毕业设计66减速机输出轴失效分析及优化设计

1 毕业设计说明书 题 目 : 减速机齿轮轴的失效分析 院 系 ： 专 业 ： 学 号： 姓 名 ： 指导老师 ： 完 成 日 期： 2006 年 5 月 2 摘 要 本次设计主要的目的是对减速机齿轮轴进行失效分析；根据轴的零件图利用 PRO/E 进行实体建模；利用 ANSYS 软件进行各种分析 (主要是应力分析 )，找出输出轴结构上的不合理地方 ,得出该轴失效可能出现的原因。利用 ANSYS 对整个轴进行优化改进设计，对改进后的输出轴再一次进行 ANSYS 分析 ,得到合理的轴结构 ,从而完善减速机的总体设计效果。 通过对轴化学成分、宏观、微观及力学性能等方面的一系列实验，分析出该轴的断裂原因，在此基础上，利用 PRO/E 软件对减速器输出轴进行了较全面的有限元 分析及优化设计，不但验证了实验分析的正确性，而且提出了合理的改进方案。 3 目 录 一 失效分析概论 1.1 失效形式 1.1 失效形式 二 齿轮轴的失效分析 2.1 减速机输出轴概论 2.2 化学分析 2.2 宏观分析 2.3 微观分析 2.4 力学性能分析 2.5 小结 三 齿轮轴的有限元分析 3.1 建模 3.2 有限元分析 3.2 小结 四 结束语 附录 1 参考文献 4 前言 美国金属手册认为 ,机械产品的零件或部件处于下列三种状态之一时 ,就可定义为失效 : 当它完全不能工作时 ; 仍然可以工作 ,但已不能令人满意地实现预期的功能时 ; 受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用 ,必须立即从产品或装备拆下来进行修理或更换时。 机械产品及零部件常见的失效类型包括变形失效、损伤失效和断裂失效三大类。本文中 减速器输出轴就是属于这种断裂失效。 失效分析预测预防的总任务就是不断降低产品或装备的失效率 ,提高可靠性 ,防止重大失效事故的发生 ,促进经济高速持续稳定发展。从系统工程的观点来看 ,失效分析 的具体任务可归纳为 :失效性质的判断 ;失效原因的分析 ;采取措施 ,提高材料或产品的失效抗力。 失效分析是按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动。产品或装备失效分析的目的不仅在于失效性质的判断和失效原因的明确 ,而更重要的还在于为积极预防重复失效找到有效的途径。通过失效分析 ,找到造成产品或装备失效的真正原因 ,从而建立结构设计、材料选择与使用、加工制造、装配调整、使用与保养方面主要的失效抗力指标与措施 ,特别是确定这种失效抗力指标随材料成分、组织和状态变化 的规律 ,运用金属学、材料强度学、工程力学等方面的研究成果 ,提出增强失效抗力的改进措施。既能得到提高产品或装备承载能力和使用寿命 ,又可做到充分发挥产品或装备的使用潜力 ,使材尽其用 ,这是产品或装备失效分析、预测预防研究的重要目的与内容。 材料科学的兴起、先进测试技术的应用以及近代物理、化学等的全面发展，使得人们能够从微观方面阐明产品失效的本质、规律和原因。近半个世纪所积累的失效分析知识与技术千百倍于人类前期有关知识的总和。但这种知识必然随着人类生产实践和科技进步而不断发展。虽然由于科技的发展，产品在设计、生产、使用与维修上的技术改进，使得产品的自动化程度愈高、技术愈密集，一旦出现失效，造成的损失就愈严重。因此失效分析将随着科技的高速发展显得更为重要。 5 Pro/ENGINEE 是 1985 年美国波士顿 PTC 公司开发出来的参数化建模软件，目前已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了 Pro/ENGINEER WILDFIRE 3.O。它包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。而且 Pro/ENGINEER 还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境 ，本文所进行轴的结构分析就是基于 Pro/ENGINEER 这一软件。 轴几乎是任何一种机械零件中不可缺少的重要零件之一 ,是最常见的失效零件 , 某厂一批减速器在使用不到半年内的齿轮轴相继发生几起断轴事件，而且断轴现象十分相似，给该厂造成了严重的经济损失。我们通过对减速器中的齿轮轴的宏、微观分析和结构分析，了解该轴的应力分布情况，找出应力集中部位，分析该系列轴断裂的原因 ,在此基础上充分利用 PRO/E 技术进行进一步的应力分析 ,以验证宏、微观分析结果 ,再利用 PRO/E 技术进行轴的优化设计 ,达到改进轴的目的。这样既能保 证设备的正常使用，提高工厂的经济效益，有很高的实用价值，而且为轴失效问题的分析可提供有效的参考资料。 6 第 1章 失效分析概论 1.1 失效分析的概念 所谓失效，按照国家标准 GB3187 一 82可靠性基本词术语及定义，就是 :“产品丧失规定的功能”，对可恢复产品通常也称故障。为了研究失效的原因，确定失效的模式或机理，并采取补救或预防措施以防止失效再度发生的技术活动与管理活动，叫作“失效分析”。因此失效分析是可靠性工程的重要组成部分，也是保证产品可靠性而需建立的反馈系统的重要环节。 1.2 失效的类型 机械零件在使用过程中虽然有各种形式的失效，但多数是疲劳失效。机械零件的使用寿命在很大程度上取决于其疲劳特性，有的资料报导，在整个机械零件的失效总数中，疲劳失效占 80 90，具体的比例数字视工业部门的性质而定。轴几乎是任何一种机械中不可缺少的重要零件之一，用来支撑旋转零件或通过旋转运动来传递动力或运动。轴件失效形式可分为以下三种： 过量变形 即轴件在使用过程中产生超出设计允许的过度变形，这种变形可能是弹性变形，如车床主轴和幢刀刀杆因刚度不足发生大弹性变形影响加工精度的情形，也可 能是塑性变形，即由于设计失误或使用不当，使得轴发生不可恢复的过量的残余变形。 断裂 轴件在外加载荷或其它环境因素 （温度、腐蚀性介质等）相互影响共同作用下，发生断裂破坏。与其它失效形式相比，断裂同样是最危险的，其中疲劳断裂也是最常见的形式。轴类疲劳失效的比例要比前面所述的要高。 表面损伤 即零件由于磨损、腐蚀、接触疲劳及其复合作用下造成表面尺寸及粗糙度的变化，出现腐蚀坑、麻点、剥落等，使得零件接触精度降低，振动增大，最后 7 完全丧失功能。 1.4 失效分析的思路 失效分析思路是对于己经发生的事故 考虑从什么地方开始，沿着什么样的程序去分析研究故障现象的因果关系，确定事故原因，完成分析任务。断裂失效分析思路一般是断裂失效事故 故障件裂纹或断口分析 力学性能分析 显微组织分析 结构受力分析 使用维护分析。必要时可进行工艺分析、材料成分分析、环境分析、相结构分析和残余应力分析。 1.5 断裂失效分析的一般程序 失 效 ( 故 障 ) 发 生调查加工和服役历史 现场调查及残骸分析判断首先破坏件初步观察 制定分析方案制备复形及截取试样 宏观断口分析 无损检测分析金相分析 微观断口分析 化学成分分析常规力学性能测定确定失效性质制造件和使用件的统计分析零部件应力分布测定及计算有关失效抗力指标的 测 定定量断口学 分 析找出具体的表达式模拟试验复合设计综合分析确定失效原因提出改进措施进行生产考验 8 图 1-1 1.6 失效分析的过程 1调查研究 （ 1） 向机器操作者调查破坏过程，观察破坏现场，了解破坏构件在机器的部位和工作情况。 （ 2）向生产工人和技术人员调查 构件的生产工艺历史和工艺参数。 （ 3）向设计人员调查构件的设计过程和设计计算。 （ 4）外观检查，观察破坏构件的外形特征。 （ 5）服役条件、工作环境等的综合分析。 2断口分析、破面分析、变形量测定 （ 1）断裂试样的正确选择及切取。 （ 2）断口的宏观分析。 （ 3）断口的微观分析。 3内在质量的检验 （ 1）低倍检验 :主要检查夹杂、气孔等低倍检查项目。 （ 2）金相组织分析 :检查破断零件的裂纹分布及走向，金相组织是否正常。 （ 3）材料的化学成分分析 :主要复验材料的化学成分是否合乎零件的要 求，以及杂质、 偏析和可能引起问题的微量元素在材料中的含量及大致分布。 （ 4）机械性能测定 :主要复验材料的常规机械性能是否合格，据构件破坏 部位的几何形状、应力分布情况、负载的变化等情况与该类情况下的静 /动机械性能比较。 4判明失效的原因 :据上面的调查研究及实验检查结果，综合分析造成构件失效的原因。 5提出改进措施 6实际运行考验 9 第 2 章 齿轮轴的失效分析 2.1 减速器齿轮轴概论 减速器齿轮轴是减速器的关键部件。减速器广泛应用于起重运输、冶金、矿山、水利、各种机械、油田、农业等行业，由于工作条件恶劣 ，过载时间长，加之频繁的正转和反转，经常在轴肩处产生裂纹，最终导致断裂事故，给生产及安全造成很大的影响。为此，我们对减速机输出轴的失效原因进行了比较系统的分析，并采用 PRO E 建模、 ANSYS 有限元分析对减速机输出轴进行了优化设计，使减速机的工作性能达到最优的同时，大大减短了设计周期，降低了设计成本在实际应用中得到了良好的效果 。 其 种类繁多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器；按照传动级数不同可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。 本文设计的减速器如下图所示。 10 图 2-1 减速器装配图 2.2 化学分析 通过对断轴进行化学成分分析，得出结果见表 2-1 表 2-1 齿轮轴化学成分分析结果 元素 C S3H2 Mn P S Cr N3H2 MO 百分比 0.20 0.27 0.47 0.010 0.010 1.69 1.38 0.27 上表所列化学成分分析 结果表明，制作齿轮轴的钢质纯净。硫、磷含量低，轴的成分无明显差异，且符合该齿轮轴材质的设计要求。 2.3 力学性能分析 2.3.1 硬度 对断列齿轮轴横截面的夹层、 1/2 半径处和芯部进行硬度测试，测试结果见表 2-2 表 2.2 齿轮轴横截面硬度测试结果 11 测试位置 轴 3H2 测试值 平均值 1 2 3 表层 32 36 34 34 1/2 半径处 23 24 22 23 芯部 12 14 14 13.3 2.3.2 拉伸试验 从齿轮轴断列表面附近截面取坯料两快，按国家标准加工成拉伸试样，然后，在万能试验机上测试强度和塑性。测试结果见表 2.3 表 2.3 齿轮轴材料拉伸试验结果 性能名称 齿轮轴 测试值 平均值 1 2 a(MPa) 975 975 975 b(MPa) 1070 1080 1075 (%) 13 12 12.5 12 W(%) 45 47 46 与图纸上对该轴性能要求相比较，上表的拉伸实验结果也基本满足齿轮材质性能要求。同时也显示该材料性能比较均匀，各项指标差别很小。 2.4 宏观分析 2.4.1 机械加工状况 失效零件的断口，总是如实地记录着从 裂纹的萌生、扩展到最后分离的整个断裂过程的各种有用的信息，所以通过对断口的检查分析，可以了解破断的全貌、裂纹和零件形状的关系、断口与变形的关系、断口与受力状态的关系，初步判断破断起源位置、破断性质和原因，缩小进一步分析研究的范围，可为进一步分析取样部位和数量的确定提供线索和依据，有助于找到导致零件断裂的原因，因此断口分析往往是失效分析过程中比不可少的一步。 轴的表面和齿面加工较好，很光滑，但在截面的突变处，即台肩处和键槽角部加工十分粗糙，刀痕严重，且向轴内凹进，形成天然裂纹源，如图 图 2.2。 图 2.2 轴的断裂处 13 （ a）（轴 3H2） 125 （ b）（轴 3H2） 125 图 2.3 台肩处 (a) (b)和键槽角部凹进车刀口 图 2.4 截面突变台肩断裂处 凹进的车刀口，会造成极大的应力集中，是造成齿轮轴断裂的重要原因，致使断裂位置都在截面突变的台肩处，见图 2.4。 2.4.2. 断面形貌 齿轮轴断裂表面的形貌是一个扭转弯曲疲劳断口形态。轴的断裂面形貌见图 2-5a)d)。断裂面形貌明显表现出如下特点 : 最后断裂区很小，说明承受的工作应力小。 最后断裂区是纤维状，有撕裂，表明齿轮轴材料塑性较好，与力学性能测试结果基本一致。 有疲劳弧线，说明该轴是受疲劳应力而断裂。 键槽角部有脊岭，此处为疲劳源点，有很大应力集中。 14 图 2.5 轴的断裂面形貌 2.5 微观分析 2.5.1 扫描电镜测试 对断裂表面边缘脊岭处，键槽角部及最后断裂区进行了扫描电镜观测， 其断口形貌如图 2-5（ a） -(c)边缘脊岭处有轮胎痕迹 (图 2-5a).这是由疲劳裂纹的两边断口在循环应力作用下，作规则反复顶撞断面上的棱边或断口上的硬质点，在相对面上留下的印记，这进 一步证明了该轴为疲劳断裂。 键槽角部为解理和准解理形貌 (图 2-6a)，且有许多第二相质点 (即夹杂物 )，有些还较大。疲劳裂纹扩展过程中表现为脆性，这与断面比较平坦相对应。 15 100 500 解理及准解理特征断口形貌 形貌中河流较短，有撕裂岭， 上部有少数韧窝 （ a） （ b） 500 500 有块状缺陷，说明有夹杂 含有夹有白色和灰白的块状缺陷， 有可能存在非金属夹杂 （ c） （ d） 16 图 2.5 轴 键槽角部 的微观 形貌 第 3 章 齿轮轴的有限元分析 3.1 建模 3.1.1 模型的建立和分网 轴类零件主要是旋转体，如果是采用自顶向下的实体建模方法，即分别创建各个轴段，然后再用布尔运算将它们组成一个整体，这就要不断的变换坐标系以创建圆柱体，而且各处的 倒角和卸载槽也不好直接创建，因此用自底向上的方法来建立实体模型 :首先用线勾画出轴类零件的大致的轮廓，然后进行倒角、过渡圆角和卸载槽等的创建，也就是创建轴的纵截面轮廓 ;接着将轮廓创建为面，旋转即可得到轴的大致外形的实体模型 ;最后只要将键槽部分实体创建，二者进行布尔运算中的“减”运算即可。 模型实体创建完毕，接下来是网格的划分，由于轴类零件的不同部位的应 17 力和形状都不同，因此有必要对其进行适当的分区。分区不但使得复杂结构的有限元网格自动划分成为可能，而且便于施加边界条件。分区时在模型的几何形状和载荷突变的地方，以 及几何结构的对称面位置构造中间面，定义在中间面必须生产网格，以保证各区内单元参差不至于过大，分布尽量均匀，且尽量对称平衡。 由于轴类零件特有的对称性，从图上可看出来，如果只有一个键槽，则整个实体关于键槽的中间截面对称。如果有两个键槽，则整个实体关于键槽的中间截面对称，并关于两个键槽的对称面对称。所以本文在模型的建立过程中，均只是先建立其中的一部分，比如 1/4 的轴体 (有两个键槽 )或 1/2 的轴体 (有一个键槽 )。对其进行建模、分区和划分网格，最后才对其进行两次或一次实体及网格的镜像，最后将重合处的面、线和节点合并 即可，则整个的模型和网格建立划分完毕。 由于轴类零件的应力集中在卸载槽 (或过渡圆角处 )，对其进行了网格细分。另外由于卸载槽旁边是与配合齿轮啮合的接触面 (如图 3-1)，故也需要对其进行网格细分。主要还是卸载槽或过渡圆角的地方不好划分映射网格，这个地方有几种划分方案，其中以图 3-2 表示的最为优秀。 图 3-1 1/4 的轴体外形 图 3-2 卸载槽处的网格划分形式 18 为便于网格的划分，把轴划分为里层和外层 (如图 3-3 )，外层部分因为在卸载槽或过渡圆角处和轴与齿轮装配处是受载荷的部位，且有可能是应力集中处， 故网格划分得比较密集，但是里层就没有必要那样划分，这里就可以采用过渡网格或自由网格的划分方式，然后采用扫掠的网格生成功能即可，这样可以节省计算机的资源和计算时间，达到有的放矢。 图 3-3 轴横切面的网格划分形式 由于轴类零件较多，如果是每根轴单独地建立模型和分析，需要花费大量的时间和计算机资源，为了减少工作量，故考虑通过运用 ANSYS 程序附带的二次开发设计语言 APDL 对这一系列轴进行完全参数化的自动建模、分网和计算分 析，其中所包含的参数包括外形参数、定位参数、分区参数、网格划分参数、载荷参数、材料参数 、和载荷数值等等。 为了减小整个分析文件的大小，使得在更改参数的过程中便于理解，对其整个分析文件进行了模块化的分解，也就是对其又分解成几个小的模块 :参数的设置、模型的建立、网格的划分、载荷及约束的加入、计算分析几个模块 (如图3-4 )，与之对应的 APBL 文件同样也分为几个比较小的文件，也就是把原来的一个比较大的分析文件分解成这几个模块相对应的小文件，每一个文件具有相应的功能。每个模块进行完成后只要实时存盘，用户就可以随时对模型的建立和网格的划分以及载荷的加载等模块单独进行参数的更改。当然，进行完一个分析后只要更改载荷的加载模块中的载荷参数，就可以分析不同的工况下的应力情况。如果对模型建立的参数进行更改，则是对不同的轴进行有限元分析。网格的划分也可以根据需要对划分的段数进行设置，总结参数化分析的功能如 下。 1更改模型建立模块中的参数，可以实现不同的轴的模型的建立。 2更改分网模块中的参数，可以控制模型网格划分的疏密程度。 19 3更改加载模块中的载荷参数，可以实现不同工况下的计算。 图 3-4 分析过程的模块化 3.2 对轴实际际模型的分析 通过对断轴的设计模型的有限元计算，发现在设计上均是合理的，其中 2轴卸载槽根部的应力较大，仍然小于材料的许用应力。由于轴是在国内加工，在制造过程中不可能保证完全按设计图纸来进行加工。既然理论模型没问题，那么实际模型就值得怀疑了，因此本文决定对断轴的实际模型同样也进行有限元分析。为了了解轴断裂的全部可能，对断轴的卸载槽处的断口取截面，可获取轴实际加工的卸载槽形状 (见图 3-5)，与设计图相比，从中可以看得出明显与图纸上设计的形状有很大区别。 a）设计尺寸图 b）实际尺寸图 图 3-5 轴卸载槽 由于实际形状与设计模型不同，对斜载槽处的模型和网格必须重新建立和划分， 模型见图 3-6，为综合分析，除了不考虑方位的影响外，载荷也同样按照 20 前面所述的三种工况进行计算。 图 3-6 轴实际模型卸载槽处网格图 图 3-7 轴受力部位示意图 对轴进行 ANSYS 分析，结果如下图 3-8 所示。 21 图 3-8 轴的应力分布图 3 3 改进建议 采用 R6 的过渡圆角后，并减少配对键的长度，改进后的示意图如图 3-9 所示。 图 3-9 键的修改示意图 此改进使得键槽承受载荷的端部避开过渡圆角的部位，可以让所有轴的过渡圆角根部和键端部接触处的应力水平与原来图纸上设计的卸载槽方式 以及采用原来的键长的方式相比均有较大程度的降低，可以减少过渡圆角根部的应力集中，但是也不能随意地减少键的长度，因为减少到一定的程度，与键接触的键槽面积也减少，导致承受载荷过大，也会造成键槽上应力集中。 3.4 小结 1 通过对轴的应力分布图的分析可知：轴应力较大的部位同样在齿轮装配的卸载槽处键槽附近。与以上的应力分析正好吻合。 22 2断轴在对应工况下，其应力水平小于同类轴。根据断口分析结果，轴主要因键槽根部与卸载槽交汇处存在因加工引起的初始裂纹源，导致两轴出现疲劳破坏而断裂。由于材料的疲劳寿命分散性很大， 在应力水平相差不大的情况下，轴的疲劳寿命与加工制造质量有很大的关系。 3通过键槽过度圆角和键长的修改，使应力集中的几率减小了很多，最大降幅为 64.1%,效果很明显。 设计心得 毕业设计是对我大学三年学习的一次综合考试。 通过毕业设计，加深了我机械专业的理解，深刻体会到了工程技术人员这几个字的分量。 通过毕业设计，我学到了很多东西：如何学习，如何合作，如何做人。 学无止境，此刻我更能体会这四个字深刻含义。大学即将毕业，但我要学仍然还有很多。在毕业设计暴露出来的问题，在今后的工作生活中应当引以为鉴，努力 克服。在今后的工作学习中，应该坚持不懈的学习。 通过毕业设计，也增强了我的自信心。我也相信能够胜任以后的工作岗位，在工作中学习，在学习中工作。 毕业设计中的挫折和喜悦，经验与教训将会是我今后工作的一笔重要财富。 23 参考文献 1 张栋 .失效分析 M. 北京 :国防工业出版社 ,2004:6-10 2 孟昭蓉 . 2000 年世界航空安全形势回顾 .专题报道 , 2000: 285 页 3 张峥 .失效分析程序 J.理化检验 -物理分册 , 2005,41:21-23 4 张栋 .机械失效的实用分析 .北京 :国防工业出版 社 ,1997:15-18 5 Yueda.Analysis of tjermal elastic-plastic stress and strain during weldingJ.Trans.Japan Welding Soc,1971.2 (2 ):90-94 6 尹柏生 . 有限元分析系统的发展现状与展望 EB/OL /CAE/2004-05 7 张洪信 . 有限元基础理论与 ANSYS 应用 M.北京 :机械工业出版社 ,2006,34-35 8 土大伦 ,赵德寅 ,郑