某型机附件传动齿轮工作过程中产生裂纹引起齿轮失效原因为高周振动疲劳破坏。振动频率为齿轮啮合频率以该频率为激振频率进行了齿轮的振动疲劳试验。采用曲线高循环区公式Stromeyer方程结合试验数据计算获得齿轮1×107循环基数下的振动疲劳极限。得到了两组不同表面粗糙度齿轮的疲劳寿命分析结果表明提高结构表面光洁度可提高疲劳寿命。
航空发动机大量零部件在工作过程中常受到各种交 变应力作用虽然交变应力的最大值小于材料的强度极限但由于在材料的局部造成某些永久变形从而使其产生裂纹并最终断裂。当交变应力的频率等于或接近结构的某一阶固有频率时将产生共振使结构损伤失效甚至破坏。这种由共振所导致的疲劳破坏称为振动疲劳。一般情况下疲劳裂纹总是首先在应力最高、强度最弱的基体上形成。零件机械加工的切削纹结构上的内圆角及亚表面的夹杂物等应力集中处是疲劳裂纹的首先发生处。疲劳破坏是发动机零部件失效的主要原因之一直接影响发动机工作的稳定性及可靠性因此开展发动机结构疲劳研究有着重要的现实意义。实际工程中的结构振动疲劳问题工作环境复杂影响因素多对振动疲劳的理论研究还处于起步阶段对振动疲劳破坏的机理、模式认识不够清楚因此对振动疲劳的研究主要以试验为主要手段以观察到的试验现象和测得的试验数据作为下一步理论分析的依据。随着振动技术的不断进步以及电动式、电液式振动台的应用日益广 泛为振动疲劳试验提供了良好的试验基础能够进行各种环境下的振动疲劳模拟试验。本文结合某型机附件传动齿轮高周疲劳裂纹故障的现象采用试验方法以齿轮的啮合频率为激振频率在振动台上进行齿轮的振动疲试验采用Stromeyer方程以测得的试验数据为依据计算得到了齿轮在1×107循环基数下的振动疲劳极限。试验选取了两组不同表面粗糙度的齿轮各7件(一组齿轮表面粗糙度为1.6另一组为0.8)得到了两组不同粗糙度齿轮的疲劳寿命, 对比分析了表面粗糙度对结构疲劳寿命的影响。
疲劳寿命是指结构在指定应力水平下产生疲劳裂纹前所经历的应力循环数。 一般情况下零部件的疲劳寿命由其疲劳试验确定在线弹性条件下通常由材料或零件的应力疲劳曲线(S-N曲线)确定。疲劳曲线是根据应力幅S与相应的失效循环数NL之间的实测数据所作成的曲线。但是一般情况下通过疲劳试验得出S-N曲线周期长且耗资大从工程应用角度可以建立S-N曲线形状的经验公式以便利用少量的S-N数据确定材料或构件的疲劳寿命。本文采用Stromeyer公式结合试验测得的齿轮S-N数据分析齿轮的振动疲劳寿命。Stromeyer公式如式(1):
式中S为交变应力/载荷S∞为疲劳极限N为对应于交变应力/载荷的破坏循环数,单位为兆周(即106次为 1)A、α为疲劳曲线的形状参数由表1中给出。
表1工程设计时采用的A、α值
该公式主要表达S-N曲线在高循环区的变化规律, 其适用范围为N>105次。并且根据大量试验结果提出了一种便于工程应用的假设认为在相同材料、相同环境下在高循环疲劳区构件的S-N曲线与所用材料的S-N曲线形状相同不同破坏概率的等概率S-N曲线形状相同疲劳极限S∞呈正态分布或对数正态分布。根据公式(1)在已知A、α值以后利用疲劳试验得出的S 与N的成对数据,即可确定构件的疲劳极限S∞然后结合载荷谱(应力谱)即可估算出结构的疲劳寿命。
齿轮的材料为14CrMnSiNi2MoA锻件材料的拉伸弹性模量E和应力疲劳极限σ-1的值分别为200GPa和696MPa。试验是在室温空气介质D-600-5电磁振动台上进行试验时齿轮轴向中央固支其安装状态如图1所示。
图1试验件安装方式示意图
在齿轮幅板上沿径向粘贴5片应变片测量齿轮振动应力大小及应力分布情况,贴片位置如图2所示。
图2应变片贴片位置
试验系统组成如图3所示。
图3试验系统组成框图
测试结果表明4号应变片振动应力最大2号片应力最小。在试验中同时监测齿轮振动幅值传感器安装位置见图1。试验开始阶段需要对齿轮进行最大应力点振动应力与振幅的关系标定拟合测得的应力位移标定数据得到最大应力与振幅的线性关系在试验过程中如应变片产生疲劳破坏则可根据标定结果在振动疲劳试验中通过监测齿轮振幅来监测振动应力。
由于无法准确预估构件的S∞试验时采用分级加载逐次逼近的方法使构件在107次循环内破坏。为获取较大的振动应力各个齿轮在试验过程中均安配重所以造成激振频率上存在差异激振力频率在1700~2000Hz初 始载荷选取为齿轮所用材料疲劳极限的60%即430MPa试验时齿轮每完成一个107次循环则增加30MPa载荷进入下一轮循环直到产生疲劳裂纹。试验过程中最大振动应力或者振幅下降2%时则认为齿轮产生了初始裂纹。
选取了两组不同表面粗糙度的14件齿轮(每组7件)进行了振动疲劳试验得到每件齿轮的振动疲劳循环数N及断裂时的振动应力S见表2及表3。由齿轮振动疲劳试验结果可以发现在高频振动激励载荷作用下齿轮疲劳破坏时危险点处的最大应力低于材料的屈服强度也就是说裂纹源没有明显的塑性变形因此从本质上讲仍属于应力疲劳破坏范畴因此可以使用Stromeyer公式计算齿轮的疲劳极限。利用表1中给出的A、α值及试验测得的S与N的成对数据代入Stromeyer公式则可计算出每件齿轮的疲劳寿命。齿轮疲劳寿命见表2及表3。
表2表面粗糙度为1.6的齿轮振动疲劳结果
表3表面粗糙度为0.8的齿轮振动疲劳结果
别对表面粗糙度为1.6及0.8的两组试验件疲劳极限值进行标准差、平均值和变异系数的计算计算结果如表4所示。
表4不同表面粗糙度的齿轮疲劳试验统计学结果
表4不同表面粗糙度的齿轮疲劳试验统计学结果根据航标HB/Z112《材料疲劳试验统计分析方法》中的规定当子样数为7、变异系数为0.15及0.18时各试样疲劳极限值的平均值作为中值疲劳极限的置信度低于90%。根据表4中的计算结果可知齿轮疲劳试验的结果具有较大的分散性可能的影响因素主要包括:齿轮材质不均匀、尺寸及形状不一致以及加工精度特别是表面质量不一致等。
结构的疲劳裂纹通常萌生于试件表面,这是因为外表面的应力水平一般最高,缺陷也往往最多另外表面层材料的约束小滑移带最易开动。因此零部件的表面状态对其疲劳强度有着显著的影响。将不同表面粗糙度齿轮的疲劳寿命进行比较如图4所示。
图4表面粗糙度为1.6及0.8试样疲劳极限对比
表面粗糙度为1.6的一组齿轮其最小疲劳极限为350.7 MPa,最大疲劳极限为518MPa。表面粗糙度为0.8的一组齿轮最小疲劳极限为409.5MPa,最大疲劳极限为623.8MPa。对单个齿轮疲劳寿命进行分析比较可以看出减小齿轮表面粗糙度可提高其疲劳寿命。另外表4中表面粗糙度为0.8的一组试件其疲劳极限的平均值大于表面粗糙度为1.6的试件即使各试样疲劳极限值的平均值作为中值疲劳极限的置信度偏低但是也能在一定程度上反映出表面粗糙度对试验疲劳寿命影响的趋势。从微观角度来讲表面粗糙相当于表面有侵入和挤出因此缩短了疲劳裂纹形成寿命,降低了疲劳强度从宏观角度解释表面粗糙造成微观应力集中从而使疲劳强度下降。因此在加工条件允许的情况下可以通过提高结构的表面光洁度来提高其疲劳寿命。
提供了一种附件传动齿轮振动疲劳试验方法。试验 得到了两种不同表面粗糙度的14件试样齿轮的成对S-N数据。采用S-N曲线高循环区形状公式结合振动疲劳试验得到的成对S-N数据计算得出了齿轮在1×107循环基数下的振动疲劳极限该方法简便可靠实用性强可作为结构振动疲劳寿命估算的一种方法。得出了两组不同表面粗糙度齿轮的疲劳极限结果对比表明齿轮的表面粗糙度越低其疲劳极限越高。因此在加工允许的范围内,可适当提高结构的表面光洁度以提高其疲劳寿命。
来源：内燃机与配件