[發(fā)明專利]一種評估表面硬化齒輪接觸疲勞失效風(fēng)險的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710965403.3
• 申請日: 2017-10-17
• 公開（公告）號: CN107885907A
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉懷舉;劉鶴立;朱才朝;宋朝省
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 重慶大學(xué)專利中心50201
• 代理人: 唐開平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機械零部件疲勞失效風(fēng)險的評估方法，具體涉及一種評估以滲碳淬火為代表的表面硬化齒輪副接觸疲勞失效風(fēng)險的方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)代工業(yè)正朝著高速、重載、大功率的方向不斷發(fā)展，所以工業(yè)生產(chǎn)對齒輪、軸承等重要零部件的功率密度和服役壽命有更高的要求。但齒輪的接觸疲勞失效顯著影響著諸如風(fēng)機、直升機、船艦等機械設(shè)備的可靠性和使用壽命，極大影響人機安全和經(jīng)濟效益。由于齒輪接觸情況復(fù)雜，且由于齒面硬化層梯度、殘余應(yīng)力梯度等因素的影響，使得齒輪的接觸疲勞分析更為困難，有效評估齒輪接觸疲勞失效風(fēng)險一直是機械行業(yè)存在的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種評估表面硬化齒輪接觸疲勞失效風(fēng)險的方法，它能評估齒輪接觸疲勞失效風(fēng)險，以評估結(jié)果為依據(jù)，避免因齒輪失效而導(dǎo)致的突發(fā)事故、因裝置設(shè)備停機造成生產(chǎn)效益的損失。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過這樣的技術(shù)方案實現(xiàn)的，它包括以下步驟：

步驟1、依據(jù)齒輪副的幾何運動學(xué)計算嚙合位置的接觸參數(shù)，建立接觸分析模型；

步驟2、基于齒輪副接觸分析模型，進行接觸應(yīng)力應(yīng)變分析，求出復(fù)雜多軸應(yīng)力場的等效剪應(yīng)力；

步驟3、根據(jù)齒輪材料的硬度曲線以及材料參數(shù)估算輪齒局部材料強度；

步驟4、根據(jù)齒輪材料的殘余應(yīng)力曲線，將殘余應(yīng)力的換算成等效剪應(yīng)力；

步驟5、以等效剪應(yīng)力除以齒輪局部材料強度，得出關(guān)鍵接觸區(qū)域任一點處的暴露值。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：

解決了機械行業(yè)長期存在的技術(shù)難題，能有效評估齒輪接觸疲勞失效風(fēng)險，為齒輪的設(shè)計、制造、使用提供依據(jù)。

附圖說明

本發(fā)明的附圖說明如下：

圖1為表面硬化齒輪的硬度和殘余應(yīng)力隨深度變化的分布圖

圖2為表面硬化齒輪硬度隨淺層深度變化的曲線圖；

圖3為表面硬化齒輪殘余應(yīng)力隨淺層深度變化的曲線圖；

圖4為實施例中的2MW風(fēng)電齒輪箱的傳動圖；

圖5為實施例中等效剪應(yīng)力沿深度分布的曲線；

圖6為實施例中材料局部強度沿深度分布曲線；

圖7為實施例中殘余應(yīng)力等效的剪應(yīng)力沿深度分布的曲線；

圖8為實施例中殘余應(yīng)力對等效剪應(yīng)力的削弱值沿深度分布的曲線；

圖9為實施例的齒輪的材料暴露值曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明：

如圖1所示，橫坐標(biāo)表示齒輪表面，也表示硬度大小、殘余應(yīng)力的大小和方向，縱坐標(biāo)表示齒輪內(nèi)部的深度。曲線1指示出了硬化齒輪的硬度變化狀態(tài)，曲線2指示出了殘余應(yīng)力的大小和方向變化狀態(tài)。

如圖2所示，曲線為使用Vicker硬度測試法得到的硬度曲線。縱坐標(biāo)為維氏硬度值，橫坐標(biāo)為距離齒面的深度值，單位為毫米(mm)，總測量深度為5mm，測量值為一系列數(shù)據(jù)點，根據(jù)測量數(shù)據(jù)點擬合出一條曲線，擬合函數(shù)為：

HV(z)＝a·z⁴+b·z³+c·z²+d·z+e (1)

式(1)中，a＝-1.733，b＝25.37，c＝-118，d＝144.8，e＝589.5，z為深度值。

如圖3所示，曲線為使用X射線衍射法測量得到的殘余應(yīng)力曲線。縱坐標(biāo)為殘余應(yīng)力值，單位為兆帕(MPa)，橫坐標(biāo)為距離齒面的深度值，單位為毫米(mm)。總測量深度為3mm，測量值為一系列數(shù)據(jù)點，根據(jù)測量數(shù)據(jù)點擬合出一條曲線，擬合函數(shù)為：

σ_r(z)＝f·z⁴+g·z³+h·z²+i·z+j (2)

式(2)中，f＝1.321×10^-11，g＝-1.14×10^-7，h＝0.0003365，i＝-0.3135，j＝-100.9，z為深度值。若計算深度超過3mm，因3mm深度后殘余應(yīng)力極小，殘余應(yīng)力可取0。

圖2和圖3對不同的齒輪都需重新測量，因為齒輪涉及到材料、機加工、熱處理差異等等問題，所以這里的擬合函數(shù)僅是一個實施例。

本發(fā)明包括以下步驟：

步驟1、基于赫茲接觸理論，根據(jù)幾何運動學(xué)計算嚙合位置參數(shù)，嚙合位置參數(shù)包括齒輪接觸位置綜合曲率半徑，齒面法向載荷，赫茲接觸半寬，赫茲最大接觸壓力，建立接觸分析模型：