相比于解析法计算，齿轮温度有限元仿真具有直观、稳定性好、人工和计算机的工作量较小的优势，在齿轮热行为和胶合分析研究中广泛应用。有限元仿真可以模拟齿轮运行过程中温度变化情况，并探究主要影响因素，为评估齿轮胶合失效风险提供可靠分析。许多学者研究了不同因素对齿轮温度的影响。Li等13通过给定摩擦因数与摩擦生热经验公式计算了齿面啮合过程产生的热量，结合传热边界条件，通过有限元法计算了齿轮本体温度分布，研究了常温下齿轮加工和安装误差、摩擦因数以及几何参数对齿轮热分布的影响。彭杰等14利用Ansys软件建立了直齿轮单个轮齿的有限元模型，获得了轮齿的本体温度场，分析了转矩、转速以及润滑油输入温度等关键参数对轮齿本体温度场的影响。王春华等15以标准渐开线高速齿轮为研究对象，分析啮合过程中高速齿轮各相关因素对本体温度的影响；结果表明，轮齿齿面各处本体温度随转速或转矩的增加而升高，且增幅程度逐渐降低；大转矩或高转速下，转速、转矩、齿宽、模数对轮齿温度的影响加剧。余国达等16运用有限元模型探究了脂润滑下塑料齿轮稳态温度场的分布规律以及载荷和转速水平对稳态温度的影响，其稳态温度随着载荷或转速的增大而逐渐升高；同时开展了脂润滑条件下聚甲醛齿轮副的运行温度试验，试验结果与仿真结果吻合良好。研究转矩和转速对齿轮温度变化的影响，能为不同工况条件下对齿轮胶合失效风险进行准确评估与预测提供支撑。上述研究对常规工况下齿轮温度有限元仿真方法进行了探索，但针对航空发动机传动系统在高温高速服役环境下齿轮温度仿真方法的研究较少。本文以航空发动机附件机匣传动系统某双输出三齿啮合传动为对象，考虑固-液-气多相对流换热及不同齿面散热系数等因素，建立了基于顺序耦合的齿轮温度仿真模型，讨论了在不同转矩和转速下各齿轮接触温度变化情况，与 ISO/TS 6336-20标准179计算结果进行对比验证，为航空高速齿轮胶合失效分析提供高效可靠的评估方法。1 航空高速齿轮温度仿真模型建立航空发动机附件机匣是实现发动机转子与附件系统间的动力传递与驱动，确保发动机正常起动与运行的关键机械传动装置18，附件机匣齿轮在高温高速重载工况下运行，易发生齿轮胶合失效。为准确评估附件机匣齿轮胶合风险，本文开发了一种基于顺序多场耦合的航空高速齿轮温度仿真模型，仿真分析过程如图1所示。根据航空附件机匣传动系统齿轮几何参数建立齿廓模型，确定齿轮的转速、负载、运行时间等参数，并赋予到仿真模型中进行齿轮接触分析，获取齿轮在啮合过程中的接触压力与滑动位移；考虑齿轮在润滑情况下的摩擦因数，计算齿轮的摩擦生热。然后，建立齿轮散热分析模型，结合齿轮摩擦生热与实际工况下的齿轮对流换热系数进行齿轮温度场分析，获取齿轮在稳态运行时的本体温度与齿面瞬态闪温；叠加齿轮本体温度场与齿面闪温，获取齿轮接触温度，并将齿面最大接触温度作为评估齿轮胶合风险的重要指标。1.1某航空齿轮参数及工况分析图2所示为某航空发动机附件机匣传动系统中双输出三齿啮合传动及其载荷谱。该齿轮传动功率由输入轴输入，通过分流大齿轮和分流小齿轮将功率传递2第2期陈玉灵，等：航空高速齿轮服役温度预测模型研究至输出轴1和输出轴2，输出功率主要用于驱动滑油泵与液压泵。其额定工况：输入转速为11 200 r/min，输入功率为140 kW，分流大齿轮负载为72 kW，分流小齿轮负载68 kW。采用175 喷油润滑；实际运行过程中的输入转矩范围为47.3119.4 Nm，输入转速范围为5 60022 400 r/min。该双输出三齿啮合传动各齿轮几何参数如表1所示。由于附件传动系统动载荷较小，大部分平行轴传动都采用渐开线直齿圆柱齿轮。为避免根切、增大重合度及保证大、小轮强度平衡，圆柱齿轮采用高度变位。同时，由于附件机匣结构复杂、空间狭小，为避免偏载及满足传动系统减重要求，航空齿轮齿宽通常较小。1.2齿轮温度仿真模型齿轮温度仿真模型主要由齿轮接触分析模型和齿轮热传递分析模型构成。其中，齿轮接触分析模型为温度仿真提供接触压力、节点位移等信息；热传递分析模型用于模拟齿轮实际工作过程中的传热、散热情况。考虑到分流大齿轮同时与主动轮和分流小齿轮啮合，将整个三齿啮合传动分成主动轮-分流大齿轮和分流大齿轮-分流小齿轮两对齿轮，并分别建立齿轮接触模型。模型使用材料为 AISI 9310 钢，一种具有强韧性、耐高温、耐腐蚀、耐磨损性能和疲劳强度的航空齿轮钢19，其基本参数如表2所示。润滑油采用长城4109航空润滑油，其基本热学参数如表2所示，适用于航空燃气涡轮、涡轮风扇等，能在-50175 下正常工作，具有良好的耐高温性能。4109润滑油在不同温度下的运动黏度如表3所示。图1齿轮温度仿真流程Fig.1Gear temperature simulation process图2齿轮传动结构及载荷谱Fig.2Gear transmission structure and load spectrum表1齿轮几何参数Tab.1Gear geometry parameters齿轮主动轮分流大齿轮分流小齿轮齿数z323617模数mn/mm3.5压力角n/（）25齿宽b/mm191416齿顶圆直径da/mm120.4131.667.9变位系数xn0.2-0.20.2表2AISI 9310钢材料参数及4109润滑油热学参数Tab.2AISI 9310 steel material parameters and 4109 lubricating oil thermal parameters材料AISI 93104109润滑油（50）密度/（kg/m3）700860弹性模量/GPa206泊松比0.3热膨胀系数/（-1）1010-68.5610-4热导率/W/（mK）250.157比热/kJ/（kg）0.461.913第48卷以主动轮-分流大齿轮为例，根据两齿轮几何参数、材料参数和运行工况建立齿轮有限元弹性接触模型，如图3所示。该接触模型为温度-位移耦合的二维平面弹性模型，分为接触、加载、旋转3个分析步。考虑单双齿啮合区域，为减少仿真计算量，建立3个轮齿的接触模型；为获得更准确的齿面接触压力和滑动位移，对两齿轮啮合表面进行网格加密，整个接触模型网格单元类型选用CPE4T，局部加密网格尺寸为0.05 mm，网格加密数量为4 097个。定义齿面接触属性时，法向接触属性定义为“硬接触”，“硬接触”对两齿面间接触压力没有大小限制。当齿面间接触压力变为0或负值时，两接触面分离，同时解除相应节点上的接触约束。将切向摩擦因数定义为沿齿面接触轨迹局部摩擦因数的平均值，根据ISO/TS 6336-20标准1713，其计算式为m=0.06（Btvgcrelc）0.2XRXL（1）式中，Bt为切向单位载荷，N/mm；vgc为节点切向速度之和，m/s；relc为齿轮节点相对曲率半径，mm；XR为粗糙度系数；XL为润滑剂系数。齿轮热传递分析模型基于Blok闪温理论20建立。Blok闪温理论基本原理是：以齿面瞬时闪温最大值与齿轮本体温度直接相加求得接触温度，再将接触温度与胶合温度的许用值进行比较。因此，在进行齿轮散热分析时，分别构建齿轮本体温度模型和齿面闪温模型。在建立齿轮本体温度模型时，假设每个轮齿均匀受载且温度变化相同，齿轮运转1周，每个齿面只参与1次啮合。因此，建立单个轮齿的热传递模型足以反映整个齿轮的温度变化及分布。从接触模型中获取齿轮啮合1次齿面各节点的坐标、接触压力及滑动位移，计算每1个增量步下单个节点的生热情况，再将同一节点在不同增量步下的产热量累加，即可得到齿面各个节点总产热量，计算式为89Q=j=smmCpressjCslipj（2）式中，Q为单个节点的摩擦热流密度，mJ/mm2；m为该节点参与啮合的最大增量步；s为该节点参与啮合的初始增量步；为摩擦功-热能转换系数，一般取0.90.95；Cpressj为该节点在第 j 增量步下的接触压力，MPa；Cslipj为该节点在第j增量步下的相对切向位移增量，mm。将摩擦热流密度进行齿轮运行周期平均化，即可得到热平衡状态下齿轮表面任一节点的平均摩擦热流密度，计算式为W=Q/t（3）式中，W为任一节点的平均摩擦热流密度，mW/mm2；t为齿轮啮合周期，s。在齿轮啮合过程中，齿顶、工作齿面、非工作齿面的对流换热系数均不相同，齿顶圆周面的对流换热系数可以近似等效为介质扫掠细长平板。因此，齿顶圆周面上介质的雷诺数Re为Re=r2a/vf（4）式中，为角速度，rad/s；ra为齿顶圆半径，mm；vf为润滑油运动黏度，m2/s。当运行齿轮齿顶雷诺数小于2105时，齿顶圆周面的流体可视为层流。齿顶圆周面的对流换热系数计算式为21257ha=fNura=0.664fPr1 3(vf)0.5（5）式中，f为润滑油导热率，W （mK）-1；Nu为努塞尔 数，Nu=0.664Pr1/3Re1/2；Pr 为 普 朗 特 数，Pr=f vf cf/f；f为润滑油密度，kg/m3；cf为润滑油比热容，J/（kgK）。润滑条件下直齿轮啮合齿面与周围介质的对流换热系数计算式为21257hm=fNurp=0.228Re0.731Pr1/3frp（6）式中，rp为齿轮节圆半径，mm。齿轮端面对流换热系数计算式为表3不同温度下4109润滑油运动黏度Tab.3Kinematic viscosity of 4109 lubricating oil at different temperatures温度/黏度/（mm2/s）01065011.21003.71501.91751.52001.2图3齿轮接触模型Fig.3Gear contact model4第2期陈玉灵，等：航空高速齿轮服役温度预测模型研究hr=fNurp=0.664Re1/2Pr1/3frp（7）根据虞顺磊22的研究，齿轮非工作齿面对流换热系数为端面对流换热系数的1/31/2，即13hr hs12hr（8）在实际齿轮运转过程中，齿轮工作面传热系数可以表示为啮合状态和非啮合状态下齿轮齿面对流换热系数的综合，即h*m=tfhm+(1-tf)hs（9）式中，h*m为齿轮运转过程中工作齿面的平均对流换热系数，W/(mK)；tf为齿轮循环周期系数，tf=1/z。将材料参数、摩擦热流密度与对流换热边界条件赋予热传递模型，进行齿轮本体温度仿真。其中，分流大齿轮同时与主动轮和分流小齿轮啮合，因此，在热传递模型中轮齿两齿面均有摩擦热流密度。当两增量步间温度变化小于0.01，则认为齿轮本体温度达到稳定，从而获得齿轮本体温度场。网格类型选用DC2D4，为准确模拟齿面温度变化及分布情况，对模型受载齿面处进行网格加密，局部加密网格尺寸为 0.05 mm，主动轮、分流大齿轮、分流小齿轮的本体温度场如图4所示。齿轮在1次啮合过程中产生的热量以极短的时间传递到齿轮表面，从而形成齿面瞬时闪温。齿面各节点啮合1次产生的总热量除以节点接触时间就是齿面瞬时摩擦热流密度W，即W=Q/j=smtj（10）式中，tj为增量步的时间长度，s。闪温模型中，对流换热边界条件与本体温度模型一致，将瞬时摩擦热流密度作为齿轮热传递模型的输入条件，得到齿面闪温。其中，分流大齿轮闪温模型如图5所示。由于齿轮闪温层极薄，为保证计算的准确性，对散热分析模型齿廓表面的局部网格进行细化，网格单元尺寸为 0.05 mm，网格单元类型为DC2D4。2 转矩及转速对齿轮温度的影响2.1齿轮温度仿真与标准计算结果对比研究采用 ISO/TS 6336-20标准178计算最大接触温度，验证仿真模型有效性，评价航空发动机齿轮传动系统在实际服役过程中温度变化情况及胶合失效风险。最大接触温度由本体温度和最大闪温决定，计算式为cmax=b+flmax（11）式中，cmax为齿面最大接触温度，；b为本体温度，；flmax为闪温最大值，。本体温度是齿轮、润滑油等系统在热平衡状态下的轮体温度，计算式为b=oil+0.47XmpflmXs（12）式中，oil为润滑油温度，；Xs为润滑系数，喷油润滑下取1.2；Xmp为啮合系数，Xmp=（1+np）/2，np为同时啮合齿轮的数量；flm为平均闪温，。齿轮发生胶合失效的风险用胶合安全系数SB来评价，SB为齿面最大接触温度与胶合极限温度s的比值，即SB=cmaxs（13）对于航空发动机附件机匣齿轮传动系统，胶合安全系数SB一般取1.3。参考航空标准23，9310钢-4109航空润滑油系统的齿轮胶合极限温度为296。通过齿轮温度仿真，得到在额定工况下航空发动机附件机匣传动系统各齿轮沿齿廓分布的齿面接触温度、本体温度及闪温，如图6所示。主动轮、分流大齿轮、分流小齿轮齿面最大接触温度分别为206.03、226.21、218.99；最大本体温度分别为184.14、193.88、192.43 ；最 大 闪 温 分 别 为23.39、33.30、28.34。3个齿轮的胶合失效风险区域均靠近齿根处。分流大齿轮由于同时与另外两齿轮啮合，摩擦生热最多，散热条件最差，因此，接触温度是整个齿轮传动系统中最高的；主动轮转速比分流小齿轮图4齿轮本体温度场Fig.4Bulk temperature fields of gears图5分流大齿轮闪温模型Fig.5Flash temperature model of the split large gear5第48卷低，相同时间内啮合产生的热量更少，因此，齿轮温度最低。各齿轮齿面接触温度在靠近齿根和齿顶部位由于啮入啮出冲击的存在产生局部高温，在节线处由于两齿面做纯滚动，齿面接触温度和本体温度在节线处有明显下降，齿面闪温在节线处几乎可忽略不计。有限元温度仿真模型准确反映了齿廓表面几何参数对齿面温度的影响。如图7所示，在额定工况下，主动轮、分流大齿轮和分流小齿轮齿面接触温度仿真结果与标准ISO/TS 6336-20178计算的齿面最大接触温度对比，最大偏差为6.63%，位于分流小齿轮；本体温度仿真值与标准计算值最大偏差仅为 1.62%，位于主动轮，该仿真模型能有效预测航空高速齿轮服役温度。针对该双输出三齿传动的啮合特性，标准计算公式中只通过调整啮合系数Xmp得到分流大齿轮在双侧啮合时本体温度数值；而仿真模型通过对齿廓两侧同时施加摩擦热流密度，改变散热系数，得到在双侧啮合下整个齿体温度变化情况，提供了高温高速航空齿轮胶合试验温度测试的可行性。2.2转矩对齿轮接触温度影响分析由图2可知，该双输出三齿啮合传动输入轴转矩范围为47.3119.4 Nm。研究讨论在额定输入转速11 200 r/min、175 喷油润滑下转矩对齿轮最大接触温度的影响。齿轮转矩范围如表4所示。表4中，T、T1、T2分别为主动轮、分流大齿轮、分流小齿轮转矩。保持额定输入转速11 200 r/min不变，不同转矩下主动轮、分流大齿轮和分流小齿轮最大接触温度变化如图 8 所示，与转矩成正比。当输入转矩为119.4 Nm时，传动系统处于额定工况，此时分流大齿轮接触温度最大为226.21，主动轮、分流大齿轮、分流小齿轮胶合安全系数分别为1.44、1.31（a）接触温度（b）本体温度（c）闪温图6额定工况下各齿轮接触温度、本体温度及闪温Fig.6Contact temperature,bulk temperature and flash temperature of each gear under the rated operating condition（a）接触温度对比（b）本体温度对比图7各齿轮接触温度、本体温度对比Fig.7Comparison of contact temperature and bulk temperature of each gear表4齿轮转矩范围Tab.4Torque range of gears输入转矩T/（Nm）47.3059.7090.80110.62119.40输出转矩T1/（Nm）27.5334.7452.8564.3869.49输出转矩T2/（Nm）12.1315.3123.2928.3730.626第2期陈玉灵，等：航空高速齿轮服役温度预测模型研究和 1.35，均达到航空齿轮设计要求。输入转矩从47.3 Nm增大到119.4 Nm，主动轮、分流大齿轮、分流小齿轮最大接触温度分别升高24、37.5、29。由式（1）和式（2）可知，转矩越大，齿面接触压力和平均摩擦因数m越大，同时，两啮合齿面受到挤压发生弹性变形，齿面接触面积增大，啮合时摩擦生热更为严重。不同转矩下各齿轮最大接触温度有限元仿真值与闪温法标准值对比如图9所示，主动轮、分流大齿轮、分流小齿轮仿真值与标准值最大偏差分别为6.37%、4.57%、7.59%。因此，该模型能有效预测航空高速齿轮在载荷变化范围较大时的服役温度。（a）主动轮（b）分流大齿轮（c）分流小齿轮图9不同转矩下各齿轮最大接触温度仿真与标准结果对比Fig.9Comparison of simulation and standard results of the maximum contact temperature of each gear at different torques2.3转速对齿轮接触温度影响分析航空齿轮服役温度的另一大影响因素是转速，由图2可得输入转速变化范围为5 60022 400 r/min。研究讨论在额定输入转矩119.4 Nm、175 喷油润滑下转速对齿轮最大接触温度的影响。转速范围如表5所示。表5中，n、n1、n2分别为主动轮、分流大齿轮、分流小齿轮转速。保持额定输入转矩 119.4 Nm不变，不同转速下航空发动机附件机匣传动系统各齿轮最大接触温度变化如图10所示。当输入转速为22 400 r/min时，主动轮、分流大齿轮和分流小齿轮接触温度均达到最高，分别为212.53、242.6、229.15，胶合安全图10不同转速下各齿轮最大接触温度Fig.10Maximum contact temperature of each gear at different rotational speeds图8不同转矩下各齿轮最大接触温度Fig.8Maximum contact temperature of each gear at different torques表5齿轮转速范围Tab.5Rotational speed range of gears输入转速n/（r/min）5 60010 35611 20013 24922 400输出转速n1/（r/min）4 977.789 205.339 955.5611 776.8919 911.11输出转速n2/（r/min）10 541.1819 493.6521 082.3524 939.2942 164.717第48卷系数分别为1.39、1.22、1.29，分流大齿轮和分流小齿轮已不满足设计要求，存在胶合失效风险。输入转速由5 600 r/min升高到22 400 r/min时，主动轮、分流大齿轮、分流小齿轮最大接触温度分别升高13.95、22.73、19.14。转速增大，单位时间内生成热量增加，同时相对切向速度增大，齿轮卷吸速度增大，有利于润滑油膜的形成，使得齿面平均摩擦因数m减小；同时，齿轮转速与系统对流换热系数成正比，高转速能改善传动系统散热条件。因此，齿轮转速对齿轮副的温度有正反两面的影响，但从整体温度变化趋势而言，转速增大会提高齿面接触温度，加剧齿轮胶合失效风险。不同转速下各齿轮最大接触温度有限元仿真值与闪温法标准计算值对比如图 11 所示。主动轮在转速 5 60022 400 r/min 范围内，预测值与计算 值 的 最 大 偏 差 为 6.50%，分 流 大 齿 轮 在4 977.78 19 911.11 r/min范围内最大偏差为4.69%，分流小齿轮在10 541.1842 164.71 r/min范围内最大偏差为9.98%，均控制在10%以内。当转速大范围变化时，该仿真模型仍能高效准确预测航空齿轮服役温度，评估齿轮胶合失效风险。（a）主动轮（b）分流大齿轮（c）分流小齿轮图11不同转速下各齿轮最大接触温度仿真与标准结果对比Fig.11Comparison of simulation and standard results of the maximum contact temperature of each gear at different rotational speeds3 结论考虑固-液-气多相对流换热以及齿轮不同表面传热系数等因素，开发了基于顺序多场耦合的航空发动机附件机匣某双输出三齿啮合传动齿轮温度仿真模型，对各齿轮齿面接触温度进行分析，与ISO/TS 6336-20标准178闪温法计算结果进行了比较，评估了航空发动机附件机匣传动齿轮胶合失效风险，讨论了在载荷谱范围内齿轮运行温度变化情况。结论如下：1）航空发动机附件机匣传动系统中，各齿轮齿面最大接触温度仿真值与闪温法计算结果对比，最大偏差为9.98%。其中，分流大齿轮的齿面接触温度最高，最高温度靠近齿根位置。在额定工况下（输入转速11 200 r/min，输入功率140 kW，175 喷油润滑），齿面最大接触温度达到226.21。2）在 输 入 转 速 11 200 r/min、转 矩 47.3119.4 Nm 工况条件下，随转矩增加，摩擦生热增加，分流大齿轮最大接触温度由 194.25 上升到226.21，主动轮和分流小齿轮最大接触温度也分别上升到206.03、218.99，分流大齿轮、主动轮和分流小齿轮的胶合安全系数分别由 1.52、1.62、1.57降低至1.31、1.44、1.35。3）在输入转矩119.4 Nm、转速5 60022 400 r/min工况条件下，随转速提高，单位时间内生成热量增加，分流大齿轮最大接触温度由 219.87 上升到242.6，主动轮和分流小齿轮最大接触温度也分别上升到212.53、229.15，分流大齿轮、主动轮和分流小齿轮的胶合安全系数分别降低至1.22、1.39、1.29，存在胶合失效风险。高速重载高温服役环境下应避免齿轮转速超限，防止齿轮发生胶合失效。8第2期陈玉灵，等：航空高速齿轮服役温度预测模型研究参考文献1HANDSCHUH R，KILMAIN C.Experimental study of the influence of speed and load on thermal behavior of high-speed helical gear trains R.USA，NASA，2005（1904II）：1395-1411.2RIGGS M R，MURTHY N K，BERKEBILE S P.Scuffing resistance and starved lubrication behavior in helicopter gear contacts：dependence on material，surface finish，and novel lubricants J.Tribology Transactions，2017，60（5）：932-941.3HANDSCHUH M J，KAHRAMAN A，ANDERSON N E.Development of a high-speed two-disc tribometer for evaluation of traction and scuffing of lubricated contacts J.Tribology Transactions，2020，63（3）：509-518.4SHI Y，YAO Y，FEI J.Analysis of bulk temperature field and flash temperature for locomotive traction gear J.Applied Thermal Engineering，2016，99：528-536.5HLM B R，MICLWELIS K，COLLENBERG H，et al.Effect of temperature on the scuffing load capacity of EP gear lubricants J.Tribotest：Tribology and Lubrication in Practice，2001，7（4）：317-332.6李纪强，李炎鑫，陈超，等.变速变扭高承载齿轮传动胶合失效边界研究 J.机械传动，2021，45（1）：1-8.LI Jiqiang，LI Yanxin，CHEN Chao，et al.Study on failure boundary of thermal-scuffing for heavy duty gear transmission with variable speed and variable torsion J.Journal of Mechanical Transmission，2021，45（1）：1-8.7JIE L，LEI Z，QI Z.Comparison and analysis on different finite element models of gear interfacial contact temperatureC/2010 Second International Conference on Computer Modeling and Simulation.IEEE，2010：132-136.8余国达，刘怀举，朱才朝，等.基于摩擦热流-滞后热通量多热源的塑料齿轮啮合温度研究 J.机械传动，2021，45（2）：6-15.YU Guoda，LIU Huaiju，ZHU Caichao，et al.Analysis of meshing temperature of plastic gear based on the multi heat source of frictional heat flux and hysteresis heat flux J.Journal of Mechanical Transmission，2021，45（2）：6-15.9姚阳迪，林腾蛟，何泽银.高速斜齿轮传动稳态温度场仿真分析 J.机械研究与应用，2009，22（6）：9-12.YAO Yangdi，LIN Tengjiao，HE Zeyin.Simulation and analysis of steady-state temperature field for high-speed helical gear transmission J.Mechanical Research&Application，2009，22（6）：9-12.10 龚宪生，王欢欢，张干清，等.行星齿轮轮齿本体温度场与闪温研究 J.农业机械学报，2011，42（10）：209-216.GONG Xiansheng，WANG Huanhuan，ZHANG Ganqing，et al.Analysis of bulk temperature field and flash temperature for planet gear teethJ.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2011，42（10）：209-216.11 LU Z，LIU H，ZHANG R，et al.The simulation and experiment research on contact fatigue performance of acetal gears J.Mechanics of Materials，2021，154：103719.12 CHEN T，ZHU C，LIU H，et al.Simulation and experiment of carburized gear scuffing under oil jet lubrication J.Engineering Failure Analysis，2022，139：106406.13 LI W，ZHAI P，TIAN J，et al.Thermal analysis of helical gear transmission system considering machining