采煤机行走轮啮合时的弯曲强度研究

针对行走轮轮齿折断的常见问题,提出基于有限元的方法对行走轮啮合时轮齿的弯曲强度进行研究。研究结果表明,齿根处的应力小于材料屈服强度,满足静强度要求,但齿根处应力已较为接近屈服应力,长时间工作后会在齿根表面的磨损处产生塑性累积和微裂纹,微裂纹进而扩展导致轮齿疲劳断裂。从根本上解释了轮齿折断频发的现象,并给出了提高行走轮轮齿疲劳寿命的建议,为行走轮等类似产品的设计研发提供了理论指导,具有重要的现实意义。     

齿根裂纹对齿轮轮体及齿间耦合刚度的影响研究

齿根疲劳裂纹是齿轮传动系统服役过程中最常见的失效形式之一,威胁着齿轮传动系统甚至装备的运行安全,开展齿轮传动系统齿部故障诊断具有重要意义,而其核心是齿根裂纹故障的动态作用机制及振动特征。然而,传统啮合刚度计算模型尚未考虑齿根裂纹对齿间耦合作用的影响。针对该问题,分析了齿轮轮体结构变形引起的齿间耦合作用机制,建立了轮体刚度计算的有限元模型,研究了作用力、轮毂孔半径及齿根裂纹深度等参数对轮体刚度,特别是齿间耦合刚度的影响规律。结果表明,齿根裂纹对轮体变形引起的轮体刚度与齿间耦合刚度具有显著的影响,在齿根裂纹时变啮合刚度激励计算中应予以考虑,从而提高齿根裂纹刚度激励计算模型的准确性。     

短裂纹密度场细观统计分析

通过LY12铝合金棒材位移控制下的疲劳试验获得了含裂纹的计算机层析成像(CT)检测样本。采用微焦点CT对疲劳试样进行了扫描与重建,获得了密度场图像库,并提取了试样内部的三维裂纹形态。结果表明裂纹以体的形式存在。对裂纹区域内外平均灰度、沿裂纹扩展轨迹密度变化、沿裂纹体两侧走向密度分布等进行了密度场的细观统计分析。细观统计结果表明,裂纹区域和邻近区域的密度要低于正常区域的密度,材料内部的疲劳损伤呈现不均匀性。     

离心轮内部疲劳裂纹扩展及其无损定量表征

为研究某离心轮内部疲劳裂纹扩展及其无损定量表征，开展了高速低循环旋转疲劳试验以及多种无损检测定量表征、断口分析、疲劳裂纹扩展仿真对比研究。研究结果表明：疲劳裂纹到达表面后，疲劳裂纹处于非稳定扩展阶段；20 000~21 700循环间，区间疲劳裂纹扩展速率仿真值与无损表征值接近；21 700~21 789循环间，区间疲劳裂纹扩展速率无损表征值比仿真值大2.5倍左右。疲劳裂纹在离心轮内部、夹杂缺陷区外扩展时，疲劳裂纹处于稳定扩展阶段；全聚焦法(TFM)超声检测和衍射时差(TOFD)超声检测能识别离心轮夹杂缺陷/疲劳裂纹内部扩展；0循环和6000循环时疲劳裂纹在夹杂缺陷区内，无损检测表征值均未发生变化；9000循环及之后，裂纹高度H和径向长度LR的TFM超声无损表征值出现明显的增大，变化与断口值相似但增幅偏小。     

柔轮破损原因及提高寿命的措施

造成柔轮破损的原因是综合性的。本文通过用电子显微镜对柔轮破损断口的观察、用电测法对柔轮应力与变形的测定、用光弹性法对柔轮齿根应力集中系数的测定、用光投影法对同时啮合齿数的测定,对以往公式进行了评论,分析了造成柔轮破坏的各种因素及提高寿命的措施。提出了柔轮的疲劳是带裂纹体的疲劳问题及断裂力学在谐波齿轮传动中应用的现实性与可能性。改进后设计的谐波减速器经工业性运行,柔轮的疲劳次数已达1.5×10~8次还在继续使用。     

基于冷滚压工艺的谐波减速器柔轮疲劳寿命分析

依据冷滚压工艺产生的初始残余压应力对裂纹萌生,裂纹扩展的抑制机理,以冷滚压谐波减速器柔轮为研究对象,采用SWT方法和断裂力学理论对冷滚压柔轮分别进行裂纹萌生寿命、裂纹扩展寿命理论分析,并运用疲劳分析软件nCode Design-Life仿真分析进行相互验证。结果表明,冷滚压柔轮疲劳寿命在各阶段均优于机加工柔轮,能够有效延长谐波减速器使用寿命,验证了柔轮冷滚压工艺的优越性,并对延长柔轮的使用寿命提供了参考价值。     

基于宏—细观模型的疲劳裂纹萌生数值模拟

为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响,提高结构疲劳寿命预估精度,根据Tanaka-Mura单一微裂纹及裂尖微裂纹萌生寿命预测模型,模拟疲劳载荷下某马氏体钢孔边疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法,生成代表多晶结构的二维特征单元。考虑晶粒内相互垂直的多滑移特性以及已起裂裂纹对相邻晶粒裂纹萌生的影响,建立微裂纹起裂与扩展的改进模型。中心孔平板试件疲劳寿命的数值模拟结果与试验值吻合良好,说明给出的改进宏细观疲劳寿命预测模型的有效性。     

汽车张紧轮紧固螺栓断裂分析

对断裂的汽车张紧轮紧固螺栓的显微组织、化学成分、硬度以及断口的宏、微观特征进行了综合分析,找出其断裂的原因。结果表明:螺栓在搓丝加工过程中挤压量过大,使螺纹尖端产生较多微裂纹,同时螺纹根部也存在一些加工缺陷,并在之后的热处理过程中进一步扩展;在使用过程中,微裂纹和加工缺陷处产生应力集中,使螺栓材料的疲劳强度降低,裂纹源的过早形成最终导致了螺栓发生疲劳断裂而失效。     

杆端关节轴承杆端体的疲劳断裂机制

在拉压载荷作用下杆端关节轴承的杆端体发生断裂,通过断口形貌和显微组织观察,微区成分和硬度测试,分析了其疲劳断裂机制。结果表明:杆端体分别在其环与杆的过渡区域(位置A)以及与杆成45°方向的环上(位置B)发生疲劳断裂;杆端体环的内表面与关节轴承外圈的外表面之间存在严重的微动磨损,导致裂纹萌生;在拉压载荷作用下,位置B处的微裂纹首先扩展并导致断裂,位置B处的断裂使位置A处的受力方向发生改变,杆端体发生倾斜导致位置A处开裂和杆端体的最终断裂。     

磨损对钢轨滚动接触疲劳损伤的影响

通过对广深铁路钢轨疲劳斜裂纹与钢轨侧磨的现场调查及钢轨滚动疲劳模拟试验,研究了钢轨滚动接触疲劳损伤与磨损之间的作用关系,分析了轮、轨滚动疲劳过程中钢轨磨损率对疲劳裂纹形成及裂纹扩展寿命的影响。结果表明:钢轨磨损严重时,疲劳斜裂纹损伤就表现轻微,钢轨滚动疲劳损伤与磨损之间表现为相互竞争与制约的耦合作用关系;通过增加磨损率能减轻钢轨的滚动疲劳损伤,有利于延长钢轨的疲劳裂纹扩展寿命。     

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。     

用超声波探伤法检查厂修轮对

铁路车辆运行速度的不断提高使轮对安全使用问题显得越来越重要,车轴冷切事故的预防就是其中的一项重要工作.车轴超声波探伤是发现疲劳裂纹、防止出现冷切事故的主要检修措施.常规的探伤方法在轮座部位,由于其它缺陷反射波对裂纹反射波的干扰,裂纹的分析判断难度较大,容易造成漏判或误判,造成事故隐患或不必要的浪费.结合铁路车辆探伤工艺特点,通过分析不同类型反射波的特征,提出车轴裂纹合理的判断方法,解决了RD3轮对检修时轮座镶入部疲劳裂纹的超声波探伤问题,提高了轮对探伤质量.     

基于物理模型和修正灰色模型的行星轮系疲劳裂纹故障预测方法

结合物理模型与灰色理论,提出行星轮系齿根疲劳裂纹故障预测的新思路.针对直升机主传动系统中的2k-H行星轮系,建立太阳轮齿根疲劳裂纹损伤的物理基模型,通过仿真获得不同损伤严重度的振动仿真信号.选择并计算仿真信号的故障特征矢量,并以此作为损伤特征的标准模式,对待检信号特征矢量与标准模式进行灰色关联度分析,根据关联度对裂纹进行定量检测.结合物理模型仿真信号对灰色预测模型进行修正,使之具有更好的疲劳裂纹故障预测能力.对试验中的疲劳裂纹进行定量检测和故障预测.试验数据验证了本方法对行星轮系太阳轮疲劳裂纹的定量检测和故障预测能力.     

轮齿根部疲劳裂纹的诊断和断齿预报

齿轮轮齿根部疲劳裂纹的振动监测和断齿预报是有价值但过去国内外一直没有很好解决的课题。本文基于轮齿根部裂纹对振动影响的分析,提出了应在倒频域(Cepstrum Domain)对裂纹振动信号进行监测。作者还在 FZG 机上进行了模拟试验,并在实际工况运行条件下对一个两级硬齿面减速器作了完整的振动监测,抓住了因裂纹产生而引起的信号变化。在此基础上,对轮齿的疲劳折断作了多次成功的预报。     

变载荷激励下含裂纹风电行星轮系疲劳强度分析

随机风载引起的外部激励会极大地影响风电传动系统的疲劳寿命。利用考虑尾流效应的四分量模型模拟风电场随机风速,结合有限元法分析得到风电行星轮系的疲劳寿命。在此基础上,基于子模型法研究了太阳轮单齿和双齿根裂纹深度、长度和延伸角对风电行星轮系疲劳强度的影响。最终发现裂纹尺寸参数对风电行星轮系疲劳寿命的影响程度为：裂纹深度>裂纹长度>裂纹延伸角。双齿根裂纹对疲劳寿命的影响远大于单齿根裂纹的影响,且双齿根裂纹状态下先啮入齿的疲劳寿命远小于单齿根裂纹状态,后啮入齿疲劳寿命略大于单齿根裂纹状态。相关研究为优化风机服役性能提供了理论依据。     

齿轮齿根裂纹出现的各种情况与轮齿弯曲失效标志

本文综述轮齿齿根裂纹出现的各种情况和对疲劳裂纹发生发展的各种看法,介绍了齿根应力波形的测试方法和齿根裂纹出现的标志。     

冷辗芯辊表层碳化物对疲劳裂纹源萌生的影响

对不同寿命的W6Mo5Cr4V2钢冷辗芯辊疲劳裂纹源区域的表层和次表层碳化物形态进行了比较和分析。研究了疲劳裂纹源的形成机理。结果表明,表层和次表层碳化物的形貌、分布和大小等因素直接影响着疲劳裂纹的萌生。在表层碳化物缺陷处萌生疲劳裂纹一般有两种方式:表层碳化物直接开裂和在碳化物脱落后的凹坑处形成微裂纹;在次表层碳化物处萌生疲劳裂纹则主要是由于其周围孔洞中的应力集中造成的。     

金属橡胶隔振构件中不锈钢丝疲劳断裂的原因

采用激光扫描共焦显微镜观察了成分与302不锈钢基本相同的冷拉拔φ0.3 mm不锈钢丝的表面形貌特征,并用扫描电镜对其显微组织进行了观察,对用此钢丝制备的金属橡胶隔振构件进行了疲劳试验并对钢丝疲劳断裂的原因进行了分析.结果表明:该不锈钢丝表面存在较多微米量级的凹凸体,其表面粗糙度Ra为3.447μm;钢丝内部存在以硬质颗粒为核心,长轴方向与拉拔方向一致的梭形微孔洞;钢丝的疲劳裂纹均起源于表面,并且呈现多源特征,断口上的裂纹扩展区和瞬断区面积所占比例各半,裂纹扩展区有典型的舌形叠加波浪状疲劳辉纹,其形成与钢丝内部的梭形微孔洞有重要关系.     

一种基于连续损伤力学的低周疲劳寿命预测模型

基于连续介质基本守恒定律和连续损伤力学,可将材料疲劳损伤造成的有效承载面积减小表示为平均应变的函数,在此基础上,按微裂纹阶段和疲劳裂纹阶段对材料低周疲劳的损伤演化进行了分析,并建立了一种低周疲劳寿命预测模型。对316L钢光滑试样进行420℃环境下应力控制的低周疲劳试验,采用上述方法进行损伤描述和寿命预测。结果表明微裂纹阶段是材料低周疲劳寿命消耗的主要阶段,采用各寿命段采样数据获得的寿命预测结果与试验结果较 符合。     

超声疲劳裂纹扩展与摩擦生热研究

在高频循环载荷作用下,材料疲劳裂纹的萌生与扩展过程伴随着明显的温度变化,该温度变化反映材料内部结构的损伤特征。通过20 kHz的超声疲劳试验,研究一种碳锰钢在超高周疲劳加载条件下的内部疲劳裂纹萌生与扩展过程中温度的演化过程。通过对该材料在疲劳损伤过程中,内部裂纹间的摩擦生热机理分析,从微观角度出发,结合分形理论,建立内部裂纹微观结构的摩擦模型,数值模拟超声疲劳过程中材料内部疲劳裂纹面间的摩擦生热情况,并定量地计算该过程中由裂纹间摩擦所导致的温度上升,将模拟结果与试验结果进行比较。探究高频疲劳载荷下微裂纹扩展与摩擦生热的关系,并结合超高周疲劳裂纹扩展公式,建立超声疲劳过程中的裂纹扩展与裂纹面温度演化关系的模型。