基于齿轮传动的磨损损伤与疲劳损伤耦合作用研究

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磨损损伤与疲劳损伤作为常见的损伤形式广泛存在于工程实际中。以往对于两者的研究通常分别考虑,将单一损伤形式作为零件校核设计的依据。在工程实际中,磨损损伤与疲劳损伤往往会同时存在于一个接触表面,而且两者的关系并不是损伤的简单叠加,而是存在相互影响,以一种耦合损伤的形式存在。齿轮作为工程中被广泛应用的机械元件,对其损伤过程的研究一直是众多学者的研究方向,同时在齿轮的啮合过程中,齿面上同时存在着磨损损伤与疲劳损伤,本文以渐开线直齿轮为研究载体对磨损损伤与疲劳损伤的耦合进行探究,主要的研究工作如下:(1)齿面磨损损伤的研究。以被广泛应用的Archard模型作为理论基础,将其进行变形得到齿面磨损深度的表达形式,通过MATLAB程序对齿轮的啮合过程进行数值模拟,得到各啮合位置的接触状态参数,将其代入变形后的Archard模型中,得到各啮合位置在一次啮合中的磨损深度。齿面不同位置的磨损损伤差别较大,其中节线附近的位置磨损损伤较轻微,远离节线的位置磨损损伤较严重。转矩的增加可以显著地加剧齿面的磨损损伤,转速的提高不会对磨损损伤产生影响。(2)齿面疲劳损伤的研究。在主动轮与从动轮的齿面上各选取4个分析位置,从断裂力学的角度对其疲劳损伤进行探究。将齿轮的啮合过程离散化,利用ABAQUS软件对裂纹尖端的应力强度因子进行求解,从而得到疲劳裂纹各个扩展阶段的扩展速率与扩展方向,当次表面的疲劳裂纹扩展到齿面上,则认为该分析位置产生了疲劳损伤破坏。在同一疲劳裂纹中,指向齿根的裂纹尖端扩展速率快于指向齿顶的裂纹尖端。节线附近的分析位置最早发生疲劳损伤破坏。(3)磨损损伤与疲劳损伤的耦合研究。将磨损损伤考虑到疲劳裂纹的各个扩展阶段,得到各分析位置在每个扩展阶段中的磨损深度,通过ABAQUS在每个扩展阶段后对疲劳裂纹的位置进行更新,当次表面的疲劳裂纹扩展到齿面上,则认为该啮合位置在耦合损伤下产生了疲劳损伤破坏。在磨损损伤严重的分析位置,磨损速率快于疲劳裂纹的扩展速率,磨损损伤会抑制该位置疲劳损伤破坏的产生。在磨损损伤轻微的分析位置,疲劳裂纹的扩展速率快于磨损速率,磨损损伤会促进该位置疲劳损伤破坏的产生。(4)构建考虑磨损损伤的齿面接触疲劳强度分析方法。由于磨损损伤的不断作用,会导致齿面材料的不断去除,从而齿面上各点的曲率半径也会相应减小。在传统的齿轮接触疲劳强度方法中考虑磨损损伤的影响,将所要校核啮合位置的曲率半径减去设计寿命中所产生的磨损深度,然后与变形后的Archard公式进行联立,得到考虑磨损损伤的齿轮接触疲劳强度分析方法。在相同条件下,考虑磨损损伤后的齿面接触应力大于传统方法所得,从而考虑磨损损伤的齿轮疲劳破坏设计寿命小于传统方法所得。
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