[发明专利]一种评估表面硬化齿轮接触疲劳失效风险的方法

说明书

技术领域

本发明属于机械零部件疲劳失效风险的评估方法，具体涉及一种评估以渗碳淬火为代表的表面硬化齿轮副接触疲劳失效风险的方法。

背景技术

现代工业正朝着高速、重载、大功率的方向不断发展，所以工业生产对齿轮、轴承等重要零部件的功率密度和服役寿命有更高的要求。但齿轮的接触疲劳失效显著影响着诸如风机、直升机、船舰等机械设备的可靠性和使用寿命，极大影响人机安全和经济效益。由于齿轮接触情况复杂，且由于齿面硬化层梯度、残余应力梯度等因素的影响，使得齿轮的接触疲劳分析更为困难，有效评估齿轮接触疲劳失效风险一直是机械行业存在的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种评估表面硬化齿轮接触疲劳失效风险的方法，它能评估齿轮接触疲劳失效风险，以评估结果为依据，避免因齿轮失效而导致的突发事故、因装置设备停机造成生产效益的损失。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：

步骤1、依据齿轮副的几何运动学计算啮合位置的接触参数，建立接触分析模型；

步骤2、基于齿轮副接触分析模型，进行接触应力应变分析，求出复杂多轴应力场的等效剪应力；

步骤3、根据齿轮材料的硬度曲线以及材料参数估算轮齿局部材料强度；

步骤4、根据齿轮材料的残余应力曲线，将残余应力的换算成等效剪应力；

步骤5、以等效剪应力除以齿轮局部材料强度，得出关键接触区域任一点处的暴露值。

本发明的技术效果是：

解决了机械行业长期存在的技术难题，能有效评估齿轮接触疲劳失效风险，为齿轮的设计、制造、使用提供依据。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为表面硬化齿轮的硬度和残余应力随深度变化的分布图

图2为表面硬化齿轮硬度随浅层深度变化的曲线图；

图3为表面硬化齿轮残余应力随浅层深度变化的曲线图；

图4为实施例中的2MW风电齿轮箱的传动图；

图5为实施例中等效剪应力沿深度分布的曲线；

图6为实施例中材料局部强度沿深度分布曲线；

图7为实施例中残余应力等效的剪应力沿深度分布的曲线；

图8为实施例中残余应力对等效剪应力的削弱值沿深度分布的曲线；

图9为实施例的齿轮的材料暴露值曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，横坐标表示齿轮表面，也表示硬度大小、残余应力的大小和方向，纵坐标表示齿轮内部的深度。曲线1指示出了硬化齿轮的硬度变化状态，曲线2指示出了残余应力的大小和方向变化状态。

如图2所示，曲线为使用Vicker硬度测试法得到的硬度曲线。纵坐标为维氏硬度值，横坐标为距离齿面的深度值，单位为毫米(mm)，总测量深度为5mm，测量值为一系列数据点，根据测量数据点拟合出一条曲线，拟合函数为：

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为深度值。

如图3所示，曲线为使用X射线衍射法测量得到的残余应力曲线。纵坐标为残余应力值，单位为兆帕(MPa)，横坐标为距离齿面的深度值，单位为毫米(mm)。总测量深度为3mm，测量值为一系列数据点，根据测量数据点拟合出一条曲线，拟合函数为：

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为深度值。若计算深度超过3mm，因3mm深度后残余应力极小，残余应力可取0。

图2和图3对不同的齿轮都需重新测量，因为齿轮涉及到材料、机加工、热处理差异等等问题，所以这里的拟合函数仅是一个实施例。

本发明包括以下步骤：

步骤1、基于赫兹接触理论，根据几何运动学计算啮合位置参数，啮合位置参数包括齿轮接触位置综合曲率半径，齿面法向载荷，赫兹接触半宽，赫兹最大接触压力，建立接触分析模型：