论文题目：大模数重载齿条感应加热过程仿真分析及实验研究
摘要：齿轮齿条机构作为现代机械设备中最为普遍的传动部件之一,具有传动效率高、结构紧凑、寿命长、工作可靠等特点,被广泛应用于矿山、水利等大型机械设备的升降系统中。长期以来,寿命短、可靠性低以及结构重成为掣肘我国齿轮行业发展的三大问题,感应淬火作为一种采用内热源加热的表面硬化工艺能有效减少工件表面氧化脱碳现象、淬硬层深度易于控制、耗能小,感应淬火工艺在齿轮齿条从软齿面向硬齿面发展的过程中发挥了至关重要的作用。对于大模数重载齿条而言,受限于其本身结构尺寸以及严苛的受载环境,对感应淬火工艺提出了更高的要求,基于以上,本文在研究电磁感应加热原理的基础上,针对大模数重载齿条感应加热过程作了如下研究工作:为改善现有技术下大模数重载齿条感应加热后出现的失效问题,本文提出了一种沿齿廓扫描加热的方法,并设计了适用于该种加工方法的感应器结构。基于ANSYS软件对齿条感应加热过程进行了静态数值模拟,分别从线圈尺寸对齿宽方向温度分布影响、感应加热过程中磁场分布特点、加热深度方向温度分布几方面分析了影响齿条加热后温度分布的内在机理。为了提高对齿条感应加热过程仿真分析的可靠性以及准确性,本文提出一种考虑感应器与齿条相对运动因素在内的“负载迁移循环求解法”,建立了大模数重载齿条电—磁—运动多场耦合模型,实现了对齿条沿齿廓扫描加热过程的动态仿真分析。在此基础上,研究了线圈进给速度对齿条加热后温度分布的影响,并对齿条加热后沿齿廓方向温度均匀性进行了分析。针对横向磁通感应加热方法所存在的缺陷,本文提出了分段布置导磁体的方法优化齿条加热后沿齿宽方向温度分布。针对本文提出的沿齿廓扫描加热的方法,通过搭建齿条感应加热实验平台进行了相关实验。在相同条件下利用“负载迁移循环求解法”进行数值仿真,分别测量和提取实验组与仿真组在相同位置上的温度变化数据进行对比分析,验证了数值模拟结果的准确性,同时,也说明采用“负载迁移循环求解法”对大模数重载齿条沿齿廓扫描加热过程动态仿真分析的可靠性。
关键词：感应加热;重载齿条;数值模拟;温度分布
学科专业：机械设计及理论
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 感应加热电磁场方面
1.2.2 感应加热温度场方面
1.2.3 移动式感应加热方面
1.2.4 齿轮齿条感应加热方面
1.3 研究内容
第2章 齿条电磁感应加热基本理论
2.1 齿条电磁感应加热基本原理
2.2 齿条感应加热电磁场相关理论
2.2.1 电磁场数学模型
2.2.2 磁场边界条件
2.2.3 集肤效应与电流透入深度
2.2.4 横向磁通加热与纵向磁通加热
2.3 齿条感应加热温度场相关理论
2.3.1 温度场数学模型
2.3.2 热量传递的基本方式
2.4 本章小结
第3章 齿条感应加热静态数值模拟
3.1 齿条感应加热有限元模型的建立
3.1.1 模拟方案选择
3.1.2 有限元软件选取及关键问题处理
3.1.3 齿条感应加热模型前处理
3.1.4 物理环境法耦合计算流程
3.2 齿条感应加热静态仿真结果分析
3.2.1 线圈尺寸对齿宽方向温度分布影响
3.2.2 加热距离对齿条加热后温度分布影响
3.2.3 齿条电磁感应加热过程磁场分析
3.2.4 齿条加热深度方向温度分布分析
3.2.5 加热区高温带宽度及温度均匀性分析
3.3 本章小结
第4章 齿条感应加热动态数值模拟
4.1 齿条动态感应加热实现
4.1.1 动态仿真方法提出
4.1.2 “负载迁移循环求解法”的程序设计
4.1.3 动态仿真模型建立
4.2 负载迁移速度对齿条加热后温度分布影响
4.3 沿齿廓温度均匀性分析
4.4 缺陷及改善措施
4.4.1 齿条温度分布缺陷提出
4.4.2 齿条温度分布缺陷改善
4.5 本章小结
第5章 齿条扫描式感应加热实验
5.1 引言
5.2 实验设备及实验方案
5.2.1 齿条进给设备设计
5.2.2 感应加热电源及温度监测设备
5.2.3 实验流程
5.3 齿条扫描式感应加热实验数据分析
5.3.1 工艺方案及温度监测
5.3.2 实验结果与仿真结果数据对比
5.4 本章小结
结论
参考文献
致谢