[发明专利]一种表面硬化齿轮磨损及疲劳失效竞争机制分析方法

说明书

本发明公开了一种表面硬化齿轮磨损及疲劳失效竞争机制分析方法，它包括以下步骤：1、建立齿轮副弹流润滑或混合润滑的接触分析模型；2、进行次表面材料点的应力历程分析，求解复杂多轴应变历程；3、估算轮齿材料抗拉强度、疲劳强度和材料参数；4、估算齿轮表面粗糙度在滚动接触历程中的磨损深度，预估表面形貌级粗糙度RMS的演变过程；5、估算齿轮接触疲劳寿命；6、估算齿轮在不同阶段磨损过程中产生的疲劳损伤累积；7、得到最终疲劳损伤累积分布。本发明的技术效果是：能有效预估齿轮接触过程中的磨损程度与表面形貌演化、接触疲劳寿命和损伤累积量分布，分析接触疲劳失效形式变化及出现位置，为齿轮设计、制造和使用提供依据。

技术领域

本发明属于机械零部件磨损与损伤累积预估方法，具体涉及一种以渗碳淬火为代表的表面硬化齿轮副磨损过程与疲劳失效竞争机制的分析方法。

背景技术

现代工业趋势是高速、重载与大功率，因此工业生产对齿轮、轴、轴承等重要零部件的功率密度、运行可靠性以及服役寿命有更严格的要求。接触疲劳失效问题显著影响着重载齿轮如风电齿轮、船用齿轮、航空齿轮等的使用寿命与运行可靠性。在润滑状态、表面形貌、残余应力分布和硬度等材料参数的梯度特性的共同作用下，齿轮接触疲劳失效的预估与损伤的演变的分析过程变得困难且复杂。而齿轮服役过程中的齿面磨损现象，不仅会改变润滑状态与齿面形貌，进而改变压力与次表面应力分布，还会使齿轮接触疲劳失效形式与位置更加难以预测。因此，齿面磨损过程的分析与接触疲劳失效的预测和预防，一直是机械传动领域亟待解决的技术难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种表面硬化齿轮磨损及疲劳失效竞争机制分析方法，它能预估齿轮齿面磨损程度、接触疲劳寿命和损伤累积分布，以预估结果为依据，分析齿轮服役过程中失效形式与失效位置，表面形貌演变过程和损伤演变过程，进而研究齿轮接触疲劳失效的竞争现象，避免因齿轮失效而导致的突发事故、或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、根据齿轮副几何运动学，根据弹流润滑或混合润滑的特点，在考虑齿面粗糙度的影响下，计算轮齿啮合位置的接触参数，接触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，最大赫兹接触压力，建立齿轮副弹流润滑或混合润滑的接触分析模型；

步骤2、基于齿轮副接触分析模型，在接触位置选定的次表面区域之内，通过离散-快速傅里叶变换(DC-FFT)法，进行次表面材料点的应力历程分析，考虑齿轮残余应力梯度影响，采用虎克定律，求解复杂多轴应变历程；

步骤3、根据齿轮材料的硬度曲线估算齿轮材料抗拉强度、疲劳强度和材料参数；

步骤4、根据Archard’s磨损模型，估算齿轮表面粗糙度在滚动接触历程中的磨损深度，预估齿轮表面微观形貌及表面粗糙度均方根值RMS的演变过程；

步骤5、基于循环滚动接触时次表面区域的应力应变历程及得到的材料参数，根据Morrow-Brown-Miller多轴疲劳准则，估算接触疲劳理论寿命；

步骤6、基于Palmgren-Miner准则，估算齿轮在单个阶段磨损过程中产生的疲劳损伤累积；

步骤7、根据该次接触磨损后的齿轮表面粗糙度再次分析下一阶段的磨损过程，重复步骤2至步骤7，根据Palmgren-Miner准则的判断式判断所有阶段的损伤累积之和是否超过阈值，根据各阶段及最终的损伤累积分布情况分析齿轮接触疲劳失效竞争机制。

本发明的技术效果是：

解决了机械传动领域中关于齿面磨损与接触疲劳失效的预测和预防的技术难题，能有效预估齿轮接触过程中的磨损程度与表面形貌演化，以及接触疲劳寿命和损伤累积分布，分析接触疲劳失效的形式变化及发生位置，为齿轮的设计、加工和使用提供依据。

附图说明