圓弧端齒結構微動疲勞試驗加載裝置的設計及實現(xiàn)

崔海濤 李愛民 溫衛(wèi)東

南京航空航天大學江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京，210016

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圓弧端齒結構微動疲勞試驗加載裝置的設計及實現(xiàn)

崔海濤 李愛民 溫衛(wèi)東

南京航空航天大學江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京，210016

針對圓弧端齒結構三維微動疲勞試驗難度大、成本高等問題，提出了一種二維等效加載方案，設計并實現(xiàn)了微動疲勞試驗加載裝置，建立了二維結構微動疲勞試驗模型。對典型圓弧端齒結構的二維等效試件進行了微動疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋萌生于接觸面的接觸邊緣，接觸面出現(xiàn)大量微動磨屑，為典型的微動疲勞失效形式。試驗結果表明，該微動疲勞試驗加載裝置可滿足端齒結構微動疲勞試驗要求，為微動損傷機理分析和微動疲勞壽命預測提供了試驗數(shù)據(jù)支持。

圓弧端齒；微動損傷；微動疲勞；試驗裝置；疲勞壽命

0 引 言

圓弧端齒結構最早由美國格里森公司設計，主要作為在高工作溫度、高轉速、高負載運行環(huán)境下的航空渦輪發(fā)動機傳動主軸的剛性聯(lián)軸器使用，具有傳動齒數(shù)少、結構緊湊、承載能力高等優(yōu)點，目前已經(jīng)廣泛應用到各種機械設備的傳動裝置中，如高速鐵路和地鐵等大功率機車驅動系統(tǒng)、重型燃氣輪機傳動系統(tǒng)等。

圓弧端齒結構在工作過程中，凸齒和凹齒的嚙合工作面之間存在微動損傷現(xiàn)象，過早出現(xiàn)微動疲勞裂紋，會大大降低圓弧端齒的使用壽命。微動損傷是存在于近似靜止配合的機械零件中的一種損傷方式[1]，其廣泛存在于工程中各種連接構件中，可造成疲勞裂紋的提前萌生，導致構件的壽命大幅下降。對于鈦合金試件，微動磨損作用可導致其疲勞強度下降80%[2]。因此，對圓弧端齒結構開展微動疲勞試驗研究具有重要意義。

微動疲勞試驗是開展微動疲勞損傷研究的基礎，現(xiàn)有的微動疲勞試驗主要分為兩種類型：一種是針對材料的微動疲勞試驗，其加載方式大多為橋式微動試驗[3]或微動墊形式的單卡頭式微動試驗[4]，其中橫向加載大多為加載環(huán)形式[5]，近年來諸多學者也采用液壓加載形式[6]；另一種是針對結構件的微動疲勞試驗，其加載基本需要設計相應的加載裝置，Hills等[7]針對燕尾榫連接件的微動疲勞試驗設計了雙軸加載裝置；Phipps[8]針對榫連接件設計了等效的單軸加載裝置；Leen等[9]和Wavish[10]針對花鍵套齒結構等效試驗件設計了相應的加載裝置，其試驗結果與等比例縮小的三維試驗結果基本吻合。

目前國內外針對圓弧端齒結構的微動疲勞試驗研究較少。針對圓弧端齒三維結構件進行微動疲勞試驗研究較為困難，其主要原因如下：①圓弧端齒結構需要由專門的磨齒機進行加工，三維結構件加工成本過高；②針對圓弧端齒結構開展微動疲勞試驗需要專用的多軸疲勞試驗機才能實現(xiàn)，現(xiàn)有的微動疲勞試驗加載裝置無法用于圓弧端齒結構的微動疲勞試驗。

為有效開展圓弧端齒的微動疲勞試驗研究，本文對普通單軸拉壓疲勞試驗機進行改進，研制了針對圓弧端齒結構微動疲勞試驗的加載裝置，并采用二維簡化結構模擬三維結構的受力情況。

1 圓弧端齒微動損傷分析與等效模擬方法

1.1 圓弧端齒結構特點

典型的圓弧端齒結構如圖1所示，凹齒和凸齒的相互嚙合可以保證冷熱狀態(tài)下的可靠定心，且重復定心的精度高。圖2所示為CT7壓氣機轉子結構[11]，其各級輪盤之間采用圓弧端齒結構進行連接，用中心拉桿拉緊。

圖1 圓弧端齒的凹齒和凸齒

圖2 CT7發(fā)動機壓氣機轉子組件

三維真實結構復雜，分析規(guī)模過大，在結構設計初期以及對結構的參數(shù)影響規(guī)律研究階段，往往需要對真實結構進行簡化處理，以便在短時間內快速揭示有參考價值的規(guī)律。

1.2 簡化原理

圓弧端齒在工作過程中主要承受中心拉桿的軸向預緊力、轉子級間的扭矩以及離心力，其典型結構及受力示意圖見圖3。為簡化近似計算，取圓弧端齒嚙合部位相互配合的一對齒，將其扭矩載荷轉化為一對剪切力載荷，同時忽略圓弧端齒結構從外徑到內徑的錐縮，近似認為在徑向的齒形大小一致，則將三維結構轉換為二維結構(圖3)。

圖3 圓弧端齒二維結構簡化示意圖

二維結構的試驗模型如圖4所示。取單個齒作為凸齒等效結構，取兩個齒構成的齒槽作為凹齒等效結構，凸齒與凹齒在等效預緊力p作用下相互嚙合，等效扭矩載荷F作用于凹齒下側，當載荷F為疲勞循環(huán)載荷時，可模擬圓弧端齒在實際工作過程中的低循環(huán)疲勞工況。為了消除加載時裝配體的彎曲和傾斜，在凸齒的底端和頂端施加位移約束Uy=0，同時凹齒的右側施加對稱邊界約束。

圖4 二維結構試驗模型邊界約束示意圖

在簡化過程中，離心力載荷無法直接進行轉換等效，本文采用變換載荷邊界條件的方法。在凹齒等效件上引入一個寬度為L、深度距裝配中心為H的狹槽，此狹槽的引入，可使凹齒在加載時上端產(chǎn)生局部微小變形，從而導致凹凸齒嚙合接觸面產(chǎn)生微小的相對滑動，以模擬圓弧端齒實際結構在工作狀態(tài)下凸齒和凹齒嚙合面的微動磨損情況。調整載荷p、載荷F以及狹槽尺寸L和H，即可實現(xiàn)模擬真實三維結構的受力及變形情況。

1.3 簡化前后微動參數(shù)的對比

影響微動疲勞的因素眾多，起主導作用的是接觸面的接觸應力和相對滑移幅值[12]。對二維等效結構與三維真實結構分別進行非線性有限元接觸分析，提取其接觸應力值和相對滑移幅值進行對比，結果如圖5和圖6所示，其中二維等效凹齒試件上與狹槽相關的尺寸為：L=37.5 mm，H=25 mm，施加等效預緊力載荷p=1 kN，豎直方向載荷F=12 kN。圖5和圖6中三維結果提取自結構內徑處的對應值?？梢钥闯?，兩者分布基本一致，接觸應力在接觸邊緣處存在峰值，這是因為接觸邊緣的幾何突變引起應力奇異，在接觸區(qū)域中間部分，兩者接觸應力基本一致，約150 MPa；三維結構略大于二維結構的相對滑移幅值，但均在20～25 μm之間，誤差較小。

圖5 2D與3D接觸應力對比

圖6 2D與3D接觸面相對滑移幅值對比

Ruiz等[13]提出了可以表征微動損傷嚴重程度的Ruiz綜合參數(shù)。二維等效結構和三維結構內徑處的Ruiz綜合參數(shù)對比結果如圖7所示?？梢钥闯?，Ruiz參數(shù)的分布規(guī)律基本一致，在接觸邊緣處存在極值，圖7中左側負值表明平行于該處表面方向為壓應力狀態(tài)，不會促進裂紋的擴展，不易發(fā)生微動損傷。而曲線右側正的峰值，二維與三維結果基本上處于同一位置，且數(shù)值上相差不大，此處峰值的出現(xiàn)，正是表面剪切應力、相對滑移幅值和平行于接觸面的切向拉應力共同作用的結果，微動損傷在此處最容易發(fā)生。

圖7 2D與3D微動損傷Ruiz參數(shù)對比

由影響微動的接觸應力、相對滑移幅值和接觸面微動綜合損傷Ruiz參數(shù)這幾個主要影響因素的對比分析可知，簡化的二維結構試驗模型與三維結構模型在危險部位(即內徑處)的幾個參數(shù)分布趨勢基本一致，故可以用簡化的二維結構模型代替三維結構進行微動疲勞試驗。

2 微動疲勞試驗加載方案的設計

以圖4的約束邊界條件為出發(fā)點，進行圓弧端齒二維模擬結構的微動疲勞試驗加載方案設計。為了消除加載時裝配體的彎曲和傾斜，將加載裝置設計為左右對稱結構，本文確定其加載方案如圖8所示。

圖8 圓弧端齒二維模擬結構微動疲勞加載方案

水平方向施加載荷p模擬端齒的軸向預緊力載荷，通過液壓加載裝置實現(xiàn)；豎直方向疲勞載荷F模擬端齒扭矩的等效載荷，通過拉壓疲勞試驗機實現(xiàn)，雙向載荷相互垂直，且不能相互影響。下加載夾具設置狹槽，提供微動磨損環(huán)境，以便考察凹凸齒配合面微動磨損疲勞情況。

根據(jù)上述加載方案，確定簡化的圓弧端齒結構模擬件尺寸如圖9所示，其中齒形參數(shù)與三維結構基本齒廓的參數(shù)完全一致[14]。

(a)凹齒試驗件

(b)凸齒試驗件圖9 圓弧端齒結構模擬件尺寸

3 微動疲勞試驗加載裝置的實現(xiàn)

圓弧端齒結構微動疲勞試驗裝置的結構示意圖見圖10，包括凸齒固定組件、凹齒夾持組件、橫向預緊力加載組件三大部分。上端固定夾具夾持于普通單軸疲勞試驗機的上夾頭內，可以隨著試驗機上橫梁在豎直方向升降，便于在試驗過程中對其裝拆和調整裝夾位置。橫向預緊力加載組件與上端固定夾具連為一體，且水平方向的載荷要構成封閉力系，除自身重力作用之外，不會對疲勞試驗機產(chǎn)生附加外力。

(a)試驗裝置裝配于單軸疲勞試驗機示意圖

(b)試驗裝置整體結構示意圖1.普通單軸疲勞試驗機 2.凸齒固定組件 3.橫向預緊力加載組件 4.凹齒夾持組件圖10 微動疲勞試驗加載裝置示意圖

加載裝置的實物如圖11、圖12所示，其中疲勞試驗機為SDS50電液伺服動靜試驗機；橫向液壓加載系統(tǒng)為自行設計的加載裝置[14]，包括電控柜部分、液壓控制閥部分和液壓缸部分；應變測試系統(tǒng)為DH5922動態(tài)應變儀，用于監(jiān)測微動疲勞裂紋的萌生。試驗加載裝置的夾具材料均采用調質處理的耐磨合金結構鋼40Cr材料加工而成。

圖11 圓弧端齒微動疲勞試驗設備

圖12 微動疲勞試驗加載裝置實物圖

本文研制的一套圓弧端齒模擬件微動疲勞試驗加載裝置，經(jīng)過測試和微動疲勞試驗，運行穩(wěn)定可靠，具有以下特點：①該加載裝置可在普通單軸拉壓疲勞試驗機的配合下進行雙向加載微動疲勞試驗，無需價格昂貴的專用雙軸疲勞試驗機，同時該裝置可實現(xiàn)二維模擬件代替三維結構疲勞試驗，大大降低了試驗成本；②采用不同的狹槽尺寸，可模擬不同工作環(huán)境下的圓弧端齒結構微動疲勞工況；③采用水平滑槽和壓板組合的形式，實現(xiàn)了加載過程無附加彎矩和扭矩的產(chǎn)生，保證了試驗加載的對稱性要求；④橫向液壓加載系統(tǒng)采用封閉力系框架結構，即水平方向無外力輸出，不影響豎直方向疲勞試驗機的加載。

4 圓弧端齒微動疲勞試驗驗證

利用上述試驗加載裝置，選取p=1 kN和p=2 kN兩種橫向預緊力載荷，疲勞載荷峰值取10 kN、12 kN和15 kN共計六種工況進行微動疲勞試驗，循環(huán)應力比取0.1，載荷-微動疲勞壽命曲線見圖13。由圖13可知：本文測試得到的微動疲勞壽命精確度較高，具有很好的一致性，為有效開展圓弧端齒結構的微動疲勞試驗提供了良好的硬件平臺。

圖14為微動疲勞裂紋實物圖，圖中給出了微動疲勞裂紋分別位于凸齒和凹齒兩種情況下的典型裂紋位置，由圖14可知，裂紋萌生于凸齒或凹齒具有一定的隨機性，微動裂紋均發(fā)生于接觸區(qū)域的邊緣，屬于典型的微動疲勞失效形式。

在微動疲勞試驗過程中，隨著疲勞循環(huán)數(shù)的增加，在凹凸齒的接觸配合面處，會有黑色片狀的微動磨屑不斷排出，如圖15所示。

圖13 載荷-微動疲勞壽命曲線

(a)凹齒齒根接觸邊緣產(chǎn)生裂紋

(b)凸齒齒根接觸邊緣產(chǎn)生裂紋圖14 微動疲勞裂紋及裂紋的擴展

圖15 試驗過程中的接觸面磨削物排出

圖16所示為凹齒和凸齒接觸面的微動損傷表面，由圖16可知，在接觸區(qū)域磨損狀態(tài)均勻且存在大量微動磨屑，磨損表面有材料剝離后留下的表面粗糙形貌及一些凹坑。在裂紋萌生位置處有明顯的磨屑堆積，且該位置與齒根過渡圓角有一定的距離。由此可見，本文所設計的試驗裝置可有效完成圓弧端齒的微動疲勞試驗。

圖16 試驗件微動損傷的表面

5 結論

(1)本文基于封閉力系框架結構設計思想，提出了一種圓弧端齒微動疲勞試驗加載裝置的方案，設計并實現(xiàn)了該微動疲勞試驗加載裝置，經(jīng)過測試和微動疲勞試驗，運行穩(wěn)定可靠，可有效開展圓弧端齒的微動疲勞試驗。

(2)針對圓弧端齒微動試驗的復雜性，提出了一種圓弧端齒二維結構試驗模型，它與三維結構模型在內徑處的微動損傷參數(shù)分布趨勢基本一致，可基本反映三維結構模型微動疲勞損傷特性。

(3)典型結構的微動疲勞試驗結果表明，試驗所得到的微動疲勞壽命曲線趨勢合理，微動疲勞試驗壽命精確度高，試驗件接觸區(qū)磨損均勻，試驗結果具有較好的一致性，為有效開展圓弧端齒結構的微動疲勞試驗提供了良好的硬件平臺。

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(編輯 陳 勇)

Design and Implementation of Fretting Fatigue Test System for Curvic Couplings

Cui Haitao Li Aimin Wen Weidong

Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power Systems,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016

A two-dimensional loading scheme for curvic couplings fretting fatigue test was designed and manufactured to reduce the costs and the technical difficulties which the three-dimensional loading scheme could bring about. A two-dimensional fretting fatigue test model was provided and tests which employing typical two-dimensional curvic couplings fretting specimen were conducted. In all of the tests, fatigue cracks initiated on the edge of the contact surface and massive abrasive dust appeared on the contact area, which indicated the typical failure mode of the fretting fatigue occured to the contact area. The results show that this kind of loading scheme can meet the requirements of the curvic couplings fretting fatigue tests and may provide test data for the predictions of fretting fatigue life and further research on damage mechanism of fretting fatigues.

curvic coupling； fretting damage； fretting fatigue； test device； fatigue life

2015-09-29

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(1002-56XQA15002);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(CXZZ12_0170)

V233

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.22.007

崔海濤，男，1971年生。南京航空航天大學能源與動力學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為材料與結構的微動疲勞行為、復合材料結構疲勞損傷破壞分析、高溫合金材料與結構的熱機械疲勞壽命預測方法。李愛民，男，1986年生。南京航空航天大學能源與動力學院博士研究生。溫衛(wèi)東，男，1958年生。南京航空航天大學能源與動力學院教授、博士研究生導師。