技術(shù)小課堂丨高頻工況下齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)技術(shù)研究
中機(jī)小課堂
本文介紹了在齒輪在高頻振動(dòng)加載工況下的抗疲勞特性,設(shè)計(jì)了單齒加載的齒輪彎曲疲勞夾具,利用電磁諧振高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)齒輪進(jìn)行了疲勞試驗(yàn),驗(yàn)證了齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)的可行性,為齒輪的疲勞試驗(yàn)研究提供了依據(jù)。
齒輪傳動(dòng)依靠輪齒的嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力,有適應(yīng)性廣、傳動(dòng)比恒定、效率高、工作可靠壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn),因此齒輪是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的機(jī)械傳動(dòng)零件;也正是基于其廣泛的應(yīng)用,對(duì)于齒輪的傳動(dòng)失效的研究也是具有十分重要的意義;齒輪傳動(dòng)失效中,輪齒的彎曲疲勞也是發(fā)生概率較高的形式,造成后果十分嚴(yán)重;由于齒輪彎曲疲勞為高周應(yīng)力疲勞測試,考慮試驗(yàn)周期長、成本高等前提,目前對(duì)于齒輪彎曲疲勞的研究更多是基于不同仿真軟件的數(shù)據(jù)支撐作為評(píng)價(jià)齒輪性能的依據(jù);本文結(jié)合高頻率加載下的齒輪彎曲疲勞測試,大幅提高試驗(yàn)的效率,縮短試驗(yàn)周期,同時(shí)搭配定制齒輪彎曲疲勞夾具,對(duì)齒輪在高頻響下的彎曲疲勞特性進(jìn)行了深入的研究。
齒輪彎曲疲勞的試驗(yàn)形式包含兩種;嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)及脈動(dòng)加載,實(shí)現(xiàn)齒根應(yīng)力狀態(tài)和數(shù)值模擬,用以測定輪齒發(fā)生彎曲疲勞時(shí)的應(yīng)力水平;加載示意圖如圖1所示。
結(jié)合齒輪彎曲疲勞加載形式設(shè)計(jì)齒輪高頻疲勞夾具如圖2所示,齒輪由調(diào)節(jié)板送入試驗(yàn)位置,并分別與上壓頭、支撐座接觸,并通過支撐軸進(jìn)行輔助支撐定位,通過上壓頭的加載即可實(shí)現(xiàn)壓向彎曲疲勞試驗(yàn)。
夾具中支撐軸起到輔助支撐、定位作用,分散齒輪與下端支撐座的作用力,可以保證上壓頭接觸的輪齒受力最大,形成最終破壞位置,如圖2所示;調(diào)節(jié)板上的長圓孔結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)齒輪水平方向位置的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)螺母與支撐座的螺紋配合可以實(shí)現(xiàn)齒輪垂直方向位置的調(diào)節(jié),最終實(shí)現(xiàn)上壓頭與齒輪的配位置準(zhǔn)確性,達(dá)到上壓頭作用線與齒輪基圓相切的目的,更符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,如圖3所示。
齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)有多種數(shù)據(jù)組合方法,并通過統(tǒng)計(jì)處理得到不同可靠度下疲勞曲線。該法可比較準(zhǔn)確地測定試驗(yàn)齒輪有限壽命區(qū)間內(nèi)“可靠度-應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)”曲線(“R-S-N”曲線),可預(yù)估齒輪彎曲疲勞極限。因此齒輪彎曲的整個(gè)試驗(yàn)周期較長,一般單個(gè)試驗(yàn)周次可達(dá)上百萬次,為縮短試驗(yàn)時(shí)長、提高工作效率,采用試驗(yàn)頻率較高的電磁諧振高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試。
電磁諧振高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)應(yīng)滿足如下指標(biāo):
(1)應(yīng)同時(shí)具備靜載荷、動(dòng)載荷試驗(yàn)控制方式,加載過程無沖擊振動(dòng)現(xiàn)象;
(2)載荷、加載頻率和循環(huán)次數(shù)的顯示和記錄功能;
(3)示值相對(duì)誤差應(yīng)不大于0.5%,動(dòng)載荷示值相對(duì)誤差不大于2%;
(4)加載頻率范圍在60-300Hz之間
2.4
試驗(yàn)研究
采用中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司生產(chǎn)的20t電磁諧振高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行齒輪的彎曲疲勞如圖4所示。
試驗(yàn)過程中,設(shè)備可通過多種保護(hù)(頻率降、負(fù)荷超限、預(yù)定義試驗(yàn)次數(shù))自動(dòng)停機(jī),停機(jī)后檢查試樣,輪齒根部出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致加載力超限觸發(fā)主機(jī)停機(jī)保護(hù),出現(xiàn)裂紋為上壓頭對(duì)應(yīng)的輪齒,證明支撐軸的輔助作用起到效果,與最初的設(shè)計(jì)意圖吻合;如圖5所示。
繼續(xù)施加靜載將出現(xiàn)裂紋輪齒壓斷,拆除試樣進(jìn)行斷口檢查,從試樣斷口形態(tài)可清晰看出輪齒的疲勞裂口持續(xù)擴(kuò)展的狀態(tài),整個(gè)斷口疲勞裂紋在齒寬方向趨勢均勻,如圖6所示;斷口分析結(jié)果可證明夾具本身的加載位置準(zhǔn)確;可證明可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的必要性、可靠性;同時(shí),也證明了主機(jī)整體同軸狀態(tài)良好。
針對(duì)直齒圓柱齒輪的加載特性及要求,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的彎曲疲勞夾具,利用電磁諧振高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)齒輪試樣進(jìn)行了彎曲疲勞試驗(yàn),驗(yàn)證了高頻響下的齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)的可行性,以及所設(shè)計(jì)的齒輪彎曲疲勞夾具的可靠性,為齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)研究提供了有效依據(jù)。
GB/T 14230-2021.
JBT 5488-2015.
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