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      循環(huán)交變載荷斜齒輪磨損特征與機(jī)制分析

      2022-09-19 05:53:42李浩郭前建張立國(guó)叢建臣王昊天呂學(xué)祜袁偉
      機(jī)床與液壓 2022年5期
      關(guān)鍵詞:齒根恒定分度

      李浩,郭前建,張立國(guó),叢建臣,王昊天,呂學(xué)祜,袁偉

      (山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東淄博 255049)

      0 前言

      由于齒輪系統(tǒng)具有傳動(dòng)能力強(qiáng)、效率高、可靠性好、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性良好等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著重要的角色,在工程機(jī)械、發(fā)電裝備、汽車和機(jī)器人等方面廣泛應(yīng)用。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的工作環(huán)境十分不穩(wěn)定,在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)經(jīng)常受到強(qiáng)大的載荷沖擊和復(fù)雜的應(yīng)力,長(zhǎng)期在此狀態(tài)下運(yùn)行可能會(huì)出現(xiàn)過載折斷、疲勞斷裂、齒面磨損和塑性變形等形式的失效。因此,建立齒輪磨損測(cè)試平臺(tái),研究交變載荷和恒定載荷下的齒輪磨損特征,通過觀察磨粒特征,分析磨粒鐵譜譜片、磨損量和齒面磨痕形貌等信息來(lái)判斷不同載荷下的齒輪磨損特征具有重要意義。

      齒輪故障檢測(cè)技術(shù)目前主要分為油液分析技術(shù)和鐵譜分析技術(shù)。王克等人闡述了液壓系統(tǒng)中顆粒污染物的產(chǎn)生機(jī)制和顆粒污染物造成液壓系統(tǒng)故障的具體原因,建立了液壓油液中固體顆粒物形狀和尺寸分布等與液壓系統(tǒng)故障的關(guān)系。陳經(jīng)鋒根據(jù)高速泵增速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出一種油液監(jiān)測(cè)和振動(dòng)分析相結(jié)合的早期故障診斷方法,可以準(zhǔn)確地判斷設(shè)備的早期故障。隨著鐵譜分析技術(shù)的迅速發(fā)展,馮偉等人通過大量的鐵譜磨粒圖像進(jìn)行了基于不同顆粒特征的分類識(shí)別探究,建立了一套油液檢測(cè)診斷體系。周長(zhǎng)江等由時(shí)變接觸線長(zhǎng)百分比和彎-扭-軸結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型來(lái)確定載荷,并通過等效接觸模型和Hertz接觸理論獲得齒輪表面壓力和具體滑動(dòng)距離,進(jìn)而求出恒定和動(dòng)載荷下的齒面磨損量。ATANASIU等采用解析法分析了斜齒輪的齒面磨損對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)傳遞誤差的影響。王曉筍等通過Weber-Banaschek公式計(jì)算獲取嚙合齒輪對(duì)的時(shí)變嚙合剛度,并通過時(shí)變嚙合剛度建立內(nèi)部誤差激勵(lì)的齒輪傳動(dòng)方程,得到了沿嚙合線載荷的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。OSMAN和VELEX建立了原始模型,將寬齒直齒輪和斜齒輪的磨粒磨損加入到了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬仿真中。因?yàn)橛鸵悍治黾夹g(shù)和鐵譜分析技術(shù)均發(fā)展得比較成熟,故本文作者主要使用鐵譜分析技術(shù)探究齒輪的磨損過程。

      1 齒輪實(shí)驗(yàn)

      1.1 實(shí)驗(yàn)條件

      實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示,定載荷采用載荷閉流式加載方式,動(dòng)載荷采用彈簧振子系統(tǒng)與恒定載荷串聯(lián)加載。為加速齒輪實(shí)驗(yàn),采用32號(hào)無(wú)添加劑的白礦物油潤(rùn)滑、電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1 200 r/min、恒定載荷設(shè)為200 N·m、油液采樣時(shí)間為10~30 min,齒輪參數(shù)如表1所示。

      圖1 齒輪磨損測(cè)試平臺(tái)

      表1 齒輪參數(shù)

      1.2 實(shí)驗(yàn)載荷

      1.2.1 恒定加載模塊

      恒定加載模塊由半聯(lián)軸器裝置和彈性扭力軸組成,如圖2(a)所示。2個(gè)半聯(lián)軸器凸緣上分別設(shè)置18和16個(gè)銷孔,通過對(duì)2個(gè)半聯(lián)軸器分別施加反向扭力,使得2個(gè)半聯(lián)軸器與初始位置相比,發(fā)生2.5°的轉(zhuǎn)角,指定銷孔對(duì)齊后,采用螺栓定位連接,從而使彈性扭力軸處于蓄力狀態(tài),如圖2(b)所示,與彈性扭力軸連接的齒輪會(huì)受到2次相反的作用力,從而傳遞到嚙合位置,實(shí)現(xiàn)加載。通過調(diào)整凸緣聯(lián)軸器相對(duì)轉(zhuǎn)角大小或更換不同剛度的彈性扭力軸,可以獲得不同加載。

      圖2 恒定加載模塊

      通過線性擬合,得到了靜載荷加載系統(tǒng)加載聯(lián)軸器與加載扭矩的關(guān)系,法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)角度與加載力的計(jì)算公式(1)所示:

      (1)

      1.2.2 交變動(dòng)載加載模塊

      交變動(dòng)載加載模塊由3個(gè)彈簧振子并聯(lián)耦合裝置產(chǎn)生所需的交變載荷。交變動(dòng)載模塊如圖3所示,啟動(dòng)激勵(lì)發(fā)生盤時(shí),結(jié)合彈簧的剛度系數(shù)得出彈簧振子的初始載荷值,釋放所有振子后,彈簧振子在滑道上做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),同時(shí)摩擦加載裝置在固定滑道上滑動(dòng),彈簧振子發(fā)生簡(jiǎn)諧振動(dòng),交變的彈簧力為摩擦加載裝置提供正壓力,從而將高頻動(dòng)載荷轉(zhuǎn)化成高頻動(dòng)載荷摩擦力矩,最終施加到齒輪嚙合表面。

      圖3 交變加載模塊原理

      振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的加載力的大小如公式(2)所示:

      =(++)

      (2)

      其中:為摩擦片的摩擦因數(shù);、、為彈簧的剛度系數(shù)。

      1.2.3 載荷變化曲線

      圖4所示為單個(gè)振子一次激勵(lì)后的載荷變化曲線,由曲線變化趨勢(shì)可知,單個(gè)振子在激勵(lì)施加瞬時(shí)的振動(dòng)幅值最大,隨后受阻尼影響振動(dòng)幅值逐漸減小。

      圖4 載荷變化曲線

      2 磨粒分析

      通過分析式鐵譜儀對(duì)磨粒進(jìn)行檢測(cè),鐵譜分析技術(shù)能夠?qū)⒛チ挠鸵悍蛛x出來(lái),并按照一定磁感應(yīng)線規(guī)律在玻璃譜片上呈鏈狀沉積,然后通過顯微鏡對(duì)磨粒進(jìn)行定性和定量分析。

      2.1 恒定載荷下磨粒鐵譜分析

      圖5(a)、5(b)分別為恒定載荷下齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)5、20 h后的齒輪磨粒譜片100倍放大圖。由圖5(a)可以看出:5 h后的齒輪磨粒譜片中以正常磨粒為主,大部分磨粒顆粒處于10 μm以下,大直徑磨粒較少,最大磨粒直徑為25 μm,在譜圖中能夠比較清晰地看到異常磨粒和正常磨粒的含量,譜片視野良好,表明此時(shí)齒輪處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),符合恒定載荷下齒輪初期跑合特征。由圖5(b)可以看出:20 h后的齒輪磨粒譜片中磨粒濃度較低,大磨粒數(shù)量較跑合初期較少,磨粒鏈細(xì)長(zhǎng),說(shuō)明齒輪處于正常磨損狀態(tài),磨損情況良好。

      圖5 恒定載荷下齒輪磨損階段鐵譜

      2.2 交變載荷下磨粒鐵譜分析

      圖6(a)、6(b)分別為交變載荷下齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)5、20 h后的齒輪磨粒譜片100倍放大圖。由圖6(a)可以看出:交變載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)5 h的齒輪磨粒數(shù)量和形態(tài)較多,直徑較恒定載荷更大,最大磨粒直徑為20~50 μm之間。由圖6(b)可以看出:交變載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)20 h的齒輪譜片中以小磨粒為主,磨粒種類單一,表明此時(shí)為正常磨損狀態(tài),但受到動(dòng)載荷的影響,齒輪齒面受到的應(yīng)力比恒定載荷更大,會(huì)加速齒輪的磨損。

      圖6 動(dòng)載荷下齒輪磨損階段鐵譜

      交變載荷下輪齒運(yùn)轉(zhuǎn)40 h后發(fā)生崩壞現(xiàn)象,圖7(a)為40 h后交變載荷下鐵譜圖像100倍放大圖,可以看出譜片中大磨粒數(shù)量和種類極多,說(shuō)明齒輪已經(jīng)發(fā)生劇烈磨損,符合齒輪后期磨損特征。

      取出交變載荷下潤(rùn)滑油中的磨粒形態(tài)進(jìn)行分析,如圖7(b)、7(c)所示。由圖7(b)可以看到:磨粒鏈中的磨粒顆粒表面存在明顯劃痕,說(shuō)明在齒輪磨損過程中齒面劇烈摩擦,發(fā)生了嚴(yán)重的膠合和相對(duì)滑動(dòng),屬于黏著磨損。圖7(c)中的磨粒表面較為光滑,呈現(xiàn)亮金屬色,磨粒輪廓不規(guī)則,屬于疲勞磨損。由磨粒形態(tài)可以得出,在交變載荷下齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)到后期的主要磨損形式為黏著磨損和疲勞磨損,并且磨損程度十分嚴(yán)重。

      圖7 動(dòng)載荷下齒輪失效前鐵譜

      2.3 磨粒量定量分析

      通過顆粒計(jì)數(shù)器對(duì)不同載荷下的磨粒進(jìn)行定量分析,觀察齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的磨損程度。

      圖8所示為不同載荷下的磨粒曲線,可以看出:交變載荷的磨粒曲線走勢(shì)和恒定載荷下較為吻合,但交變載荷下的磨粒峰值和總磨粒量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于恒定載荷,穩(wěn)定磨損階段恒定載荷磨粒數(shù)量在6 000~8 000之間,比交變載荷低2 000,表明穩(wěn)定磨損階段交變載荷會(huì)加快齒輪磨損速度;30 h后,交變載荷下的齒輪進(jìn)入劇烈磨損階段,40 h后齒輪斷齒失效;恒定載荷下的齒輪在50 h后發(fā)生斷齒失效,表明交變載荷會(huì)加速齒輪的疲勞磨損,加快磨損進(jìn)程。

      圖8 磨粒曲線

      3 齒面磨損分析

      3.1 齒面分析

      圖9(a)、9(b)分別為交變載荷下的齒面分度圓處和齒頂處顯微鏡下100倍放大圖,可以看出:分度圓處的齒面裂紋較小,裂紋深度較淺;齒頂處的磨損程度較大,有少量擦傷;分度圓處和齒頂處的主要磨損形式均為疲勞點(diǎn)蝕和黏著磨損。圖9(c)為交變載荷下齒根處100倍放大圖,相比于齒面分度圓和齒頂,齒根處的磨損最嚴(yán)重,齒根處受到的接觸應(yīng)力過高,使?jié)櫥湍て屏眩饘購(gòu)凝X面上撕落出現(xiàn)了膠合現(xiàn)象,齒面表現(xiàn)出明顯的黏著磨痕和齒面局部損傷,100倍放大后可看到齒根處的溝痕密集,金屬亮澤明顯。

      圖9 齒面磨損在顯微鏡下的100倍放大圖

      3.2 齒面SEM形貌對(duì)比分析

      3.2.1 分度圓處齒面形貌對(duì)比分析

      圖10(a)、10(b)分別為恒定載荷和交變載荷下分度圓處齒面SEM形貌圖,可知:恒定載荷和交變載荷下分度圓處齒輪主要磨損形式均為疲勞點(diǎn)蝕,恒定載荷下分度圓處齒面出現(xiàn)較小的點(diǎn)蝕坑,主要集中在局部應(yīng)力過高的位置,屬于早期點(diǎn)蝕;交變載荷下分度圓齒面出現(xiàn)的點(diǎn)蝕坑大而且深,屬于破壞性點(diǎn)蝕,這種點(diǎn)蝕隨著磨損會(huì)不斷擴(kuò)展,使齒面嚴(yán)重?fù)p傷,最終使齒輪失效斷齒。

      圖10 分度圓齒面SEM形貌

      3.2.2 齒頂處齒面形貌對(duì)比分析

      圖11(a)、11(b)分別為恒定載荷和交變載荷下齒頂處齒面SEM形貌圖,可以看出:恒定載荷下齒頂處的齒面存在剝落現(xiàn)象,并且存在較為淺平的剝落坑,主要由齒面疲勞磨損導(dǎo)致,部分齒面表層發(fā)生壓潰,這是由于表層的齒面材料受到了較大的局部壓應(yīng)力;交變載荷下齒頂處齒面壓碎嚴(yán)重,溝痕密集,齒面帶有大量破碎的磨粒,這是由于交變載荷下齒面受到的瞬時(shí)振動(dòng)、沖擊壓力極高,使齒頂處齒面過度磨損,進(jìn)而導(dǎo)致齒面被破壞,剝落的磨粒又將齒面劃出溝痕,使得齒頂處形貌破壞嚴(yán)重,并且加劇齒輪的磨損速度。

      圖11 齒頂處齒面SEM形貌

      3.2.3 齒根處齒面形貌對(duì)比分析

      圖12(a)、12(b)分別為恒定載荷和交變載荷下齒根處齒面SEM形貌圖,對(duì)比分度圓和齒頂形貌圖,發(fā)現(xiàn)2種載荷下齒根處的磨損最嚴(yán)重。恒定載荷下,齒根處齒面存在壓潰現(xiàn)象,附著破損的磨粒,說(shuō)明在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,上邊界受到較大的振動(dòng)和沖擊力,容易發(fā)生磨損失效,恒定載荷下齒根處磨損主要類型是黏著磨損。交變載荷下齒根處磨損最嚴(yán)重,整個(gè)齒面嚴(yán)重?fù)p傷,發(fā)生塑性形變,無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這是由于在交變載荷強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)下,輪齒材料的屈服極限大大降低,進(jìn)而發(fā)生齒體塑變,齒面上被壓潰的磨粒會(huì)在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生磨粒磨損,加劇齒輪的摩擦磨損,潤(rùn)滑油中的磨粒又會(huì)使?jié)櫥湍て屏眩过X面上的材料撕落,導(dǎo)致出現(xiàn)黏著現(xiàn)象。

      圖12 齒根處齒面形貌

      4 結(jié)論

      通過構(gòu)建實(shí)驗(yàn)臺(tái),并對(duì)齒輪分別加載交變載荷和恒定載荷,進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn),研究不同載荷下的齒輪摩擦磨損演變機(jī)制,總結(jié)如下:

      (1)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)初期和后期異常磨粒的數(shù)量和種類較多,交變載荷下的齒輪磨損程度較恒定載荷更為劇烈,油液中的異常磨粒濃度更高,穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間小于恒定載荷下齒輪穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間;分析油液中磨??芍?,交變載荷下齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)到后期的主要磨損形式為黏著磨損和疲勞磨損,并且磨損程度十分嚴(yán)重。

      (2)觀察齒輪齒面磨損形貌,齒面不同位置磨損程度和磨損機(jī)制不同,分度圓處磨損最小,齒頂較為嚴(yán)重,齒根處磨損最嚴(yán)重。在磨損機(jī)制上,分度圓處主要為接觸疲勞磨損,齒頂和齒根處多為黏著磨損。

      (3)在相同位置,交變載荷下齒面受到的沖擊和振動(dòng)比恒定載荷更嚴(yán)重,隨著磨損加劇,材料脫落形成凹坑,凹坑邊界材料失去各向同性,發(fā)生塑性流動(dòng),加速齒面磨損進(jìn)程。

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