氣象雷達齒輪軸斷裂失效分析及優(yōu)化

李曄 鄭鵬

【摘 要】針對氣象雷達檢測裝置中齒輪軸的斷裂失效，首先探討了齒輪軸的結(jié)構(gòu)及工作特點，并根據(jù)斷口檢查及斷裂性質(zhì)進行斷裂原因的綜合分析，基于機械優(yōu)化設計技術提出優(yōu)化改進方案。其次，基于有限元分析方法采用ANSYS分析齒輪軸應力集中的主要原因，并對比分析了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進后的有效性，結(jié)果表明優(yōu)化后的齒輪軸可以顯著提高強度和韌性，從而避免在使用過程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，使其性能最優(yōu)、壽命延長。

【關鍵詞】齒輪軸 疲勞斷裂 應力集中 有限元

1 引言

在新一代CINRAD-SA型氣象雷達的技術保障中，機械伺服系統(tǒng)運行的準確性和穩(wěn)定性是一個重要的環(huán)節(jié)，其直接影響雷達的方位角和仰角，從而影響到氣象目標空間位置和特性測定的準確性。新一代CINRAD-SA型氣象雷達在運行過程中，出現(xiàn)了檢測裝置齒輪軸的斷裂現(xiàn)象，直接導致雷達無法正常工作。本文以齒輪軸為研究對象，基于材料力學及斷裂力學，通過宏觀、微觀的深入分析，探討齒輪軸斷裂失效的原因。針對產(chǎn)生斷裂的原因，基于疲勞強度相關理論及機械優(yōu)化設計技術提出改進方案，并優(yōu)化設計齒輪軸機械結(jié)構(gòu)?；谟邢拊治龇椒ú捎肁NSYS分析齒輪軸應力集中的主要原因，并對比分析了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進后的有效性。研究結(jié)果對氣象雷達機械伺服運動系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了參考，對保障氣象雷達連續(xù)運行的可靠性起到具有重要作用。

2 齒輪軸的結(jié)構(gòu)及工作特點

圖1檢測裝置傳動環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示為檢測裝置傳動環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖（剖視圖），齒輪軸為階梯軸，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。雷達方位控制伺服機構(gòu)通過齒輪傳遞扭矩給齒輪軸端部，齒輪軸由軸承1和軸承2支撐，齒輪軸另一端有花鍵，花鍵與齒輪盤嚙合，齒輪盤輸出軸連接脈沖編碼器，通過脈沖編碼器實現(xiàn)角位移的測量，并將測量結(jié)果反饋給伺服控制系統(tǒng)。

圖2齒輪軸三維圖

齒輪軸在該環(huán)節(jié)實現(xiàn)扭矩的傳遞作用，即驅(qū)動脈沖編碼器旋轉(zhuǎn)。因此，在實際運行中，齒輪軸是關鍵零件，主要承受著扭轉(zhuǎn)、彎曲、沖擊等載荷。

3 齒輪軸斷口檢查及斷裂性質(zhì)分析

齒輪軸斷圖如圖3所示，按斷裂失效的發(fā)展過程，斷口包括三個區(qū)域，分別為疲勞核心區(qū)（疲勞源）、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時破斷區(qū)。影響機械零件疲勞強度的因素很多，其中主要的影響因素有形狀、尺寸、平均應力、表面質(zhì)量、零件的熱處理、復合應力、加載頻率、載荷類型、停歇、溫度和腐燭介質(zhì)等[1～2]。通過對齒輪軸斷口的宏觀檢查，可基本斷定齒輪軸的斷裂性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)和彎曲疲勞斷裂。

圖3齒輪軸斷裂實物圖

根據(jù)齒輪軸使用工作環(huán)境、斷裂軸的外觀、斷口形貌及力學性能進行綜合分析，齒輪軸斷裂原因主要有以下幾種推斷：

（1）齒輪軸機械結(jié)構(gòu)和尺寸設計不合理，零件的截面幾何形狀突然變化處（軸肩）在承受轉(zhuǎn)矩時，局部應力大于名義應力，造成了應力集中，從而降低了零件的疲勞極限。（2）機加工和熱處理工藝不當，造成材料綜合力學性能達不到要求，使表面萌生的裂紋在應力作用下迅速擴展，造成軸發(fā)生疲勞斷裂。鋼基體中，其性能又與鋼基體有很大的差異，因此破壞了鋼基體的均勻性、連續(xù)性，還會在該處造成應力集中，成為疲勞源[3]。（3）機械傳動系統(tǒng)裝配不合理。主動齒輪與從動齒輪的分度圓中心間距尺寸不符合設計尺寸；齒輪軸軸心線和齒輪中心線不同軸，存在同軸度誤差，導致在長期運行過程中齒輪軸反復承受彎曲載荷，產(chǎn)生疲勞斷裂。（4）齒輪嚙合不良引起齒側(cè)間隙過大，在正反轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生空行程，從而引起不均勻載荷。

由上述分析可知，解決斷裂失效的關鍵是優(yōu)化齒輪軸機械結(jié)構(gòu)和尺寸減少應力集中現(xiàn)象。同時，考慮提高材料的性能及選擇合適的熱處理方法，并保證齒輪軸安裝時的同軸度，避免在安裝過程中引入彎矩。以下本文著重研究優(yōu)化齒輪軸機械結(jié)構(gòu)和尺寸，并通過有限元分析驗證優(yōu)化改進方案的可行性。

4 齒輪軸結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

根據(jù)原齒輪軸結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化改進方案，利用ANSYS Workbench工具[4]進行齒輪軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的受力分析（僅受扭矩、僅受彎矩，綜合作用三種情況），通過對比，分析原齒輪軸的應力集中的主要原因，以及結(jié)構(gòu)改進后的有效性。

針對原齒輪軸，仿真實際工況，齒輪軸的約束條件如圖4所示，A、B面施加圓柱支撐約束（切向不約束）。受力情況為：D、E面施加方向相反、設定大小相等的扭矩M=25N·mm，距離右端面6mm的橫截面C處施加相切與截面的力F=5N。

圖4齒輪軸的約束條件

（1）只承受彎矩的情況（距離右端面6mm的橫截面C處施加相切與截面的力F=5N），受力分析圖如圖5所示。（2）只受扭矩的情況（D、E面施加方向相反、大小相等的扭矩M=25N·mm），受力分析圖如圖6所示。（3）綜合作用情況（D、E面施加方向相反、大小相等的扭矩M=25N·mm，距離右端面6mm的橫截面C處施加相切與截面的力F=5N），受力分析圖如圖6所示。

圖5僅受彎矩時齒輪軸的受力情況

圖6僅受扭矩時齒輪軸受力情況

圖7綜合作用下齒輪軸的受力情況

由圖5和圖6可以看出，當齒輪軸僅承受彎矩作用時，應力集中發(fā)生在軸承軸肩斷裂處；僅承受扭矩作用時，應力集中發(fā)生在安裝大齒輪的圓柱面與下一圓柱面過渡位置；通過圖7發(fā)現(xiàn)在綜合受力時其應力集中發(fā)生在軸肩處，可以預測齒輪軸發(fā)生斷裂的直接原因是彎矩作用下產(chǎn)生應力集中，從而降低了齒輪軸的疲勞極限。

對原齒輪軸進行結(jié)構(gòu)和尺寸優(yōu)化，改進方案采取在軸承軸肩（斷裂處）增加過渡圓角（R=2mm）。仿真條件同上，當采用綜合作用情況時，受力分析圖如圖8所示。

圖8綜合作用下改進齒輪軸的受力情況

a）原齒輪軸 b）改進齒輪軸

圖9綜合作用下齒輪軸局部應力圖

由圖8可以看出，增加過渡圓角后綜合作用情況下齒輪傳動軸的最大應力值小于無過渡圓角時齒輪軸的最大應力值；由于造成齒輪軸斷裂的主要原因是由彎矩引起的，所以增加過渡圓角能夠在一定程度上提高傳動軸的疲勞極限；圖9顯示了加過渡圓角前后齒輪軸應力集中區(qū)的局部放大圖，無過渡圓角時，齒輪軸的最大應力分布于軸臺突變處，存在過渡圓角最大應力主要處于過渡圓角與安裝齒輪軸的圓柱面交接處。在實際加工過程中，無過渡圓角的軸臺突變處容易出現(xiàn)殘余應力，應力集中發(fā)生在此位置，降低了齒輪軸的疲勞極限。

5 結(jié)語

本文對該齒輪軸斷裂失效的原因進行了綜合分析，并著重從機械結(jié)構(gòu)和尺寸方面進行優(yōu)化改進。通過ANSYS分析可以判斷齒輪軸發(fā)生斷裂主要是因為彎矩作用下造成應力集中削弱了齒輪軸的疲勞極限而產(chǎn)生的疲勞斷裂。在實際工況中，發(fā)生斷裂的主要原因為安裝不合理引入彎矩和結(jié)構(gòu)設計不合理造成應力集中。

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作者簡介：李曄（1980—），男，河南鄭州人，碩士，河南省氣象信息網(wǎng)絡與技術保障中心工程師，主要從事氣象雷達的故障診斷及維護。