滾壓強(qiáng)化齒輪的疲勞強(qiáng)度分析

0 引言

齒輪作為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之一，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的動(dòng)力系統(tǒng)中，齒輪在高度運(yùn)轉(zhuǎn)下會(huì)承受極大的彎曲應(yīng)力，是維持發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行重要的零件之一

。滾壓強(qiáng)化技術(shù)能有效提高材料抗疲勞性能、耐磨損性能，增強(qiáng)齒輪性能

。本文基于滾壓強(qiáng)化技術(shù)，結(jié)合柴油機(jī)齒輪的實(shí)際工況進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，對(duì)比強(qiáng)化工藝前后齒輪疲勞強(qiáng)度變化情況。

1 靜力學(xué)分析及夾具設(shè)計(jì)

齒輪輪齒在工作狀態(tài)下可以簡(jiǎn)化懸臂梁，齒面法向載荷作用下，齒根處將產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。輪齒在周期性變化的彎曲應(yīng)力作用下，在應(yīng)力集中最嚴(yán)重的齒根處經(jīng)常率先出現(xiàn)裂紋。隨著裂紋不斷的擴(kuò)展，當(dāng)有效承載面不足以支承時(shí)，裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展，甚至發(fā)生輪齒斷裂。因此，對(duì)齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行研究具有重要的意義。

GB/T14230-1993 《齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法》規(guī)定了兩種方法：(1)A 試驗(yàn)法—齒輪臺(tái)架運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，將試驗(yàn)齒輪副安裝在齒輪試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)；(2)B試驗(yàn)法—齒輪單齒脈動(dòng)加載試驗(yàn)，在脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)上利用專(zhuān)門(mén)的夾具，對(duì)試驗(yàn)齒輪的輪齒進(jìn)行脈動(dòng)加載，直至輪齒出現(xiàn)彎曲疲勞失效或越出。本項(xiàng)目采用B試驗(yàn)法—齒輪單齒脈動(dòng)加載，加載壓頭采用厚實(shí)的鋼塊以保證剛度，載荷作用在輪齒接近齒頂?shù)凝X面上，同時(shí)施加在輪齒上的載荷作用線(xiàn)與試驗(yàn)齒輪的基圓相切，圖1為單齒加載夾具。

枇杷(Eriobotrya japonica)又名盧橘，屬薔薇科枇杷屬植物，是一種具有藥用價(jià)值的小型亞熱帶常綠果樹(shù)。枇杷原產(chǎn)于我國(guó)東南部，在我國(guó)已經(jīng)有了2 200多年的栽培歷史，主要分布在華東、中南和西南地區(qū)[1]，另外在日本、西班牙、土耳其、巴西等國(guó)家也有種植和栽培[2]。枇杷的果實(shí)、核仁、葉子、花均可入藥，具有潤(rùn)肺止咳、降逆止嘔的作用[3]。目前已經(jīng)從枇杷中分離出黃酮類(lèi)、酚類(lèi)、萜類(lèi)和苦杏仁苷等成分，其藥理作用主要集中在抗氧化、抗炎止咳、抑菌、抗腫瘤、保護(hù)胃黏膜、降血糖和抗過(guò)敏等方面。本文對(duì)枇杷主要生物活性成分及藥理作用進(jìn)行全面深入的概括，以期為枇杷資源的綜合利用提供科學(xué)依據(jù)及參考。

為提高試驗(yàn)效率、盡可能減少不必要的試驗(yàn)次數(shù)，合理選取齒輪疲勞試驗(yàn)時(shí)的彎矩載荷范圍就顯得尤為重要，本文基于柴油機(jī)齒輪的最大屈服應(yīng)力值對(duì)齒輪疲勞試驗(yàn)的初始彎矩進(jìn)行范圍界定。

(1)確定試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)所受的疲勞載荷和要求滿(mǎn)足的剩余強(qiáng)度

。

通過(guò)對(duì)齒輪疲勞試驗(yàn)的靜力學(xué)有限元分析，可準(zhǔn)確定位設(shè)計(jì)的夾具對(duì)疲勞試驗(yàn)部件所產(chǎn)生集中載荷的具體位置，明確齒輪應(yīng)力集中現(xiàn)象的具體聚集方位，同時(shí)可協(xié)助齒輪疲勞試驗(yàn)選擇恰當(dāng)?shù)募虞d力范圍，為提高試驗(yàn)效率提供參考依據(jù)

。依據(jù)齒輪設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。如圖3所示。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)應(yīng)力集中部位，即計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位，劃分較細(xì)的網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格時(shí)考慮選取網(wǎng)格大小為2mm。齒輪整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)及單元數(shù)分別為656201，458325。網(wǎng)格質(zhì)量系數(shù)為0.8216，網(wǎng)格劃分質(zhì)量好。

2 齒輪疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

本文中重合點(diǎn)是指兩個(gè)坐標(biāo)系下均有坐標(biāo)成果的固定控制點(diǎn)。仙居縣國(guó)土資源空間數(shù)據(jù)多以1980西安坐標(biāo)系為主，因此重合點(diǎn)必須同時(shí)具有1980西安坐標(biāo)系和2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)值。重合點(diǎn)選取的基本原則為等級(jí)高、精度高、局部變形小、分布均勻、覆蓋整個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)域[8]。選取的重合點(diǎn)要分析其現(xiàn)勢(shì)性，對(duì)測(cè)量年代已久的重合點(diǎn)要實(shí)地進(jìn)行坐標(biāo)檢核，若重合點(diǎn)存在現(xiàn)勢(shì)坐標(biāo)與原測(cè)量坐標(biāo)較差超限的，則剔除不用。經(jīng)收集，仙居縣滿(mǎn)足以上要求的重合點(diǎn)有GNSS C級(jí)點(diǎn)，共18個(gè)。

我省地處黃土高原，是全國(guó)水土流失最嚴(yán)重的省份之一，水土流失面積10.8萬(wàn)平方公里，占總土地面積的69%。面對(duì)生態(tài)窘境，我省水土保持投入力度不斷加大，治理范圍不斷擴(kuò)大，尤其是中央水利發(fā)展資金水土保持、坡耕地水土流失綜合治理、黃土高原固溝保塬、京津風(fēng)沙源水土保持等重點(diǎn)工程項(xiàng)目，綜合治理成效顯著。永和的紅棗、石樓的核桃、隰縣的玉露香梨……給群眾帶來(lái)了實(shí)實(shí)在在的獲得感、幸福感。

(2)進(jìn)行疲勞裂紋試驗(yàn)時(shí)，疲勞壽命選取較高，壽命級(jí)差要符合要求。當(dāng)試驗(yàn)的循環(huán)周次到達(dá)選定壽命而試件未破壞，則對(duì)試件采取靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)，將靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)中的最大載荷作為試件的剩余強(qiáng)度

，若

<

，即為“破壞”;若

≥

，即為“越出”。分別為試件到達(dá)疲勞壽命后未斷裂且仍滿(mǎn)足剩余強(qiáng)度和不滿(mǎn)足剩余強(qiáng)度。若試樣未到達(dá)選定疲勞壽命就發(fā)生斷裂，直接認(rèn)為“破壞”。

本試驗(yàn)所用的PLG系列高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)頻率范圍(Hz)：80—250(Hz)，最大靜態(tài)試驗(yàn)力±100kN，最大動(dòng)負(fù)荷(峰值)：50kN。采用非運(yùn)轉(zhuǎn)式高頻脈動(dòng)齒輪試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行齒輪輪齒彎曲疲勞試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)齒輪始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，而壓在輪齒上的壓頭作脈動(dòng)循環(huán)加載，從而使輪齒產(chǎn)生疲勞折斷。圖2 為齒輪疲勞試驗(yàn)夾具。

各種疲勞試驗(yàn)方法的試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)精度各不相同，應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇合適的方案。本試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)原理和組織規(guī)劃的要求，采用配對(duì)升降法進(jìn)行疲勞測(cè)試。

批改作業(yè)：教師批改主觀題給出分?jǐn)?shù)或等級(jí)，必要時(shí)還可以利用學(xué)習(xí)通直播功能或者錄制講解小微課，主動(dòng)推送給學(xué)生，方便學(xué)生隨時(shí)隨地收看，更好的學(xué)習(xí)和提高。

配對(duì)升降法要求有效數(shù)據(jù)6對(duì)以上，應(yīng)力水平保持在4到5級(jí)之間，兩級(jí)應(yīng)力差穩(wěn)定在5%以?xún)?nèi)。循環(huán)次數(shù)要求在10

～10

次之間。配對(duì)升降法具體步驟如下：

(3)當(dāng)試件發(fā)生“破壞”，則將選取的疲勞壽命降低一級(jí)，后續(xù)的一個(gè)試件重復(fù)之前同樣載荷的疲勞試驗(yàn)和靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判斷試驗(yàn)為“越出”或“破壞”。若試件發(fā)生“越出”，則將疲勞壽命升高一級(jí)，后續(xù)試驗(yàn)步驟同發(fā)生“破壞”時(shí)一致。直到試驗(yàn)結(jié)束。

如，在機(jī)械制圖課程中，教師可以結(jié)合準(zhǔn)備好的圖紙引導(dǎo)學(xué)生欣賞，然后再針對(duì)性地提出問(wèn)題，吸引學(xué)生，讓學(xué)生們可以全身心地投入其中。當(dāng)學(xué)生真正地融入到主體角色以后，其學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)潛能是很難估量的。之后，借助導(dǎo)入，將教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)巧妙地融合起來(lái)，循序漸進(jìn)、層層深入地達(dá)到教學(xué)的目標(biāo)。

(4)有效數(shù)據(jù)要從兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)第一次出現(xiàn)相反結(jié)果開(kāi)始記錄。當(dāng)試驗(yàn)中產(chǎn)生3～6對(duì)有效數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)有效數(shù)據(jù)的終點(diǎn)為“越出”或“破壞”，預(yù)測(cè)到在試樣壽命某一級(jí)上也存在一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，若這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與有效數(shù)據(jù)的起點(diǎn)位于同一壽命級(jí)上，則試驗(yàn)數(shù)據(jù)閉合。

配對(duì)升降法規(guī)定當(dāng)試樣所受應(yīng)力水平是定值時(shí)，試樣經(jīng)過(guò)1×10

循環(huán)而不發(fā)生破壞，則認(rèn)為在該定值應(yīng)力下試樣的壽命是無(wú)限的，規(guī)定這一應(yīng)力水平為試樣的疲勞強(qiáng)度。把材料疲勞強(qiáng)度的5%當(dāng)作應(yīng)力臺(tái)階

，把材料屈服強(qiáng)度的60-70%當(dāng)作初始應(yīng)力水平

。在應(yīng)力

下進(jìn)行第一個(gè)試驗(yàn)，如果在該應(yīng)力水平下試樣發(fā)生破壞，則說(shuō)明其疲勞壽命低于1×10

循環(huán)次數(shù)，因此下一個(gè)試樣的試驗(yàn)應(yīng)力要下調(diào)到

-

，反之下一個(gè)試樣試驗(yàn)應(yīng)力要上調(diào)到

+

。首個(gè)除外，每個(gè)試樣應(yīng)力水平都由上一個(gè)試樣壽命是否超過(guò)1×10

循環(huán)次數(shù)來(lái)決定。試驗(yàn)中，當(dāng)?shù)?/p>

個(gè)試樣發(fā)生破壞，則第

+1個(gè)試樣降低一級(jí)應(yīng)力水平，反之增加一個(gè)應(yīng)力級(jí)別，直到試驗(yàn)完成。初始應(yīng)力水平的選取對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生重要的影響，當(dāng)相鄰應(yīng)力水平試樣首次出現(xiàn)相反結(jié)果時(shí)，開(kāi)始升降法數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，避免了初始應(yīng)力水平選取不當(dāng)。升降法要求升降圖閉合，假設(shè)升降法在第

次試驗(yàn)結(jié)束，若繼續(xù)做試驗(yàn)﹐則下一個(gè)試樣應(yīng)力水平等于升降法數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)開(kāi)始時(shí)的應(yīng)力水平，升降圖閉合從而整個(gè)試驗(yàn)的應(yīng)力水平都集中在疲勞強(qiáng)度附近。

(5)試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合規(guī)定的有效數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)且數(shù)據(jù)閉合時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

根據(jù)配對(duì)升降法的特點(diǎn)，結(jié)合柴油機(jī)齒輪的要求，本試驗(yàn)選擇配對(duì)升降法對(duì)柴油機(jī)內(nèi)齒輪進(jìn)行疲勞分析。

齒根的最大彎曲應(yīng)力可根據(jù)有限元模擬進(jìn)行計(jì)算，齒輪靜力學(xué)參數(shù)結(jié)果如圖4所示，在47kN的壓力工況下，齒輪應(yīng)力集中部分主要在受壓齒的齒根部分，齒根最大等效應(yīng)力達(dá)到742.1MPa，尚未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度(950MPa)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)齒輪的疲勞次數(shù)達(dá)到10

時(shí)，若試樣仍未發(fā)生破壞，即判定該試樣通過(guò)考核，認(rèn)為其擁有無(wú)限疲勞壽命，實(shí)驗(yàn)記錄視作“越出”。特別地，疲勞試驗(yàn)中齒輪試樣的失效形式不一定是某一部分與整體完全分離式的斷裂，在試驗(yàn)中，只要內(nèi)部裂紋發(fā)生萌生與擴(kuò)展，疲勞試驗(yàn)的試樣頻率便會(huì)發(fā)生一定改變。在本次試驗(yàn)中，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，使得疲勞試驗(yàn)的頻率產(chǎn)生1 Hz以上的變動(dòng)時(shí)，即判定零件內(nèi)部已發(fā)生斷裂，齒輪已經(jīng)發(fā)生失效。

采用升降法測(cè)定齒輪的疲勞極限相關(guān)數(shù)據(jù)

。齒輪試件的疲勞試驗(yàn)根據(jù)是否進(jìn)行滾壓處理分為兩組，每組試驗(yàn)共選用12個(gè)齒輪。疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表1、表2 所示。圖5、圖6 為齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)升降圖。

結(jié)果表明，未做滾壓強(qiáng)化處理齒輪的中值載荷為最大載荷 F=33 kN，齒輪的疲勞強(qiáng)度為：602 MPa；強(qiáng)化處理齒輪齒輪的中值載荷為最大載荷 F=42 kN，齒輪的疲勞強(qiáng)度為：725 MPa。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，滾壓機(jī)械表面強(qiáng)化技術(shù)能夠有效提高齒輪約17%的抗疲勞性能，對(duì)延長(zhǎng)齒輪使用壽命、增大安全系數(shù)有明顯作用。

要從根本上解決地名檢索中的地理空間的層次結(jié)構(gòu)特性和地名表達(dá)的模糊性，就必須結(jié)合地名描述、地理空間、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)知識(shí)和技術(shù)，從整體上進(jìn)行把握，構(gòu)建基于地名本體的語(yǔ)義網(wǎng)實(shí)現(xiàn)基于語(yǔ)義的地名檢索服務(wù)[2]。

4 總結(jié)

本項(xiàng)目結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪實(shí)際的工況受力，進(jìn)行系統(tǒng)性的疲勞試驗(yàn)，對(duì)比滾壓強(qiáng)化工藝前后齒輪疲勞強(qiáng)度變化情況，分析滾壓技術(shù)對(duì)齒輪疲勞壽命的影響關(guān)系。通過(guò)靜力學(xué)有限元分析，確定所設(shè)計(jì)夾具對(duì)疲勞試驗(yàn)部件施加載荷的集中發(fā)生位置，協(xié)助疲勞試驗(yàn)選擇合理的加載力范圍。未做滾壓強(qiáng)化處理齒輪的中值載荷為最大載荷 F=33 kN，齒輪的疲勞強(qiáng)度為：602 MPa；強(qiáng)化處理齒輪齒輪的中值載荷為最大載荷 F=42 kN，齒輪的疲勞強(qiáng)度為：725 MPa。仿真模擬的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。結(jié)果表明滾壓強(qiáng)化技術(shù)提升了齒輪約20%的疲勞極限，有效提高了齒輪的抗疲勞能力。

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