大型行星齿轮减速器齿轮断裂失效分析

发布时间：2020-10-02 07:14

　　某公司破碎设备上使用的KPBV150减速器二级行星轮运行两年发生断裂,引起太阳轮、行星架、箱体等其它零部件的变形、断裂,最终导致减速器失效。失效的齿轮是从内孔处开始断裂,因此首先对发生断裂的齿轮内孔表面进行了探伤,然后采用宏观观察、微观观察、化学成分分析等方法对断裂的减速器二级行星轮的断口进行断口分析,确定齿轮断裂的失效模式为高周疲劳断裂。裂纹源在齿轮的内孔次表面,并在该区域观察到材料存在凹坑缺陷,这种凹坑缺陷直接破坏了材料的连续性,降低了材料的力学性能,在外载的作用下,在凹坑缺陷附近产生应力集中,诱发裂纹萌生,并在随后的疲劳载荷作用下,疲劳裂纹扩展,最终导致该齿轮断裂失效。因此判定导致齿轮疲劳断裂失效的根本原因是齿轮材料存在凹坑缺陷。通过进行齿轮材料的力学性能试验,获得材料抵抗外载尤其是疲劳载荷的力学性能参数,作为预测齿轮结构疲劳寿命的材料参数依据。其中,通过对齿轮材料进行拉伸试验,获得齿轮材料的静强度、延伸率、断面收缩率等材料静强度性能参数。通过对齿轮材料进行疲劳试验,采用升降法获得材料的疲劳极限。通过对齿轮材料进行断裂性能试验,获得材料的断裂韧性、疲劳裂纹扩展门槛值等断裂性能参数,并通过对疲劳裂纹扩展试验数据的回归分析,拟合疲劳裂纹扩展公式。综合考虑实际运行情况下,齿轮传递的力矩以及齿轮内孔的过盈配合残余应力,通过基于ANSYS的有限元分析,计算齿轮内孔的实际应力。最后采用“损伤容限设计”的断裂力学理论,对齿轮结构的疲劳寿命进行预测。计算结果表明,疲劳裂纹扩展寿命要低于齿轮结构的实际运行寿命,说明基于材料凹坑缺陷的疲劳裂纹萌生寿命也是齿轮结构疲劳寿命的重要组成部分,要更精确的计算具有材料缺陷的齿轮结构疲劳寿命,还需对基于该种材料缺陷的疲劳裂纹萌生机理及模型进行进一步研究。
【学位单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2008
【中图分类】：TH132.46
【部分图文】：

模型图,疲劳条带,裂尖,塑性

们提出了各种不同的理论模型来解释疲劳裂纹第11阶段扩展及疲劳条带的形成机理，其中被人们普遍接受的是Laird提出的裂尖塑性钝化模型。该模型认为，每个循环载荷中疲劳裂纹向前扩展一段距离是由裂纹尖端塑性钝化引起的。如图2.3所示，在完全卸载一13-

模型图,疲劳裂纹扩展,裂尖,滑移

Fig.2.3ThePlasticbluntingeracktiPmodeloftheformationoffatiguestriations但是裂尖塑性钝化形成疲劳条带的模型，不能解释有些材料在真空中进行疲劳试验时疲劳条带消失的现象。Neumalm提出了疲劳裂纹扩展的裂尖滑移模型，如图2.4所示，图2.4(a)为随着拉伸应力的增加，交变滑移面上的滑移引起裂纹张开和裂尖钝化。图2.4(b)为随着压缩应力的增加，在交变滑移面上由于部分滑移面倒置，致使裂纹闭合及裂尖的再次锐化。但是裂纹不能完全闭合，这是因为在裂纹张开时生成的新滑移面马上被氧化，致使滑移成为不可逆的。该模型更为成功地解释了第11阶段的疲劳裂纹扩展。扮移面的方位orien纽a玄 100ofsl币Pl。。e，/丫，曰t‘-、尽，、!日沙O‘、油汗心甘二二二议/}·‘\、、_了\、_产

宏观形貌,宏观形貌,断口,主裂纹

是断口分析中关键的一环。通过肉眼我们可以观察到断口的裂纹从齿轮的内孔表面附近起源，以主裂纹源为中心，断口有明显的疲劳弧线，如图3.2。疲劳弧线是金属疲劳断口最基本的宏观形貌特征，它是在疲劳裂纹稳定扩展阶段形成的与裂纹扩展方向垂直的弧线，是疲劳裂纹瞬时前沿线的宏观塑性变形痕迹，因此可以初步确定该种失效模式为疲劳断裂。在主裂纹的右侧还存在一个副裂纹，主裂纹由完整的裂纹源区、扩展区和瞬断区三部分组成。而副裂纹只有明显的裂纹源区，并且包含在主裂纹的疲劳弧线之内、颜色也较主裂纹源区淡，因此推断副裂纹产生的时间比较靠后，对断裂起主要作用的是主裂纹。一般情况下，在一个断面上出现两个或以上的裂纹源是由于交变载荷较高或断口上存在多个应力集中部位或材料存在多个不连续的缺陷区域。图3.2断口的宏观形貌 Fig.3.2Themacro一 aPPearaneeoffractoresuri触ce主裂纹由典型的疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区三部分组成。其中宏观的疲劳裂纹源区应该包括裂纹源区与第I阶段扩展区，即断口上深灰色的椭圆区。疲劳裂纹源区裂纹扩展缓慢，断面平坦、光滑、细密。由于裂纹源区暴露于介质中的时间最长，氧化、腐蚀较重

【参考文献】