齿面疲劳断裂风险评估方法技术

本发明专利技术涉及机械传动机构设计技术领域，具体为齿面疲劳断裂风险评估方法，包括以下步骤：步骤

【技术实现步骤摘要】
齿面疲劳断裂风险评估方法


[0001]本专利技术涉及机械传动机构设计
，具体为齿面疲劳断裂风险评估方法
。

技术介绍

[0002]齿面疲劳断裂是风电表面强化齿轮常见的疲劳失效形式之一，现有的齿面疲劳断裂形式主要体现为微点蚀
、
点蚀
、
深层齿面断裂，虽然在高端装备齿轮传动中，通过良好的润滑设计与齿形优化，胶合与擦伤等热疲劳失效在一定程度上得到缓解；通过齿轮表面强化与超精加工工艺，微点蚀
、
点蚀以及剥落等典型接触疲劳得到改善
。
但是，随着风电齿轮箱朝着大功率
(15
‑
20MW)
发展，对风电齿轮功率密度和可靠性的要求不断提高，齿轮接触疲劳性能再次面临严峻挑战，专利技术人在实际生产过程中发现如下问题：热处理后的齿轮在承载过程中出现齿面疲劳断裂现象，专利技术人运用现有的评估标准无法准确评估裂纹产生的原因，进而导致该现象一直无法得到解决，亟需研发一种齿面疲劳断裂风险评估方法以解决上述问题
。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在提供齿面疲劳断裂风险评估方法，以解决现有评估方法无法准确评估齿轮在高负荷承载过程中容易出现齿面疲劳断裂现象的问题
。
[0004]本申请提供如下技术方案：齿面疲劳断裂风险评估方法，其特征是，包括以下步骤：
[0005]步骤
1、
根据齿轮啮合原理和赫兹接触理论，将齿轮副啮合点处的接触模型转化为二维平面接触模型，并在<br/>ABAQUS
平台建立该接触模型；
[0006]步骤
2、
根据齿轮原材料夹杂物的属性，在步骤1中的接触模型中添加夹杂物种类并设置其力学参数；
[0007]步骤
3、
基于接触模型计算一次滚动接触过程中的交变剪应力，并根据应力历史计算交变剪应力幅值和交变剪应力均值，求得等效剪应力分布；
[0008]步骤
4、
根据齿轮硬度分布曲线，以及硬度与残余应力的线性关系，计算材料等效残余应力和材料局部剪切强度；
[0009]步骤
5、
根据材料暴露系数理论，基于等效剪应力与材料局部剪切强度的比值计算齿轮暴露系数，根据暴露系数沿齿面深度方向分布曲线可预测齿面疲劳断裂风险
。
[0010]进一步，步骤1中，所述接触模型为：
[0011]r
＝
r1r2/(r1+r2)
[0012][0013]式中，
r
为等效圆的半径，
r1和
r2齿轮副中两齿轮的等效曲率半径，
b
为赫兹接触半宽，
p
H
为最大接触压力，
F
为啮合力，
E
为等效弹性模量
。
[0014]进一步，步骤3中，等效剪应力为：
[0015]τ
eq
＝
τ
a
+|
τ
m
|
[0016]式中，
τ
a
为剪应力幅值，
τ
m
为剪应力均值
。
[0017]进一步，步骤4中，残余应力为：
[0018][0019]材料局部剪切强度为：
τ
per
(z)
＝
0.416HV(z)
[0020]式中，
z
为沿齿面深度方向的坐标，
σ
rs
(z)
为残余应力，
HV(z)
为沿齿面深度方向分布的硬度曲线，
HV
core
为齿轮心部硬度，
τ
per
(z)
为局部材料剪切强度
。
[0021]专利技术构思：
[0022]专利技术人在实际研发的过程中发现，热处理后的齿轮在承载过程中出现齿面疲劳断裂现象，且大部分的轮齿断裂都是齿面下方一定深度处的裂纹萌生导致；但是按现有技术规范
ISO6336
‑
4《
直齿轮和斜齿轮承载能力计算方法
——
齿面疲劳断裂承载能力计算
》
进行评估判断，并未找到会导致此现象发生的原因
。
[0023]专利技术人又通过建立齿轮副接触分析模型，根据接触参数
、
齿轮的硬度
、
材料残余应力
、
接触应力
、
材料参数，运用有限元软件进行分析计算，得出齿轮材料的关键区域暴露值，并根据暴露值沿齿面深度方向的分布曲线图，发现齿轮断裂位置的暴露值为
0.5
左右，远低于齿面接触疲劳失效风险的阈值
0.8
，即此断裂位置理应不会发生断裂现象，由此，专利技术人判断上述的各分析参数
(
齿轮的硬度
、
材料残余应力等
)
，并不是导致齿轮断裂的原因
。
[0024]专利技术人改变思路，通过扫描电镜
(SEM)
和
X
射线能谱仪
(EDS)
对裂纹萌生位置进行检测，发现裂纹产生处均有灰色长条状夹杂物或黑色颗粒状夹杂物，经成分分析鉴定该灰色长条状夹杂物为硫化物，黑色颗粒状夹杂物为氧化物，基于此现象，专利技术人将夹杂物也作为判断齿面疲劳断裂的因素之一，完成了本评估方法，将之作为热处理后的齿轮质量评估基准，以减少齿轮断裂现象发生
。
[0025]本技术方案的有益效果：
[0026]1.
本专利技术将齿轮副啮合点的接触模型简化为二维平面接触模型，将齿轮啮合过程中的复杂时变应力状态等效为圆周与平面的一次滚动接触时的应力变化过程，简化了计算过程，便于后续分析计算交变剪应力
。
[0027]2.
在建立齿轮副接触模型时，将原材料中的夹杂物属性加入了模型中，使得在进行齿轮副模拟滚动接触过程中更接近齿轮实际啮合工况，并提出了一种更加适用于滚动接触疲劳的剪切应力驱动的等效应力计算方式，能够更准确的表征出齿轮因夹杂物引起的局部应力集中
。
[0028]3.
将夹杂物引起齿面疲劳断裂风险的可能性量化为材料暴露系数，并将之作为实际生产中的齿轮疲劳失效风险评估依据，极大的简化了疲劳分析流程，能够更直观的对夹杂物引起的失效风险进行评估，提高设计分析的准确性和便捷性，对提升大功率风电齿轮箱的可靠性具有较好的支撑作用
。
附图说明
[0029]图1为齿轮副啮合图
。
[0030]图2为齿轮副啮合图简化后的二维线接触模型
。
[0031]图3为应力随夹杂物周向角度变化图
。
[0032]图4为硬度沿齿面深度方向的分布图
。
[0033]图5为夹杂物位于不同深度处的材料暴露系数分布图
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
齿面疲劳断裂风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤
1、
根据齿轮啮合原理和赫兹接触理论，将齿轮副啮合点处的接触模型转化为二维平面接触模型，并在
ABAQUS
平台建立该接触模型；步骤
2、
根据齿轮原材料夹杂物的属性，在步骤1中的接触模型中添加夹杂物种类并设置其力学参数；步骤
3、
基于接触模型计算一次滚动接触过程中的交变剪应力，并根据应力历史计算交变剪应力幅值和交变剪应力均值，求得等效剪应力分布；步骤
4、
根据齿轮硬度分布曲线，以及硬度与残余应力的线性关系，计算材料等效残余应力和材料局部剪切强度；步骤
5、
根据材料暴露系数理论，基于等效剪应力与材料局部剪切强度的比值计算齿轮暴露系数，根据暴露系数沿齿面深度方向分布曲线可预测齿面疲劳断裂风险
。2.
根据权利要求1所述的齿面疲劳断裂风险评估方法，其特征在于：步骤1中，所述接触模型为：
r
＝
r1r2/(r1+r2)
式中，
r
为等效圆的半径，
r1和
p2齿轮副中两齿轮的等效曲率半径，
b
为赫兹接触半宽，

【专利技术属性】
技术研发人员：周烨，柏厚义，刘思远，陈晓金，冯厚斌，徐晓娜，戴先武，叶伟，
申请(专利权)人：重庆望江工业有限公司江苏分公司，
类型：发明
国别省市：