高速列车齿轮副裂纹扩展寿命研究

为研究高速列车齿轮的齿根裂纹扩展特性,在有限元软件ABAQUS中建立齿轮副模型并通过静力学分析,以确定裂纹萌生位置。基于线弹性断裂力学理论,在软件ABAQUS中建立含齿根初始裂纹的斜齿轮模型,计算裂纹前缘不同节点处的应力强度因子;研究齿根裂纹自动扩展的方式及轨迹,通过计算得到齿根裂纹的扩展寿命。在此研究的基础上,探讨了载荷大小等因素对裂纹扩展寿命及轨迹的影响规律。研究表明,裂纹扩展速率先慢后快,载荷对裂纹扩展寿命的影响十分明显。     

随机风载下齿轮副接触疲劳裂纹萌生寿命研究

对随机风场进行了模拟,得到了正常发电工况下主轴扭矩的时间历程;建立了齿轮副的三维有限元模型,计算了在静态载荷下齿轮副的应力应变。采用随机载荷雨流计数法对齿轮载荷进行雨流计数,并对结果进行了统计学分析,得到应力均值符合三参数威布尔分布。研究了服从三参数威布尔分布的分布参数对齿轮接触疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明采用随机载荷相对于采用载荷均值齿轮的接触疲劳裂纹萌生寿命疲劳寿命下降,形状参数增大齿轮接触疲劳裂纹萌生寿命增大,尺度参数和位置参数增大齿轮的接触疲劳裂纹萌生寿命减小。     

考虑残余应力的螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法研究

考虑渗碳、磨齿、喷丸等工艺产生的齿面残余应力,建立齿面接触应力与残余应力的复合应力场,提出一种螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法。构建齿轮有限元接触分析模型,计算多轴交变接触应力场。考虑空间螺旋曲面残余应力分布的复杂性,将变曲率齿面离散为网状节点;测量各节点表面与次表面的残余应力,建立齿面残余应力场。基于Dang Van多轴疲劳准则,构建齿面裂纹萌生模型;计及残余应力与裂纹闭合效应,构建齿面裂纹扩展模型。计算复合应力场下齿轮接触疲劳寿命,研究残余应力对齿面裂纹萌生-扩展寿命的影响规律。结果发现：复杂齿面空间变曲率会影响喷丸等工艺产生的残余应力分布,中心区域的残余压应力高出齿面边缘区域约20%;复合应力场下齿面裂纹萌生位置与寿命主要取决于接触应力,残余应力会改变齿面节点平均应力进而影响疲劳寿命;齿面裂纹扩展寿命约占全寿命的10%,表征齿轮接触疲劳快速失效至迅速断裂。上述研究对于高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。     

硬齿面齿轮齿根裂纹扩展特性与剩余寿命研究

为了研究齿根裂纹对硬齿面齿轮疲劳寿命的影响,以某渐开线硬齿面齿轮为研究对象,基于断裂力学方法和疲劳裂纹扩展理论,分析研究了齿轮齿根疲劳裂纹扩展机制;建立了考虑载荷大小、初始裂纹大小以及初始裂纹位置等因素影响的硬齿面齿轮齿根裂纹扩展剩余寿命分析模型,研究了齿根裂纹不同扩展阶段的应力强度因子演变规律与裂纹扩展机制;根据某渐开线硬齿面齿轮副弯曲疲劳试验数据,对所建计算模型进行了分析与验证,证明了模型的准确性。结果表明,与Ⅱ型裂纹、Ⅲ型裂纹相比,Ⅰ型裂纹应力强度因子最大,从齿面到裂纹深度方向,其值逐渐减小;随载荷、裂纹长度、裂纹宽度以及初始裂纹距齿宽中心位置的距离等因素的增大,裂纹扩展剩余寿命都随之减小。     

直齿轮弯曲疲劳裂纹的扩展行为预测与分析

以渐开线圆柱齿轮为研究对象,在其齿根部存在初始裂纹的前提下,研究齿根疲劳裂纹扩展特性及其寿命;将齿轮啮合过程的动力学计算等效为多个啮合位置的静力分析,得到不同位置的应力强度因子;根据线弹性断裂力学,将裂纹扩展过程线性等效,以K判据分析裂纹是否发生扩展,根据Paris准则计算裂纹扩展量,采用最大周向应力准则确定裂纹扩展角度,得到整个计算周期的应力强度因子、疲劳裂纹扩展路径及疲劳寿命;采用高频试验台对齿轮进行疲劳试验,得到齿轮的疲劳扩展路径,与有限元计算结果进行对比验证;最后分别分析了初始裂纹的尺度、位置和载荷的不同对疲劳裂纹的扩展及疲劳寿命的影响。     

基于材料细观特性的TC4钛合金疲劳裂纹萌生寿命仿真

建立了TC4钛合金材料的疲劳裂纹萌生寿命的预测模型,并通过试验验证了此模型在预测TC4钛合金材料疲劳裂纹萌生寿命时的可行性.基于裂纹萌生的细观位错模型,采用Tanaka-Mura的开裂寿命公式,考虑了表面粗糙度,提出了分析TC4钛合金材料疲劳裂纹萌生的有限元模型,并通过实验验证仿真模型的有效性.结果 表明:模型裂纹萌生形式在不同载荷水平下存在差异,高应力水平状态下,模型除了主裂纹的萌生扩展还伴有大量独立微裂纹,裂纹密度大,而在低应力水平状态下,模型存在少量独立微裂纹,裂纹密度小.     

基于有限元法的正交面齿轮疲劳特性探究

基于齿轮几何学原理,利用刀具的齿廓方程,推导了与之共轭的正交面齿轮的齿面和齿根方程,编写Matlab程序生成了正交面齿轮齿面和齿根点云,在Imagewear和UG中生成了面齿轮传动的实体和装配模型。对正交面齿轮传动真实载荷谱15种工况的载荷历程进行雨流计数,得到载荷循环数、均值与幅值的关系,在此基础上,在FE-SAFE中采用Brown-Miller算法对正交面齿轮传动进行了疲劳寿命分析,研究了表面粗糙度和载荷对面齿轮疲劳寿命的影响规律。结果表明,面齿轮在啮合齿顶处寿命最低;面齿轮寿命随表面粗糙度和载荷的增加而减小,疲劳寿命对载荷较敏感。     

汽车变速箱齿轮疲劳裂纹萌生区域预测

以国产某轿车变速箱齿轮为例,对表面强化后齿根附近沿深度的残余应力和硬度的分布预测疲劳强度分布和疲劳裂纹萌生区域进行了详细的研究.变速箱齿轮经过表面强化后,通过齿根附近沿深度的残余应力、硬度分布以及强度和硬度之间的转换关系,得到了齿根附近沿深度的弯曲疲劳极限分布,齿根次表面下0.25mm～0.45mm之间的区域是疲劳危险区,疲劳裂纹萌生从此区域开始,并得到了微观的初步验证,为进一步研究齿轮弯曲疲劳断裂机制和齿轮表面强化工艺提供了理论参考依据.     

基于残余应力的轮齿齿根强化对弯曲疲劳强度影响研究综述

随着工程技术的不断发展,弯曲疲劳强度成为齿轮进一步发展的重要限制因素,且弯曲疲劳失效相较于齿面失效更具危险性。结合齿轮弯曲疲劳折断机理及裂纹扩展过程,系统阐述了齿根裂纹萌生重要影响因素(包括齿根过渡圆角、磨削台阶及残余应力场等)对齿根弯曲疲劳性能的影响;基于残余应力和表面及亚表面组织可控的齿面强化机理,进一步分析了改善齿轮弯曲疲劳性能的表面强化工艺(包括喷丸强化、齿根磨削工艺等)及其研究进展;着重探讨了齿根磨削对齿轮弯曲疲劳性能的影响。为工程实际中优化齿轮设计及制造、改善齿轮弯曲疲劳性能提供理论依据和技术参考。     

基于载荷谱工况的轮边减速器刚柔耦合动力学与疲劳寿命评估

针对装载机驱动桥轮边减速器齿轮系统的疲劳问题，开展了其动力学仿真与疲劳寿命评估。首先，基于刚体动力学与刚柔耦合动力学，分析了太阳轮与行星轮接触力的变化情况，并与接触力理论计算值对比，验证了模型的可信性；而后，将太阳轮考虑为柔性体，提取了齿根疲劳危险点的应力时间历程，对应力时间历程进行了峰谷抽取与小波去除，结合Goodman公式修正了平均应力的影响，编制了一维应力谱；最后，依据线性疲劳损伤累积准则对太阳轮齿根的裂纹萌生寿命进行了计算评估，并与实验结果进行了对比。结果表明，基于刚柔耦合动力学模型的太阳轮的裂纹萌生寿命为42 709 h，与两次实验结果的相对误差分别为1.5%与3.7%，验证了评估方法的合理性，为齿轮系统的优化与抗疲劳设计提供了参考。     

基于能量密度法预测微动疲劳寿命

通过接触界面的应力应变场和临界平面法计算了能量密度损伤参数,结合疲劳试验得到了能量密度损伤参数-寿命关系曲线中的材料常数,建立了LZ50钢微动疲劳寿命的预测公式。根据裂纹萌生寿命预测效果,将Chen损伤值作为裂纹萌生控制参数。分析了摩擦因数、微动桥半径、循环载荷和微动桥压力对LZ50车轴钢的Chen损伤值的影响,以及CRH2型动车组空心车轴裂纹萌生的位置及寿命。     

Bending fatigue strength of case-carburized helical gears with large helix angles up to 40 degrees

Case-carburizing of helical gears with large helix angles may form too large hardened layers near the tooth width end on the acute angle side (ACUTE-END), and adversely affect the bending fatigue strength. We investigated the bending fatigue strength of casecarburized helical gears with large helix angles up to approximately 40° through a bending fatigue test, hardness test, and residual stress measurement. We found that the case-carburizing formed large hardened layers near ACUTE-END, reduced the compressive residual stress near ACUTE-END, and restricted the improvement of the bending fatigue strength in a meshing state where tooth root stress became large near ACUTE-END. Based on the obtained bending fatigue limits, we revealed that ISO 6336-3:2006 overestimated the rate of increase of the permissible circumferential loads for helix angles exceeding approximately 30°, and ISO/DIS 6336-3:2018 underestimated this rate for helix angles near 30°.

     

A model for the simulation of the interactions between dynamic tooth loads and contact fatigue in spur gears

The main objective of the paper is to study the possible interactions between contact fatigue and dynamic tooth loads on gears. A specific 3D dynamic gear model is combined to contact fatigue models accounting for crack initiation and propagation. The numerical findings compare well with the experimental evidence from a back-to-back test rig. Three characteristic points on a tooth profile are analysed and it is shown that contact fatigue on spur gears clearly depends on dynamic phenomena. Finally, the introduction of profile relief is discussed and its positive influence on the risk of failures at engagement is emphasised.     

带有微动磨损缺口钢丝的疲劳特性

在自制的微动磨损试验机上进行钢丝的微动磨损试验,将微动磨损后的钢丝试样在液压伺服疲劳试验机上进行不同应力比和不同应力幅下的疲劳试验。结果表明,钢丝的微动磨损深度随微动时间和接触载荷的增加而增加,磨损缺口处的应力集中使其成为了裂纹萌生源,也使钢丝试样的疲劳寿命大大降低,微动磨损后钢丝试样的疲劳寿命和磨损深度呈反比关系。通过钢丝疲劳断口的SEM形貌分析了其疲劳断裂机制,断口对应不同的疲劳阶段,可分为裂纹萌生区、裂纹扩展区和裂纹瞬断区。     

Service Loading of Rolling Bearings in Wind Turbine Gearboxes: X-ray Diffraction Material Response Analysis of White Etching Crack Premature Failures

Rolling bearings in wind turbine gearboxes occasionally fail prematurely due to white etching cracks. The appearance of preparatively opened fracture faces indicates damage initiation from the surface in most cases due to brittle spontaneous tensile stress–induced cracking. Under the influence of decomposition products of the penetrating lubricant, branching crack growth is subsequently driven by corrosion fatigue. The material response analysis of rolling bearings from all gearbox locations, based on X-ray diffraction residual stress measurements, reveals vibrations in service as the root cause of surface crack initiation. The occurrence of high local friction coefficients in the rolling contact is described by a tribological model. Depth profiles of the equivalent shear and normal stresses are respectively compared with the measured residual stress patterns and a relevant fracture strength. White etching crack failures are experimentally reproduced on a rolling contact fatigue test rig under increased mixed friction. Causative vibration loading is evident from material response analysis. The generation of compressive residual stresses by cold-working the surface is proven to be an effective countermeasure.     

斜齿轮渐进性磨损对齿轮振动特性的影响分析

目前,研究磨损对齿轮动力学特性的影响大多采用传统的Archard磨损模型,并未考虑齿轮的润滑特性,且主要研究对象多为直齿轮。为了弥补斜齿轮研究方面的不足,数值模拟了混合弹流润滑状态下斜齿轮的磨损过程,建立了一个8自由度斜齿轮动力学模型,研究齿面磨损对斜齿轮动态特性的影响。在斜齿轮试验台上进行了齿轮疲劳试验,对数值仿真结果进行验证。结果表明,齿面磨损主要发生在靠近齿根和齿顶部分,且由于齿根处较高的滑滚比导致其磨损更加严重。根据齿轮啮合频率及其谐波幅值的变化可知,磨损导致齿轮的振动增加。试验分析与数值仿真有较好的一致性,说明该研究可以为斜齿轮磨损的预测和故障诊断提供可靠的理论依据。     

焊接接头的疲劳寿命评估问题

根据前人的试验和研究成果，定义焊趾处的工程检测到的表面裂纹长度为0.5mm．此前对应的循环次数为工程萌生寿命。给出了基于修正的Neuber法。并考虑了焊接残余应力影响的工程裂纹萌生寿命和基于断裂力学的裂纹扩展寿命的计算方法。     

The Effect of Surface Roughness on Contact Fatigue Behavior Using Mesoscopic Approach

The effect of surface roughness on the contact fatigue was investigated in this study. To accomplish this goal, contact analysis based on the influence functions and the rectangular patch solutions was performed to obtain the subsurface stress. Mesoscopic multiaxial fatigue criterion is then applied to predict fatigue damage. Rainbow counting method and damage rule were used to evaluate the fatigue life under random loadings caused by the rough surface contact. As a result of the fatigue analysis, the relationship among the fatigue life, the crack initiation depth, and the surface roughness were revealed. It is observed that the fatigue life has hardly changed and a crack is initiated at subsurface for the surface with the surface roughness below a critical value. However, if the surface roughness exceeds the critical value, fatigue life is remarkably reduced and the site of crack initiation moves to the near surface.     

18CrNiMo7-6和20CrMnTi材料齿根弯曲疲劳寿命对比

对比了齿轮钢材料18CrNiMo7-6与20CrMnTi的齿根弯曲疲劳寿命。基于这两种材料的疲劳特性,采用SolidWorks中的GearTrax插件建立齿轮模型,并通过Workbench对齿轮的轮齿进行静力学分析;将静力学分析结果导入疲劳分析软件FE-SAFE中,结合载荷谱信息对两种材料齿轮进行疲劳寿命计算,得到齿轮的寿命云图并进行了仿真分析比较;通过试验验证了该仿真方法的可行性。结果表明,在相同的载荷条件下,18CrNiMo7-6齿轮的疲劳寿命大于20CrMnTi齿轮的疲劳寿命,与试验结果较为接近。该分析结果对工程实践具有一定的指导作用。