齒輪箱箱體疲勞壽命研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

李　勇, 胡文生, 付曉莉, 楊樹峰, 孫千濤, 靳瑜哲

(中原工學(xué)院, 鄭州 450007)

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齒輪箱箱體疲勞壽命研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

李勇, 胡文生, 付曉莉, 楊樹峰, 孫千濤, 靳瑜哲

(中原工學(xué)院, 鄭州 450007)

摘要：對齒輪箱箱體疲勞壽命的研究進(jìn)行綜述，概括總結(jié)了齒輪箱箱體疲勞壽命研究的關(guān)鍵技術(shù)。從計算、試驗、仿真等方面，介紹了齒輪箱箱體載荷譜的獲取、疲勞試驗和壽命分析方法的研究現(xiàn)狀。對比各種載荷加載的優(yōu)缺點,分析實測試驗和虛擬試驗,歸納了齒輪箱箱體疲勞壽命研究的熱點和方向。

關(guān)鍵詞：齒輪箱箱體； 載荷譜； 疲勞試驗； 疲勞壽命

齒輪箱是汽車、工程機(jī)械及通用機(jī)械產(chǎn)品中傳遞運動的功能部件，用于改變機(jī)械的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。齒輪箱是軸、軸承、齒輪、箱體等零部件的綜合體[1]。其箱體具有支撐齒輪、軸承和軸正常運轉(zhuǎn)的功能，在工作中承受高頻和高沖擊載荷，受剛度激勵、嚙合沖擊激勵和誤差激勵引起的內(nèi)部動態(tài)激勵，還可能受不可預(yù)測的外部加速度沖擊激勵，增大了疲勞失效的概率。箱體軸承座的失效直接影響齒輪箱工作狀態(tài)及齒輪的嚙合情況，會導(dǎo)致軸承和齒輪失效[2]。從工程實際運行狀況來看，齒輪箱的失效占整個系統(tǒng)失效的50%以上[3]。箱體的微小變形都可能影響傳動系統(tǒng)的性能。傳動系統(tǒng)性能的可靠性決定了整機(jī)系統(tǒng)的可靠性。因此，對齒輪箱箱體疲勞失效的研究非常重要，其研究重點在于對齒輪箱箱體疲勞壽命的分析。

齒輪箱常在變轉(zhuǎn)速、變載荷、變工況下工作。這種隨機(jī)變幅載荷[4]會造成齒輪箱的動態(tài)變化[5]。目前對齒輪箱箱體疲勞壽命的研究大都集中在三方面:載荷譜獲取、疲勞試驗和壽命分析方法。

1載荷譜獲取的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對齒輪箱箱體載荷的研究主要集中于風(fēng)力發(fā)電齒輪箱[6]、船用齒輪箱[7]、汽車變速箱[8]、減速器[9]、旋耕機(jī)傳動齒輪箱[10]等。本文對載荷類型及載荷譜編制方法進(jìn)行歸納總結(jié)。計算和試驗中常見的載荷類型有穩(wěn)態(tài)載荷譜、隨機(jī)載荷譜和程序載荷譜。

1.1穩(wěn)態(tài)載荷譜

穩(wěn)態(tài)載荷是理想情況下的載荷。通常將齒輪箱的最大轉(zhuǎn)矩和相匹配原動機(jī)的轉(zhuǎn)速作為齒輪箱的穩(wěn)態(tài)工況載荷。胡高華等按箱體最大載荷作用的原理對齒輪箱箱體進(jìn)行了載荷計算[11]。吳炳奇等根據(jù)軸承作用于箱體的垂直反力和水平反力，對減速器箱體進(jìn)行載荷計算，編制了載荷譜[9]。在實際工作中，齒輪箱載荷隨時間的變化并不是線性函數(shù)，如汽車在路況、車速不穩(wěn)定時變速器承受的動態(tài)載荷[12]，此時的穩(wěn)態(tài)載荷方法不適用。

1.2隨機(jī)載荷譜

隨機(jī)載荷譜獲取的方法通常是利用傳感器記錄齒輪箱壓力和位移的變化曲線，結(jié)合實際工作載荷對齒輪箱進(jìn)行壽命分析。楊平等在汽車試驗場用加速度傳感器采集換擋箱體振動響應(yīng)信號，對載荷進(jìn)行預(yù)處理和重復(fù)性檢驗，并且編制了換擋箱體振動載荷譜[13]。馬呈祥等以機(jī)車在大秦線上一個往返行程的線路實測數(shù)據(jù)為輸入載荷，利用Romax軟件進(jìn)行載荷譜循環(huán)工況下的系統(tǒng)分析，得到了驅(qū)動裝置不同工況的載荷譜[14]。由隨機(jī)載荷測得的結(jié)果接近實際載荷，但儀器設(shè)備昂貴，測得的數(shù)據(jù)比較少，不能代表齒輪箱箱體的全部載荷—加速度歷程。

1.3程序載荷譜

雨流計數(shù)法是典型且有效的雙參數(shù)計數(shù)法，能夠方便地應(yīng)用于計算機(jī)程序。肖生發(fā)等編制了二維程序載荷譜，對汽車后橋進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測[15]。趙文峻選擇整車強(qiáng)化壞路試驗來采集輪心處加速度信號，獲取相應(yīng)的載荷時間歷程，最后得到了程序載荷譜[16]。胥良利用遠(yuǎn)程在線測試系統(tǒng)對實際運行的風(fēng)機(jī)進(jìn)行在線監(jiān)測，測得實際載荷—時間歷程，經(jīng)過雨流計數(shù)法轉(zhuǎn)換，得到了兆瓦級風(fēng)電齒輪箱的程序載荷譜[17]。陳千圣等對齒輪箱箱體測試得出了傳動系統(tǒng)扭矩譜，并將雨流計數(shù)法所得隨機(jī)載荷譜累積頻次曲線按疲勞損傷等效原則變?yōu)榱顺绦蜉d荷譜[18]。程序載荷譜的編制有助于提高齒輪箱箱體壽命預(yù)測結(jié)果的可靠度，但它只是某種工況下的載荷，目前的程序載荷譜并不能完全滿足齒輪箱箱體壽命預(yù)測的要求。

2疲勞試驗的研究現(xiàn)狀

齒輪箱箱體試驗貫穿于齒輪箱的開發(fā)、研究和生產(chǎn)等階段，是研究齒輪箱的必要手段[19]。齒輪箱箱體試驗包括實測試驗[20]和虛擬試驗[21]。

2.1實測試驗

實測試驗?zāi)軌蛘鎸嵎从除X輪箱的實際工況，特別適用于周期性循環(huán)工況，但是測量箱體壽命的費用高、耗時長，且采集的載荷信息較多，不適用于研發(fā)階段。李惠彬等對二級齒輪減速器箱體所受的動態(tài)激勵力進(jìn)行了測試和分析，采用在軸承外圈上安裝套圈并粘貼應(yīng)變片的方法，準(zhǔn)確地測試減速器實際工作的動載荷，為后期的減速器箱體疲勞載荷試驗提供了新的思路[22]。有學(xué)者對汽車變速器箱體疲勞研究時，采取試驗場內(nèi)強(qiáng)化路作用于輪心處加速度信號，進(jìn)行變速器箱體的耐久性疲勞試驗。曹宏利用傳動效率試驗平臺得出了濾波減速器的壽命數(shù)據(jù)[23]。

2.2虛擬試驗

虛擬試驗即建立虛擬樣機(jī)模型，通過仿真獲取載荷譜，預(yù)估箱體的疲勞強(qiáng)度和壽命。它具有縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和節(jié)約成本的優(yōu)勢，在一定程度上可以代替實測試驗，是進(jìn)行疲勞壽命分析的趨勢。王炎等建立了齒輪箱箱體虛擬樣機(jī)模型，通過仿真獲得名義應(yīng)力譜，并利用MSC/Fatigue分析得到了箱體壽命數(shù)據(jù)[24]。王天仁建立了整車耐久性虛擬試驗?zāi)Ｐ?，對汽車?qū)動橋的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測[25]。陳婷等采集了在實車強(qiáng)化壞路試驗下整車輪心垂直方向的振動加速度信號，并將信號加載到四柱虛擬試驗臺進(jìn)行仿真，將得到的應(yīng)力分布和載荷時間歷程輸入所建立箱體的有限元模型，最終獲得了箱體的疲勞壽命[8]。

3壽命預(yù)測方法的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)用的疲勞壽命預(yù)測方法主要有名義應(yīng)力法[26]、局部應(yīng)力應(yīng)變法[27]、場強(qiáng)法[28]、損傷容限計算法[29]和概率疲勞計算法[30]等。綜合考慮箱體應(yīng)力與強(qiáng)度分散性的影響，提高可靠性設(shè)計，應(yīng)采用名義應(yīng)力法和概率疲勞計算法。

3.1名義應(yīng)力法

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)在疲勞應(yīng)力模擬和疲勞載荷模擬中的應(yīng)用已經(jīng)成為疲勞研究的一個熱點。胡興龍等利用有限元法計算靜載荷下箱體的應(yīng)力應(yīng)變，應(yīng)用Miner線性累積疲勞損傷理論和雨流循環(huán)計數(shù)法獲取載荷譜，通過nCode軟件計算了大功率風(fēng)電增速器箱體的疲勞壽命[31]?；舾Ｏ榈染C合使用載荷譜測試技術(shù)和有限元方法，計算變速器殼體在不同檔位的應(yīng)力分布，并應(yīng)用多軸疲勞理論預(yù)測變速器殼體的損傷分布，從而預(yù)測了箱體壽命[32]。

3.2概率疲勞計算法

在實際工程中，計算疲勞壽命的常規(guī)參數(shù)是符合一定分布特征的隨機(jī)量，引入概率統(tǒng)計理論，是為了得到接近于實際的疲勞壽命評價。目前，關(guān)于齒輪箱箱體概率疲勞壽命的研究較少，且主要集中于通過軸、軸承強(qiáng)度和可靠性研究，為箱體疲勞壽命預(yù)測的研究提供參考。孫奎洲等考慮到減速器齒輪軸幾何形狀產(chǎn)生的概率分布狀態(tài)，繪制了軸的疲勞極限圖[33]。杜靜等通過雨流循環(huán)計數(shù)法計算疲勞載荷譜，修正了S-N曲線，并運用Miner線性累積損傷理論計算了風(fēng)電增速器主軸的疲勞壽命[34]。Rao S S等為提高汽車變速系統(tǒng)的可靠性，考慮到軸和齒輪產(chǎn)生的彎曲疲勞和表面磨損，研究了參數(shù)變化對整體變速系統(tǒng)可靠性的影響[35]。

4齒輪箱箱體疲勞壽命研究的發(fā)展趨勢

(1)宏觀力學(xué)與微觀力學(xué)相結(jié)合，進(jìn)一步提高疲勞壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性。箱體疲勞是個復(fù)雜的過程，受多種因素的影響。只有深刻認(rèn)識疲勞破壞機(jī)理，將宏觀和微觀研究結(jié)合起來，才能更精確地預(yù)測齒輪箱箱體的疲勞壽命。

(2)深入研究不同工況下齒輪箱箱體所受載荷的構(gòu)成和性質(zhì)，構(gòu)建用于箱體疲勞壽命研究的載荷譜。加強(qiáng)對齒輪箱箱體載荷的研究，針對齒輪箱的用途、性能、工況等，統(tǒng)計載荷歷程，可整合出一套符合齒輪箱箱體壽命分析的載荷譜。

(3)加強(qiáng)對齒輪箱箱體疲勞壽命虛擬試驗平臺的研究和開發(fā)。在虛擬試驗技術(shù)研究方面，通過仿真軟件構(gòu)建原動機(jī)、齒輪箱、工作機(jī)等參數(shù)化模型，可以實現(xiàn)齒輪箱箱體的虛擬試驗。

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(責(zé)任編輯：王長通)

收稿日期：2016-04-25

基金項目：河南省高等學(xué)校重點科研項目(16A410006)；鄭州市科技計劃項目(20150481)

作者簡介：李勇(1962-)，男，河南固始人，教授，博士，主要研究方向為現(xiàn)代設(shè)計理論與方法。

文章編號：1671-6906(2016)03-0026-04

中圖分類號：TH114

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.03.006

Research Status and Development Trend of Fatigue Life for Gear Box

LI Yong, HU Wen-sheng, FU Xiao-li, YANG Shu-feng, SUN Qian-tao, JIN Yu-zhe

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Abstract :From the aspects of calculation, experiment and simulation, the paper summarizes gear box load spectrum acquisition, fatigue test and lifetime analysis method research present situation. The advantages and disadvantages of various loads are compared and analyzed. The test and virtual test are analyzed. The fatigue life of the gear box body is studied.

Key words：gear box； load spectrum； fatigue test； fatigue life