（机械工程专业论文）装载机驱动桥主传动失效分析和可靠性增长的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 主传动是装载机驱动桥上的主要传动部件，其主要功能是降低传动系的转速、增 大传动系的转矩并改变转矩的方向，把纵置发动机的转矩传递到横置的两根驱动桥的 半轴上，从而驱动轮毂运转。轮式装载机由于作业条件严峻，路面崎岖不平，作业时 循环载荷变化很大，主传动组件很容易发生早期失效，产生传动齿的变形和折断、齿 面表面疲劳、齿面磨损等，严重影响传动系统使用性能。因此有必要研究主传动失效 原因，采取相应的失效改进方法，达到有效控制主传动失效和提高可靠性的目的。 本文运用失效分析的方法，对主传动组件进行了失效分析，探讨了主传动组件失 效机理，明确了典型的失效模式，确定了引起主传动失效的主要原因。 在对主传动失效分析的基础上，根据引起主传动失效的原因，分别对主传动提出 了改进设计方案：1 ) 选用高性能材料，以满足零件的渗透性要求；2 ) 优化和调整热 处理工艺流程，改善零件表面渗碳层；3 ) 改进零件结构、加工和装配工艺，以改善零 件受力条件。 按照新的设计方案进行了工艺的改进和开发，并实际装机应用，跟踪了应用情况， 从实际应用效果来看，改进后的主传动外反馈指标明显下降，有效解决了动载荷冲击 作用下发生的主传动早期故障问题。 关键词：驱动桥；齿轮传动；失效分析；可靠性增长 a b s t r a c t f i n a ld r i v ei so n eo ft h em a i nc o m p o n e n t so ft h ed r i v i n ga x l eo f w h e e ll o a d e r i ti se m p l o y e di n d r i v e l i n et or e d u c et h er e v o l u t i o n ，a m p l i f yt h er o t a t i n gt o r q u ea n ds h i f tt h ed i r e c t i o no ft h e t o r q u ef r o mt r a n s v e r s et ol o n g i t u d et od r i v e t h ew h e e l sr o t a t e b e c a u s eo ft h eb a dw o r ke n v i r o n m e n to ft h ew h e e ll o a d e r , t h ee a r l yf a i l u r eo c c u r se a s i l ya n d l e a d st ot h ed e f 0 肌a t i o n ，b r e a k d o w n ，f a t i g u ea n dt h ea b r a s i o no ft h eg e a rt o o t ho f f i n a ld r i v e i t i sn e c e s s a r yt of i n do u tt h eo r i g i n so ft h ef a i l u r ea n dc o m m i tr e l e v a n tc o r r e c t i v em e t h o d st o c o n t r o lt h ef a i l u r ea n di m p r o v et h er e l i a b i l i t y i nt h i sa r t i c l e ，w ea p p l yt h ef a i l u r ea n a l y s i st h e o r yt oa n a l y z et h e f a i l u r eo ft h ef i n a ld r i v e ， d i s c u s s l ec a u s e so ft h ef a i l u r ea n dl i s tt h et y p i c a lf a i l u r em o d e s b a s e do n t h ef a i l u r ea n a l y s i s ， t h ei m p r o v e m e n tm e t h o d sa r ed e s i g n e da n du s e da sf o l l o w i n g ： i m p r o v et h ep r o p e r t y o fm a t e r i a lt om e e tt h er e q u i r e m e n to fc a r b u r i z a t i o n ； o p t i m i z et h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ； o p t i m i z et h es t r u c t u r e ，t h em a c h i n i n ga n da s s e m b l yp r o c e s s t or e d u c et h ei m p a c t ； w ei m p r o v et h ep r o c e s s i n ga sp e rt h en e wp l a n a st h er e s u l to fa p p l i c a t i o ni nw h o l e m a c h i n e s h o w ar e m 砌汕l ed e c r e a s eo fw a r r a n t y r a t ei sa c q u i r e d w ef i n a l l ya c h i e v ea ne 行e c t i v e s o l u t i o no fe a r l yf a i l u r e k e yw o r d ：d r i v i n ga x l e ，g e a rd r i v e ，f a i l u r ea n a l y s i s ，r e l i a b i l i t yi m p r o v e m e n t i i i 致谢 我对装载机主传动失效分析和可靠性增长的研究源于柳工外反馈改进的市场需 要，我的学位论文也是源于于此。在论文完成之际，首先要感谢的是我的导师陈文华 教授和王国安教授。本文是在指导老师的精心指导和亲切关怀下完成的。 从论文的选题，理论分析到论文的编排，在许多关键性的问题上导师提出了宝贵 的指导性意见。导师谦虚治学的风范和认真务实的精神，给了我很大启迪，使我终身 受益。我从导师身上学到的和感受到的不仅仅是知识，还有更重要的是人格魅力，脚 踏实地勤耕不辍的拼搏精神以及与人为善的做人原则。是导师在潜移默化中教会了我 如何去思考，从而提高我分析问题、解决问题的能力，使我体会到做学问的艰辛及完 成之后那种其它任何事物所无法替代的喜悦，在此我向导师致以最诚挚的感谢! 另外，感谢广西柳工机械股份有限公司的同仁，以及柳工制造技术部门的所有员 工，在学习和工作方面给予我很多关心和提供了卓有成效的帮助。在此，也向他们表 示深深的谢意。 衷心感谢在百忙之中对我的论文进行评阅、评议的各位老师。 最后，真诚感谢我的家人对我的关心、理解和支持，正是他们无私的奉献才使得 我能够安心于学业，继续深造和发展。 在此谨向所有关心、帮助我的人致以由衷的感谢! 洪旗 2 0 1 1 年1 2 月 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 前言 1 1 1 主传动 1 1 1 1 主传动的概述 主传动( 或称主减速器如图1 1 ) 是装载机 驱动桥的重要组成部分，主要由卜主动螺旋锥齿 轮组件、2 一主传动壳体( 或称托架) 组件、3 一差 速器组件和4 一从动螺旋锥齿轮组件等零部件组 成，其主要功能是降低传动系的转速、增大传动 系的转矩并改变转矩的方向，把纵置发动机的转 矩传递到横置的两根驱动桥的半轴上。其中，主 传动壳体组件主要对差速器组件及主、从动螺旋 伞齿轮组件起定位和支撑作用。 图1 2 主传动齿轮型式 本课题采用的是螺 旋锥齿轮，其特点是主、 从动齿轮的轴线相交于 一点，同时两者的螺旋 角届和属相等。主动螺 旋锥齿轮的支承形式分 为悬臂式支承和跨置式 支承两种。 图1 1 主传动 在工程机械驱动桥主 传动上，应用最广泛的主 传动齿轮型式是“格里森” 制或“奥利康”制螺旋锥 齿轮( 图1 2 左) 和双曲 面齿轮( 图1 2 右) 。 ( a ) 悬臂式支承( b ) 跨置式支承 图1 3 主动锥齿轮的支撑方式 2 3 4 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 ( 1 ) 悬臂式支承如图1 3 ( a ) 所示，其特点是主动锥齿轮轴上的两个圆锥滚子轴承 大端向外，通过减少悬臂长度b ，增加支承距a ，提高支承刚度；为尽可能的增加支承刚 度，支承距口应大于2 5 倍的悬臂长度b ，且应比齿轮节圆直径的7 0 还大，另外靠近齿 轮的轴径应不小于尺寸b 。靠近齿轮的支承轴承有时也采用圆柱滚子轴承，这时另一轴承 必须采用能承受双向轴向力的双列圆锥滚子轴承。悬臂式支承结构简单，但支承刚度较差， 用于传递转矩较小的轿车、轻型货车的主减速器。 ( 2 ) 跨置式支承如图1 3 ( b ) 所示，支承强度高，但加工和安装不便。通常重型装 载采用此支承方式，如工程机械的主螺旋。 1 1 1 2 主传动的发展趋势 随着主传动设计和加工技术的不断发展，特别是： ( 1 ) 理论知识不断完善，结构设计更合理；齿轮设计更接近实际，如齿轮强度计算 方法、修形技术、变形计算、优化设计方法、齿根圆滑过渡、新结构等； ( 2 ) 采用更好的材料，如齿轮采用各种优质合金钢锻件，材料和热处理质量控制水 平提高； ( 3 ) j g s _ 精度提高，如螺旋锥齿轮的磨齿加工的运用； ( 4 ) 轴承的质量和寿命提高； ( 5 ) 润滑油质量提高。 主传动的可靠性得到极大提升，具体表现为： ( 1 ) 高质量、高性能。螺旋锥齿轮、半轴齿轮等普遍采用渗碳淬火、磨齿工艺，承 载能力提升3 倍以上，体积小、重量轻、噪音低、效率高、可靠性高。 ( 2 ) 模块式组合设计。基本参数采用优先数，尺寸规格整齐，零件通用性和互换性 强，系列容易扩充，有利于组织批量生产和降低成本。 改革开放以来，我国先后引进一批先进的加工装备，通过引进、消化、吸收国外先进 技术和科研攻关，逐步掌握各种低速重载齿轮的设计制造技术，材料和热处理质量及齿轮 加工精度均有较大提高。如螺旋锥齿轮的制造精度可稳定在9 - 1 0 级，承载力、使用寿命、 传动效率均有较大提高，对提高主机总体水平起到很大作用。 1 2 失效分析 1 2 1 概述 失效分析是一门新兴的、交叉学科，它具有两个显著的特点：第一是综合性，即它涉 及广泛的学科领域和技术门类；第二是实用性，即它具有很强的生产应用背景，与国民经 济建设密切相关。从生产实际出发及时部署对失效分析的研究应用，就可以避免因机械装 备失效所带来的重大损失。 失效在英文中叫“f a i l u r e ”，按词义可译成：“失灵”、“失事”、“故障”、“破坏”等。 在国内有时俗称“损坏”、“事故”等。上述名词的含义有许多相似之处，所以常常混用。 但是“事故”和“失效”却是两个不同的概念，应该区别开来。失效是产品原有功能状态 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 的损坏，而事故是指产品的功能状态损坏后引起的后果。为防止混乱，在1 9 8 0 年1 2 月召开 的中国机械工程学会机械产品失效分析会议上，我国的学者正式统一称为“失效”。 按照国内外大多数学者通用的定义，所谓机械产品的失效印，是指产品在使用中丧失 其规定功能的现象。按照产品在使用过程中原有功能丧失的程度，失效的具体含义包括以 下三个方面的内容： ( 1 ) 因损坏而完全不能工作； ( 2 ) 虽然能够工作，但不能完成规定功能； ( 3 ) 虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。 产品出现上述三种现象中的任何一种时，均被认为已经失效。由此可见，一个齿轮发 生断齿而完全丧失原有功能的现象，毫无疑问属于失效；当齿轮因磨损点蚀等原因，使表 面状态发生破坏，当其超过某一规定值时，将导致整机丧失其原有功能，对此也应认为该 产品已经失效。 1 2 2 国外失效分析 国外的失效分析工作有以下几方面的特点： ( 1 ) 建立了比较完整的失效分析机构皿副：在前西德，失效分析中心主要建在联邦及 州立的材料检验中心。前西德的1 1 个州建立了5 2 3 个材料检验站，分别承担各自富有专 长的失效分析任务。工科大学的材料检验中心，在失效分析技术上处于领先地位，系权威 单位。例如，斯图加特大学的材料检验中心，有技术人员3 0 0 人，面积1 2 0 0 m 2 ，每年的经 费2 亿马克。它的主要任务是负责电站，特别是核电站、压力容器及管理的安全可靠性问 题。阿里盎兹技术保险公司有专门从事失效分析的技术队伍达3 4 0 人，每年的经费约10 0 万马克，专门研究损失在1 0 万马克以上的事故，以降低保险范围内的失效概率。每个企 业和公司均有专门从事失效分析的研究机构。例如，前西德的奔驰汽车公司，为了同日本 汽车业相抗衡，建立了先进的疲劳试验台和振动台，对于重要零、部件及整机进行破坏性 试验。为了进行事故现场的侦察和分析，还备有流动车辆，以便及时判断事故原因。在日 本，国立的失效分析研究机构有金属材料技术研究所、产业安全研究所和原子力研究所等。 在企业界有新日铁、日立、三井、三菱等，另外各工科大学都有很强的研究力量。美国的 失效分析中心遍布全国各个部门，有政府办的，也有大公司及大学办的。如：国防尖端部 门、原子能及宇航故障分析集中在国家的研究机构中进行；宇航部件的故障分析在肯尼迪 空间中心故障分析室进行；阿波罗航天飞机的故障在约翰逊空间中心和马歇尔空间中心进 行分析；民用飞机故障在波音公司及洛克威尔公司的失效分析中心进行分析。福特汽车公 司、通用电器公司及西屋公司的技术发展部门均承担各自的失效分析任务。许多大学也承 担着各自的失效分析任务。像里海大学、加州大学、华盛顿大学承担着公路和桥梁方面的 失效分析工作。有关学会，如美国金属学会( a s m ) 、美国机械工程师学会( a s m e ) 和美国材 料与试验学会( a s t m ) 均开展了大量的失效分析工作。 ( 2 ) 制定机械产品失效分析及预防指导性文件，快速、准确可靠地找出失效的原因 浙江大学硕士学位论文1 绪论 及预防措施，使分析工作建立在科学的基础上，以防误判和少走弯路。为此，在一些工业 发达国家均制定了失效分析指导性文件，对于失效分析的基础知识、概念及定义，失效的 分类及分析程序均做出了明确规定。各研究中心，还建立了事故档案及数据库，以便有案 可查，定期进行统计分析，并及时反馈到有关部门。 ( 3 ) 大力培养失效分析专门人才，各工科院校均开设了失效分析课程，使未来的工 程师们具备独立从事失效分析工作的基本知识和技能。并对在职职工有计划地进行技术培 训。 ( 4 ) 大力开展失效分析技术基础的研究工作，系统研究材料的成分、工艺组织、几 何结构对各个失效行为的影响，以期获得耐用性能的优化；研究失效的微观机制与宏观失 效行为间的关系；系统研究材料及构件在机械力、热应力、磨损及腐蚀条件下失效行为、 原因及预防措施；开展特种材料( 包括工程塑料) 及特殊工况条件下失效行为的研究。 ( 5 ) 大力开展失效分析及预防监测手段的研究工作，研究先进的测试技术，对运行 中的设备及机件进行监测。如研制了大型轴承失效监测仪；轴承温度报警装置；玻璃纤维 端镜监控系统及各类无损探伤手段等。利用多种先进的测试技术对锅炉、压力容器、防爆 电机、发电设备、核能装置、车辆的操纵系统、行走部件等危及人身安全的产品定期地进 行检查与监督均收到了较好的结果。 1 2 3 国内失效分析 我国的机械工业经历了从照搬一仿制一研制的发展过程，基本上形成了具有比较完整 的工业体系。但在机械工业发展的初级阶段，失效分析工作很不完善，所采用的方法也比 较原始，其工作内容主要是工厂的日常检验和废品分析。在整个工业部门、大专院校及科 研单位无专门的失效分析机构和专门的技术队伍。但我国人民在长期的生产实践中创造和 积累了许多失效分析及废品分析方面的经验，直到今日仍在生产现场广泛用作产品质量的 快速分析。例如：利用金属间碰撞发生的声音来判断机件是否存在微裂纹；利用肉眼及放 大镜观察断口来检查铸铁的白口、渗碳层的厚度及淬硬层的深度等。对于重大的事故和新 产品试制过程中的关键问题，成立的由生产厂家、研究单位和使用部门相结合的、形式多 样的“攻关”组，是我国失效分析的早期组织形式。攻关组的任务是在一定的期限内完成 某项具体任务，该任务一旦完成即自行解散。在工矿企业内部发生的较小失效事件，常常 以小型的失效分析小组的形式开展工作。它的主要目的是分析失效原因以确定有关人员及 部门的责任。至于采取何种改进措施一般不作深入的研究。 随着我国机械工业的不断发展，失效分析的早期工作形式、内容及采用的方法和手段 已经越来越不能满足客观上的需要。我国从7 0 年代起一些技术部门才重视失效分析工作。 到8 0 年代处，机械工程学会成立了“失效分析工作委员会”，并开展了许多活动，以推动 失效分析工作的进行。如建立了失效分析网，失效分析网建立以来取得了重大成果，从 1 9 9 0 2 0 0 3 年共收集了失效案例3 0 0 0 多起。通过失效分析和反馈使齿轮失效事故率大大降 4 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 低，取得了巨大经济效益。随着技术的不断发展，在失效分析技术、失效分析理论、失效 机理等方面姜取得新的突破。 目前，我国的机械产品和工程结构日趋大型化、精密化和复杂化。这类产品发生的失 效，比以往的失效将会造成更大的财产损失和人员伤亡。这就要求一切产品必须具有比以 往更高的可靠性和安全性。从而对失效分析工作提出了更高的要求。 我国的失效分析工作近年来有很大的发展，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 认真总结经验，积极开展活动 在中国机械工程学会的领导下，1 9 8 0 年于北京召开了全国第一次机械装备失效分析 经验交流会，收集论文和分析案例共计3 1 1 篇，揭开了我国失效分析技术的序幕，并出版 了会议论文集。1 9 9 2 年1 2 月由中国科学技术协会指导和支持、中国机械工程学会承办、 全国2 2 个一级学会共同组织的全国机电装备失效分析预测预防战略研讨会在北京举 行，以及此后多次召开的全国失效分析会议均大大促进了我国失效分析工作的开展。 ( 2 ) 建金我国的失效分析组织机构和开展基础研究工作 中国机械工程学会成立了失效分析工作委员会，负责组织和领导全国机械行业的失 效分析工作。相关的分会如材料学会、热处理学会和理化学会也成立了相应的组织机构， 领导和组织本学科内的失效分析工作。工矿企业及大专院校成立了失效分析研究室、研究 小组，开展各自富有专长的技术活动与社会服务工作。 ( 3 ) 开展失效分析专门人才的培养工作 自1 9 8 3 年起，失效分析列入工科院校材料科学与工程类专业教学计划中的必修课 程。许多大学还举办各种形式的短训班及在职人员培训班，我国的失效分析技术队伍正在 逐步形成。 ( 4 ) 建立失效分析数据库和网络 我国的失效分析工作，正密切配合产品的更新换代，确保产品的质量与可靠性等积 极开展工作，为我国的经济建设及材料科学的发展进一步做出了更大的贡献。 1 2 4 失效分析发展趋势 随着近代工业的兴起，失效分析工作必将越来越显示其重要性，从国内外的研究现状 能够看出失效分析在以下几个方面具有广阔的发展前景。 ( 1 ) 发挥失效分析的指导作用。从所掌握的知识可知，材料科学已经具备了较完整 的理论基础和信息体系，且具有先进的测试技术和设备；在这种情况下综合运用各方面的 理论和技术，根据产品的服役条件和要求，对机械产品展开预防性的失效模式分析和预测， 有利于指导设计和优化材料和结构，如d - f e m a 和p - f e m a 的应用。 ( 2 ) 通过失效分析反馈，努力节约材料和资源。早在2 0 世纪3 0 年代，美国就有人 预测矿产将日益枯竭。从战略的观点来看，节约材料，发挥材料的潜力是一项十分有意义 的工作和长远规划。通过失效分析改进零件质量达到零部件可靠性的提高，延长其生命周 期，从而提高材料的潜在能力，失效分析起到关键的作用。 气 浙江大学硕士学位论文1 绪论 ( 3 ) 失效分析将成为系统可靠性工程的基础技术。近代工业中，机械设备的重要特 点是自动化程度越来越高，结构也越来越复杂，因而价值也越来越大。由此，对设备可靠 性的要求会更高。这就要求必须将失效分析中所得到的信息及时而准确地反馈到产品的设 计、制造及使用部门，使其成为系统可靠性的基础技术。 ( 4 ) 失效分析将继续成为提高产品质量的保证。产品要在市场上有竞争能力，必须 首先保证质量，消除一切隐患，这就要求必须加强产品在使用和生产现场的分析工作及基 础研究。可以预见，大量的、基本的失效分析工作，将在生产第一线大力开展，成为提高 产品质量的可靠保证。 ( 5 ) 加大失效分析队伍的建设及基础工作的研究。在我国失效分析工作的技术队伍 虽然己初步形成，但无论在专业化程度、组织形式方面，还是在技术水平及所采用的手段 方面，都还有待于进一步提高。失效分析工作的普及问题，更需要一大批技术队伍来解决。 失效分析的力学基础、物理学基础、化学基础、断口学基础及分析工作的程序化与现代化 的技术手段等均需进一步加强。 ( 6 ) 建立失效分析的数据库及资料库。许多失效分析经验和成果是用血的代价换来 的，它对以后的生产有极大的指导意义。为了使个别人的、个别单位的经验得到推广和发 挥更大的作用，建立专门的失效分析数据库和资料库是非常必要的。 ( 7 ) 计算机在失效分析工作中的应用。应用计算机进行失效分析工作，将大大提高 分析工作的准确性和可靠性。用计算机分析失效，可以排除因分析人员的经验、素质和手 段不足而带来的局限性和误判。当然，用计算机分析失效，必须有大量的资料作依据。 ( 8 ) 建立和完善失效分析资源共享。单个故障的失效分析往往具有偶然性。通过对 同一类装备( 或零部件) 的故障的统计分析才能得出规律性的结论，用以有效地提高设计、 制造、运行、决策和管理水平。行之有效的措施是建立失效分析网和失效案例库。目前， 失效分析尚未建立完整的数据库。有些行业和企业针对自己的工程问题建立失效分析库， 但局限性很大。要建立较为完善的失效分析体系，当务之急是建立大型的失效数据库，集 合全行业的力量，通过充分的信息交换，实现资源共享、成果共享，这将极大地促进本行 业和学科的发展。 总之，随着科学技术的发展，失效分析的作用越来越大，它必将作为一门实用学科和 基础学科而得到进一步发展。 1 3 主传动现状及发展 作为工程机械最主要传动系统驱动桥中的最重要部件主传动，我国的各有关院校、科 研单位以及工程机械厂家进行了不少的研究，取得了明显的进展，但与国外的先进水平相 比，仍有一定的差距。以用于装载机前桥驱动的主传动为例，尽管在总体上已基本满足使 用要求，但其设计方法、材质性能、加工精度、传动质量、动态特性( 振动、噪声、动载 荷等) ，使用寿命等方面仍有待进一步提高： ( 1 ) 产品可靠性和使用寿命偏低；作为工程机械领军企业的柳工，在2 0 0 6 年统计的 6 浙江大学硕士学位论文1 绪论 数据显示装载机主传动失效价值占其总失效价值的5 ，失效型式表现为主螺旋剥落、轴 承损坏、大螺旋断齿、主螺旋花键断裂、法兰漏油等多种型式，这种情况给国内工程机械 的客户带来经济上的损失，也降低了对国内工程机械产品质量上的期望，给行业的发展带 来不利的影响； ( 2 ) 在加工方面采用数控( c n c ) 齿轮机床，使加工精度和生产率大大提高。在螺旋锥 齿轮热处理后，采用齿轮磨床精磨齿形，消除热处理带来的变形误差，使得精度进一步得 到保证。同时，还开始使用虚拟制造系统，在计算机上模拟加工过程和接触区的调整过程， 以减少在切齿机上的切齿参数调整时间，并确保齿面接触精度； ( 3 ) 齿轮材料方面，从美、日、英、俄、德等发达国家用钢来看，基本上仍是c r ，c r m n 、 c r m o ，c r m n m o ，c r n i m o 等系列，为了节约n i 、m o 、c r ，不少国家发展了硼渗碳钢。 也采用硼、铌来细化晶粒，使用改变夹杂物形态的易切削渗碳齿轮钢、快速渗碳钢、碳氮 共渗钢和减少淬火变形的渗碳钢等。总的发展方向是提高材质、节约合金元素和降低能耗 三个方面，提高材料的使用性能、改善制造齿轮的工艺性和降低材料及齿轮的成本；同时 国外齿轮钢已普遍采用真空脱气和真空浇注，各国对齿轮钢的冶金质量非常重视是因为齿 轮的失效形式主要是接触疲劳和弯曲疲劳，而钢中气体和夹碴对疲劳强度寿命有很大的影 响； 我国对主传动失效分析工作极为重视，在1 9 8 8 年成立了重载齿轮失效分析与预防委员 会，开展了大量的工作，取得较好成效。而对于某些工程机械前后桥驱动使用的主传动， 由于其工况恶劣，承受较大的载荷，且批量较小，专业生产厂家不多，研究工作投入较少， 因而与国外先进水平相比，存在较大的差距，表现在传动质量较差，使用寿命较短，失效 率较高，还不能满足使用的要求。要解决这一问题，引进国外的先进制造系统固然是一个 行之有效的措施，然而，充分利用现有的资源，挖掘现有的潜力，加强研究，提高产品的 质量，是值得大力提倡的方法。 1 4 选题背景 提高机械产品信誉，必须使机械产品牢固可靠，可是在技术上要求机械产品达到1 0 0 的可靠性是不可能的，所以要求尽可能地降低机械产品的故障率。因为机械产品在使用 过程中常常有断裂、变形、磨损、腐蚀等失效现象的发生，找出失效原因和提出改进措施， 必须开展失效分析实例的研究。因此，失效分析和失效防治技术的研究，优化机械设计， 从根本上改变目前失效造成巨大经济损失，已成为各国工程科技攻关的重要课题之一。 针对柳工产品早期失效反馈数量大、种类多、失效形式复杂，经济损失巨大( 估计每 年给公司造成近千万元经济损失) ，尤其是装载机心脏部件桥部件近几年来外反馈居高不 下。其主传动在工作中承受较大的载荷，工况恶劣，对其制造精度要求较高，其工作的可 靠性和寿命既影响用户的使用，同时也给企业的信誉带来严重的影响。为查找真正原因并 进行有效改进，建立了柳工外反馈早期失效件的失效模式库，对关键零部件早期失效进行 系统、科学的失效分析。所以开展对驱动桥主传动齿轮失效分析研究有着十分重要的意义。 浙江大学硕士学位论文1 绪论 通过主传动的失效分析，可揭示主传动的失效形式、失效原因、失效机理。通过失效 分析可较准确地揭露主传动在设计、材质、制造工艺、装配和使用等方面存在的不足之处。 将这些信息反馈，并分析，有助于改进主传动质量，延长齿轮的服役寿命。 随着我国加入世界贸易组织( w t o ) 后，机械工程行业的竞争将变得越来越激烈，国 外知名工程机械制造巨头公司纷纷在国内投资建厂，形成瓜分中国工程机械市场的竞争格 局，给中国的工程机械民族工业带来了严峻的挑战。如何提高产品质量和生产效率，降低 制造成本，就成为各家工程机械厂商迫在眉睫的任务。机械工业作为我国国民经济发展的 支柱产业之一，同时也是国民经济新的增长点，为适应时代的要求，工程机械零部件的制 作水平和质量保证需要不断地改进提高。 作为主传动的关键传动零件螺旋齿轮传动具有重叠系数大、传动平稳且噪音低、使用 寿命长等优点，因而在各种动力传输装置，尤其是高转速、大功率的传动装置上广泛应用。 但是，螺旋齿轮传动也存在明显的不足：在传动中产生的轴向推力较大，对轴承要求较高， 对轮齿的螺旋角、压力角、加工制造、装配及校准等要求较高。如果上述诸方面稍有不慎， 易出现偏载或发生振动。造成连续冲击过载，而使齿轮过早地出现失效。国内外的使用经 验表明，这种齿轮传动装置的故障率一般均较高，国内外关于这方面的报道也不少。 如何减少经济损失，满足用户的要求，已经引起了同行业足够的重视，柳工要想在市 场上立足，必须解决主传动早期失效问题。 1 5 论文的目的和意义 1 5 1 选题的目的 以失效分析理论为基础，展开装载机驱动桥主传动失效分析、预测和评估，并建立主 传动的失效分析、预测和评估方法，结合企业的具体实际，对主传动失效分析和优化方案 进行实证分析，达到降低主传动外反馈率，提高传动系统的可靠性。 1 5 2 选题的意义 通过对装载机主传动的各种故障展开失效分析，找出影响主传动质量的关键原因和影 响因素，从结构设计、材料、热处理、加工和装配等制定改进措施并予以实施，将主传动 的外反馈率指标由现有的0 7 5 降低到0 3 3 以下，达到提高主传动的可靠性和延长使用 寿命的目的，实施成功预期将为柳工挽回每年1 5 0 万元1 8 0 万元的外反馈损失；同时建 立柳工关键零部件质量改进的标准分析流程，为其他产品的质量改进和失效分析提供可操 作的规范。 1 6 本论文的主要工作 ( 1 ) 广泛了解主传动失效情况，收集已失效的主传动，调查零件的使用工况，对失 效零件进行失效分析，判定主传动失效模式，分析主传动失效产生的机理和影响因素，寻 找影响主传动失效的主要原因。 ( 2 ) 针对影响主传动失效的主要原因，进行主传动的优化改进分析，在广泛了解国 r 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 内外主传动研究应用基础上，有针对性地从改进：亏案中优化选择，提出提高主传动可靠性 的优化改进方案 ( 3 ) 按照所设计的方案开展材料及工艺试验，并进行实际装机应用，跟踪应用效果， 论证主传动优化方案的可行性。 1 7 论文的组成 论文由以下五个部分组成 第一部分：绪论。通过对国内外主传动的发展概况、主传动技术研究和应用现状调 查以及主传动失效研究现状及发展趋势分析，提出课题研究的重要性和必要性，介绍论文 的目的和主要工作。 第二部分：装载机机主传动的失效现状。介绍装载机使用工况、使用环境及作业方 式等，陈述装载机主传动失效现状和存在问题，提出课题的目标和研究思路。 第三部分：装载机主传动失效研究及主传动可靠性提高方案设计。介绍主传动失效 的分类、主传动失效机理和现象，描述装载机主传动组件的结构和主要参数，对装载机主 传动组件系统特性进行研究分析，探讨各主传动组件机理和失效模式，分析材料、毛坯、 热处理、机械加工、装配、结构等对主传动可靠性的影响，寻找出影响主传动失效的主要 原因。研究主传动零件的失效特性，在广泛了解国内外失效研究应用基础上，对主传动组 件进行可靠性设计，提出失效控制技术方案。 第四部分：技术方案的实施。陈述方案实施过程所进行的材料及工艺开发情况，以 及改进的主传动实际装机情况。装载机主传动可靠性技术实际应用效果对比分析，验证改 进技术方案的可行性，分析本课题研究产生的效益，得出结论。 第五部分：总结与展望。总结全文，指出今后工作努力的方向。 9 浙江大学硕士学位论文 2 装载机使用工况及主传动失效现状 2 装载机使用工况及主传动失效现状 2 1 装载机的一般结构和传动方式 装载机是一种较大型的以装卸散状物料为主的工程机械。是一种多用途高效率的工程 机械。装载机的基本组成是：传动系统、制动系统、转向系统、工作装置、电气系统、驾 驶室、铲斗、油缸、驾驶室等组成。见图2 1 。 图2 1 工作时通过起动机起动，动力从柴油发动机传：递到液力变矩器，通过变速箱，再经过 万向传动轴的传递给驱动桥主传动组件，分别传递到前、后桥，驱动车轮行走。 2 2 装载机的一般作业工况和环境 装载机是工程机械中一个非常重要的机种，主要作用于建筑、道路修建、交通运输、 水利电力工程、以及现代化军事工程等行业。作业对象有坚实原土、煤、松土等。其作业 环境见图2 2 。有时还用于沙、大块石、碎石、矿石等。工作环境比较恶劣，其作业环境 见图2 3 。 图2 2 一般作业的装载机 图2 3 用于大块石的装载机 浙江大学硕士学位论文 2 装载机使用工况及主传动失效现状 轮式装载机由于作业时工作条件严峻，路面崎岖不平，工作时载荷变化很大，因此对 传动部件的强度和可靠性要求很高；发动机输出的扭矩经液力变矩器、变速箱、传动轴再 经主传动转换方向传输至驱动桥上的轮胎，以实现运行与作业的目的。 装载机大都是进行野外作业，进、退频繁，有些用户常常把装载机当作推土机作用， 这就使装载机易受到阻挡而产生瞬间冲击，主传动大多因此而疲劳失效。主传动组件内的 齿轮在传递转矩时，除承受较大的接触应力外，还有冲击力以及从节圆处分解出的弯曲应 力。其齿轮抗弯应力的能力主要取决于齿轮的强度。最大危险应力产生在齿根附近，齿根 尖角处容易产生应力集中，易产生微裂纹。齿轮的工作条件变化对材料的疲劳强度影响很 大，首先表现在装载机运行状态是否良好。一般来说，在设计给定的条件下，零件具有足 够的安全系数，但实际工作中由于装载机的超载或是接触面积过小，往往会使接触应力超 过许用接触应力2 - 3 倍，通常根据功率和转速确定的齿轮的作用力仅仅是理论值，其实际 值往往超过这一数值。这有可能使齿轮局部接触应力过高，同时受力状态复杂，既有轴向 和径向的切应力，又有交变的压应力。这种复杂应力说明齿轮工作部位状况苛刻，载荷很 大，极易发生失效。 由于工况有其特殊性，工作过程中受到众多的相互作用、相互影响、相互依赖而不能 分开的影响因素，其中任何因素的微小变化，都会导致失效特性的变化。因此，提高主传 动使用寿命，需要针对装载机实际工况，研究它的系统特性，优化主传动设计，才能达到 减少失效、提高寿命的目的。 2 3 装载机主传动失效现状 装载机作业过程中，主传动组件内各齿轮在正常工作的啮合情况下，在齿根产生弯曲 应力，在齿面产生接触应力，齿面间相对滑动摩擦产生磨损，齿间存在间隙，啮合过程中 还会产生冲击。 主传动主要失效特征：主螺旋齿面剥落、大螺旋断齿、轴承损坏、主螺旋花键断裂、 差速器损坏、法兰油封漏油等；失效形式如下所示： 图2 4 主螺旋齿面剥落 l l 浙江人学硕士学位论文 2 装载机使用工况及主传动失效现状 o 。 图2 5 大螺旋断齿 图2 6 轴承损坏 图2 7 差速器损坏 图2 8 主螺旋花键轴断裂 囊淤，h越 。 ，随 浙江大学硕士学位论文 2 装载机使用工况及主传动失效现状 图2 9 法兰漏油 5 0 c 装载机主传动外反馈统计如图2 1 0 所示， 4 0 0 3 0 0 2 1 0 0 o 蜷f i - 嚣rt 轴承损坏1 甾黔主装黔霹繁损卜、器- it - , , 7 惮i 损坏 失效数节 2 9 51 5 93 81 71 179 比例 5 5 0 4 2 9 6 6 7 0 9 3 1 7 j 2 0 5 1 3 1 1 6 8 l 盖过选剑删堑蛩：z 9 竖也j z 旦竖 塑：鳗竖9 7 0 1 墅j 塑墼坠j ! 凶塑_ l 图2 10 主传动外反馈统计 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 o 从上面( 图2 1o ) 的数据统计分析可知，主传动组件中螺旋锥齿轮的疲劳剥落、齿轮 损坏和螺旋锥齿轮断裂等失效发生频率最高，在失效件中也最为常见，说明这几种失效是 一个很值得重视的问题。齿轮正常使用寿命为6 0 0 0 小时，但实际服役寿命大多在3 0 0 9 0 0 小时，最低的不到2 0 0 小时，属于早期失效。在解决问题时，要抓住主要矛盾分析。故本 文将以典型的大螺旋锥齿轮和主螺旋锥齿轮早期疲劳剥落、锥齿轮断裂作为主要分析对 象，从设计、材料、热处理、加工及装配等方面入手展开分析，找出主传动早期失效的主 要原因，提出改进措施。 浙江大学硕士学位论文 2 装载机使用工况及主传动失效现状 2 4 ；z l r , 章小结 本章介绍了装载机的一般结构和作业方式，叙述了装载机传动系统的工况、作业环境， 列举了装载机主传动失效现象，说明了其对装载机质量的影响。引出了课题研究的重要性 和紧迫性。 1 4 浙江大学硕士学位论文 3 主传动失效分析及改进措施 3 主传动失效分析及改进措施 主传动组件是装载机驱动桥的重要部件，承受的是交变负荷，工作中往往由于工矿和 使用者的不 - 3 使用而经受较大的冲击力作用，增加了主传动的受力状态，结果造成早期失 效的几率显著提高。在2 0 0 5 年6 月致2 0 0 6 年2 月期间的早期失效主传动共4 3 7 件，其中 5 0 型2 3 7 件，4 0 型1 1 4 件。齿轮工作时间最短约2 0 0 小时，最长约13 0 0 小时。严重低于 企业三包规定的时间。根据统计，这期间的产品销往四川、重庆、云南、辽宁、内蒙、济 南等地，主要用于沙石、大块石头、煤和矿石等装卸的工况。 3 1 主传动失效的机理和现象 3 1 1 失效分类 失效现象非常复杂，不同角度存在不同的分类，有的是从功能分类，有的从材料损失 机理分类，有的从机械损失的时间特征分类，还有的从机械损失的后果分类。应该说，合 理的分类应把形式与本质加以区别。就是说，应把零件失效的形貌特征与造成这种特征的 失效机制区别开，明确形式一机制一条件三者关系。这是因为，条件变了，势必造成不同的 失效机制，引起失效形式的变化。图3 1 阳朝是失效分类的关系图。 图3 1 失效分类的关系图 1 5 浙江大学硕士学位论文 3 主传动失效分析及改进措施 从图中不难理解失效的多种现象和其相互转化的因果关系，对失效研究的对象虽然 仅是零件形貌的破坏失效，但要把这个问题研究透，却是十分困难的。不仅因为对其组织 及性能进行分析、测定，需要特殊方法和手段，更主要的是涉及很多学科及一系列影响因 素。就其主要方面看，它涉及到固体力学、流体力学、表面物理、表面化学、冶金学、材 料学、机械学等学科，而影响因素则包括设计、材料、热加工、冷加工与装配、使用条件 等，其多学科性见图3 2 叩引： 固体力学 接触应力大小与分布 塑性变形 裂纹萌生与扩展 材料科学 材料选择 表面物理 表面吸附 摩擦温度的形成 摩擦系数 失效 表面技术 技术类型与工 质量 组织机构与性 图3 2 失效的多学科性 3 1 2 主传动失效的主要模式 通过对三包期内反馈的主传动进行拆解，对损坏特征进行观察和分析，从宏观特征上 分析造成主传动损坏的可能性。通过失效零件的宏观特征分析发现主传动损坏的形式主要 有以下几种： 1 、齿面剥落损伤 1 6 浙江大学硕士学位论文 3 主传动失效分析及改进措施 这种损伤是由于齿面受到交变的表面接触应力的作用下，在齿轮表面或次表面产生裂 纹，导致齿轮表层材料发生剥落的现象。根据齿面作用应力的范围大小以及齿轮表层强度 的差异，将产生不同形式的剥落损伤，如麻点剥落、浅层剥落和硬化层深度剥落。 2 、齿的断裂 轮齿像一个悬臂梁，受载后齿根部弯曲应力最大，同时有应力集中，轮齿容易在根部 折断。轮齿折断一般分为两种情况：一种重复受载，齿根处产生疲劳裂纹，裂纹逐步扩展， 致使轮齿折断；另一种是轮齿受到短时过载或冲击载荷而突然折断皿4 1 。 3 、疲劳磨损 疲劳磨损失效是指摩擦副表面在循环变化的接触应力作用下，由于材料疲劳剥落形 成凹坑而导致的失效。一般情况下，即使是在良好的润滑条件下，摩擦副表面的疲劳磨损 依然不可避免，但多表现为非扩展性的表面疲劳磨损。部件的疲劳磨损失效主要源于扩展 性的表面疲劳磨损，其过程主要是由于周期性变化的法向负载和切向摩擦力的作用，在摩 擦副次表面应力集中处形成微裂纹，裂纹逐步扩展到表面，形成磨损。特征表现在摩擦表 面上存在痘斑状的凹坑。这种形式的磨损与载荷性质和运动形式有着密切关系。摩擦副材 料中的空穴、位错、杂质和内应力等破坏了基体的连续性，从而在循环应力的作用下，形 成应力集中源，产生疲劳裂纹并导致磨损。 3 1 3 失效机理和现象 1 、齿轮疲劳剥落 接触疲劳实质是裂纹产生、扩展的过程。接触疲劳的裂纹形成是金属局部反复塑性变 形的结果，随着某些裂纹的不断扩展，造成金属表面的剥落。局部塑性变形是产生疲劳裂 纹的前提，经常出现在最大综合切应力的位置，如果金属强度不足，则会引起塑性变形， 经多次循环作用之后，就会产生裂纹。因此根据最大综合切应力的分布和材料强度的相互 比较，可以决定裂纹产生部位和确定接触疲劳类型。 麻点疲劳剥落麻点疲劳剥落的失效特征为在轮齿节圆附近，由表面产生裂纹，造成 深浅不同的点状或豆状凹坑。麻点疲劳剥落又分为初始麻点( 非扩展性的) 和破坏性麻点 ( 扩展性的) 。初始麻点是由于齿面存在微小的加工误差，表面不平、接触不均匀，在正常 工作载荷作用下，使齿轮表面局部产生了高出材料疲劳极限的应力，在经过一段循环次数 后产生裂纹并出现疲劳剥落，形成深度小于0 1 m m 、直径小于l m m 的细小麻点；破坏性麻 点是在接触应力较大、循环次数较多的情况下，初始麻点 中产生的次生裂纹，发展成剥落面积较大、较深的剥落坑， 麻点深度一般约小于0 4 r n m 副。最 浅层疲劳剥落浅层疲劳剥落的失效特征为在轮齿节 圆附近，由内部或表面产生裂纹，造成深浅不同、面积大 小不同的片状剥落。它是比麻点剥落大而深的接触疲劳剥 落损伤，一般呈鳞片状，通常坑深约0 4 m m ，这种剥落常发 登袭硇距离 图3 3 剥落层位置 大 浙江大学硕士学位论文 3 主传动失效分析及改进措施 生在齿轮表面粗糙度好、相对摩擦力小的场合。此时，表面最大综合应力f 最大不大( 在 0 7 8 66 ( 6 为淬硬层) 处为最大) ，当应力超过材料塑性变形抗力时，该处就产生疲 劳裂纹阳 。如图3 3 所示。 硬化层剥落硬化层剥落时裂纹产生于过渡区，如图3 4 所示，齿轮在工作中由于齿 面发生畸变( 已有浅层剥落或磨损) 和接触面积过小( 装 配啮合不良) 时，引起局部接触应力增高，使应力强 度比值0 5 5 ，造成硬化层剥落；或由于表面裂纹而引 起的疲劳麻点剥落使接触面积变小；或由于齿轮表面硬蓬 化层不合理，心部强度过低，过渡区组织性能变化大， 降低了材料剪切强度；或过渡区碳浓度( 硬度) 变化太 陡，造成不利的残余应力形态，因而产生硬化层剥落阳引。 2 、齿的断裂 1 ) 疲劳断裂 董袭面距离 图3 4 剥落时裂纹区 金属零件表面或内部的危险截面处，工作应力接近材料的极限应力并经多次循环后， 在部分晶粒的薄弱部出现由细逐渐变宽的滑移带，在工作应力高于材料的疲劳极限下，这 些宽度与间距均相应加大的驻滑移软带处，在交变应力的作用下，导致不均匀滑