低速重载齿轮裂纹扩展规律及特性分析

发布时间：2020-08-23 10:49

【摘要】：低速重载齿轮传动系统广泛应用于钢铁行业的重型设备中,尤其是在转炉倾动机构的传动过程中发挥着不可替代的作用。在极端的工况下,重载齿轮容易出现疲劳微裂纹,进而造成裂纹扩展直至断裂,引起人员伤亡和经济损失。为了避免齿轮的早期失效,有必要开展裂纹扩展规律以及扩展特性的研究。为了研究低速重载齿轮裂纹的扩展机理,综合运用断裂力学和扩展有限元法,探究齿轮裂纹扩展规律及扩展特性,并对齿轮疲劳裂纹扩展的关键因素-应力强度因子进行数值仿真分析,对影响应力强度因子的因素进行研究。首先,利用SolidWorks对齿轮进行参数化建模,将齿轮装配体导入ANSYS中进行动态啮合接触分析,得到“最大应力区”,即齿根圆到基圆之间的区域,并将其定义为齿轮裂纹萌生区域;其次分析了不同裂纹长度下齿根处裂纹和基圆处裂纹对固有特性的影响,结果显示裂纹的出现降低了齿轮的固有频率,通过对比基圆裂纹和齿根裂纹对各阶固有频率的影响变化图发现,齿根处裂纹对各阶频率的影响程度要比基圆处裂纹对各阶频率的影响程度大;然后,利用ABAQUS求解了裂纹前缘应力强度因子,结果表明了I型应力强度因子是裂纹扩展的主导因素,并进一步探讨了裂纹大小、裂纹形状以及载荷的变化对I型应力强度因子的影响规律;最后,利用扩展有限元法研究了不同初始裂纹位置和不同初始裂纹角度下裂纹的扩展规律,结果表明,随着初始裂纹位置逐渐向齿顶偏移,裂纹的扩展轨迹逐渐向齿顶移动,当裂纹倾角为60°时,裂纹尖端位移为最大,裂纹最容易扩展。研究结果对于发展齿轮疲劳断裂理论,提高齿轮服役性能具有重要意义。图63幅;表4个;参58篇。
【学位授予单位】：华北理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TF341
【图文】：

转炉生产,现场图

第 1 章绪论由于炼钢工艺的特殊要求，转炉倾动机构启停机频繁、且要定期倾倒钢水，因此设备要承受巨大的冲击负荷，转炉生产现场如图 1 所示。本文以某钢厂转炉倾动机构次级减速器中的一对重载齿轮为研究对象，如图 2 所示，为了弄清低速重载齿轮发生疲劳裂纹后轮齿的各项工作指标在工作中的变化，从而针对齿轮结构进行优化设计、抗断裂设计，以提高传动的稳定性，延长齿轮的使用寿命[18-19]，保障机器的安全运行，有必要对轮齿断裂现象进行研究。因此研究裂纹齿轮的动力特性，以及裂纹扩展中的应力场和扩展路径等问题就具有非常重要的意义。

示意图,转炉倾动机构,示意图

曲线生成,渐开线,方程式,分度圆

- 13 -图 9 方程式驱动的曲线生成渐开线Fig.9 Evolent is generation by equation-driven curve利用方程式分别创建齿根圆、基圆、分度圆和齿顶圆，如图 10 所示。绘平构造线，并剪裁分度圆，留下一段圆弧与构造线和渐开线相交，然后用义该段分度圆圆弧；创建一段圆弧并分别与齿根圆和渐开线相切，用方程弧半径，绘制结果如图 11 所示。

【参考文献】