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垂直式升船机是三峡大坝工程的重要组成部分,是世界上技术难度与参数规模最大的升船装置。作为升船机中起关键升降功能的大模数齿轮齿条传动系统是船舶安全快速过坝的重要保证。由于齿轮齿条升降机构长期在低速、重载工况和恶劣的开式环境中作业,齿轮齿条难以实现充分润滑,润滑介质消耗量大,易出现胶合失效。因此,针对上述问题,开展低速重载齿轮齿条传动机构的润滑状态和失效模式分析以及低摩擦设计的研究,对保证其运行的安全可靠和提高三峡工程通航的经济与环保效益均具有重要意义。本文以低速重载大模数开式齿轮齿条机构为研究对象,综合运用摩擦学和数值仿真技术,考虑瞬态效应、非牛顿效应和粗糙度效应建立了混合弹流润滑仿真数值模型,得到了在一个啮合周期下的齿面润滑状态变化情况和工况参数对其润滑性能的影响规律;考虑实际工况下胶合失效的影响要素,分析了表面织构技术对低速重载齿面的减摩作用,并研究了针对润滑系统适量供油的油量优化设计方法。本文的主要工作和贡献如下:首先,建立适用于低速重载齿轮齿条瞬态混合润滑仿真的数学模型并分析齿轮齿条啮合过程中的润滑状态,结果表明大模数齿轮齿条在啮合过程中压力、膜厚的变化与卷吸速度、当量曲率半径以及载荷的变化规律相关,其中啮入点的齿面油膜厚度最薄,压力较高,摩擦系数最大,是啮合过程中最易发生磨损与胶合失效的危险点。并根据模型计算结果与试验结果的一致性以及齿面形貌分析验证了数值仿真模型的适用性。而后,使用周期复制离散卷积快速傅里叶变换方法(Discrete Convolution with Duplicated Padding-Fast Fourier Transform,DCD-FFT)将二维模型拓展至三维,进一步分析齿面粗糙特征值及工况参数对齿面润滑性能的影响。研究表明:在低速重载工况下,表面粗糙度值和纹理方向对齿面润滑状态影响最显著,齿轮转速对齿面膜厚分布也有一定影响。最后,针对低速重载齿面的减摩设计和开式作业环境下的润滑设计,分别进行齿面织构设计和最适供油量计算。结合质量守恒润滑模型与微凸体接触模型,计算得到低速重载工况下减摩效果最佳的织构设计参数方案为:面积率44%,深度7μm,直径12μm。结合润滑状态数值分析中油膜厚度的计算结果与喷油润滑系统,提出了一种能够保证齿面充分润滑的最适供油量的计算方法,计算得到低速重载齿轮齿条一个啮合周期的最适供油量为734.51ml,相比推荐供油量减少了4.13%。并分析贫油条件下,表面织构对低速重载齿面的减摩作用,结果表明在任何供油条件下,表面织构均能减小齿面摩擦系数。通过本文的研究,揭示了低速重载齿面啮合过程中润滑状态的变化规律以及可能出现的失效模式,并结合微观表面处理技术和宏观润滑系统供油分析两个方面,提出了能够有效改善齿面润滑状态、防止胶合失效、降低摩擦损耗和环境负荷的方法,从而为开式低速重载大模数齿轮齿条传动装置的低摩擦设计和润滑系统的油量优化设计提供理论指导。