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抛喷丸机强化在风电齿轮的应用

文章出处:未知 编辑:抛丸机发表时间:2017-10-1 15:24:08 浏览人数:994,1,0
摘 要:齿 根 部 位 是 齿轮 件 主 要 的 承 载 部 位,其 应 力 大 小 直 接 影 响 齿 轮 的 使用 寿命。喷 丸 强 化 能 有 效增 加 表 面 的残 余 压 应 力,提 高 齿 轮 的 接 触疲 劳 强 度 和 抗 弯 强 度。本 文分 析 了 齿 根 的 应 力 状 态 并 建立 数 学 模 型,通 过对 风 电 齿 轮 喷丸 强 化 前 后 的 实 验对 比 进行 研 究,为 提 高 轮 齿 的 抗 疲 劳 强 度 提供依 据。

引言 :渐开线齿轮是风电机组最常用的零件,在设备运行时长期处于交变应力下,齿根的应力大小将直接影响齿轮的承载能力和使用寿命。国内外很多企业采用表面强化工艺来提高齿轮的抗疲劳性能,延长使用寿命,常用的方法是对表面渗碳层进行喷丸强化,使表层产生一定的塑性变形,形成有利的残余压应力场来有效地提高齿根的承载能力。本文通过对风电齿轮在喷丸前后残余压应力的变化进行对比研究,为进一步推广强力喷丸这种既简单又经济的表面强化工艺作了一些探讨性的工作,为提高齿轮的抗疲劳强度提供了依据。

1、齿根应力计算数学模型:
  目前国内对齿根应力的数值分析大多采用基于延伸渐开线等距曲线的折截面法和平截面法进行数学求解,其中折截面法比平截面法精确。本文采用折截面法作为齿根应力计算的基础公式,基于任意转角位置的渐开线齿廓数学模型,建立齿根任一点局部应力的折截面法计算模型如下:
模型计算公式
s一F力作用线与轮齿对称线的垂线之间的夹角,rad
s一F力作用线与轮齿对称线的垂线之间的夹角,rad
    其中,x, y为过渡曲线上待求点的坐标值,其他变量的意义见参考文献就齿轮而言,最大的剪切应力出现在齿根部和齿轮过渡区圆角半径处。通过对渐开线轮廓构成参数的分析,发现各参数值的改变均能对齿厚值和曲率半径变化率产生影响,进而对齿根的应力最大值产生较大的影响。
  齿根处齿厚值是齿根应力最大值的重要影响因素,增加齿根齿厚能有效地减小齿根应力最大值。但是,当曲率半径发生突变时,齿根应力也将同时发生相应的突变,容易产生应力集中,降低齿根的弯曲强度。因此,在现阶段通过设计途径来增加齿轮的承载能力还有待于进一步的研究,而在工艺上采用喷丸强化的工艺来提高齿轮的工艺性能就显得格外重要。利用喷丸强化来改善零件的抗疲劳属性和延缓、阻滞应力腐蚀裂纹形成已被以下机构确认证实[3J    (1)美国机械工程师学会    (2)美国船舶局    (3)美国石油协会    (4)美国国际腐蚀工程师协会。

2、喷丸强化的工艺原理:
  喷丸强化是一个冷处理过程,即无数个小圆形的钢丸连续捶打零件表面,在工件表面形成小压痕或凹陷。由于产生凹陷,金属表层必定会产生拉伸。表层下压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状,从而产生一个高度压缩力作用下的半球,于是无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层喷丸强化除了产生塑性变形的效果外,还有伴随残余奥氏体的形变诱发相变进而发生膨胀产生压应力的效果,是目前各种表面强化工艺中提高和改善渗碳钢疲劳断裂抗力最有效、应用最广泛的一种强化工艺。

3、实验过程:
3.1、齿轮和喷丸设备:
 实验齿轮材料为1 fCrNiMo7 ,渗碳淬火热处理,齿面硬度HR59一能,设备选用压缩空气喷丸机。丸粒的直径和硬度对残余压应力值和应力层深有一定影响,为了控制喷丸后的齿面粗糙度,采用0.5mm~0.8mm,HRCS~63的钝化钢丝切丸,沿齿廓进行喷射,利用0.20mmA一0.70mmA的喷丸强度进行对比分析,喷丸覆盖率大于200%。压缩空气喷丸机喷嘴见图1.
图1:压缩空气喷嘴

图1:压缩空气喷嘴
3.2、喷丸实验方案:
3.2.1、测试部位:
  主要选择齿廓大、中、小端的齿根。对齿廓的具体测试部位,选择齿向和垂直向进行残余应力测试。
3.2.2、侧试内容:
  主要针对未喷丸、高强度喷丸及一般喷丸的残
表1:齿轮残余应力测试结果记录
表1:齿轮残余应力测试结果记录
余应力进行实验研究,具体内容与标注说明为:未喷丸—N未喷;高强度喷丸—N喷丸;一般性喷丸—N普喷丸。
3.2.3、测试方法:
  选用X射线应力仪测试残余应力,测试设备为日本29(T5X射线应力仪,射线管电压为30kV,射线管电流为ymA,测试实行标淮为GB77t4-87。

4、实验结果及分析:
4.1、实验结果:
  实验重点侧试齿廓中段齿根的残余应力。为了准确掌握喷丸工艺对齿轮应力状态的影响,分别测试了相同条件下的高强度喷丸、一般喷丸和未喷丸三种齿轮的齿根的残余应力。测试点的具体部位和结果见表1。
4.2、测试结果分析:
 4.2.1、垂直向分析。齿根垂直向残余应力的类型和大小对轮齿的承载能力有着重大影响。图2是各试件齿廓齿根垂直向残余应力的测试结果。
图2:齿根垂直向残余压应力测试结果
图2:齿根垂直向残余压应力测试结果

    1、2、3号试件分别表示N喷丸、N未喷丸和N普喷齿轮的残余应力。测试结果表明:喷丸齿轮的大、中、小端齿根的残余压应力远比未喷丸的大,喷丸和普通喷丸的残余压应力无明显的差别。另外,从这些试件的大、中、小段残余应力的测试结果来看,中段齿根的垂直向残余应力明显大于大、小端齿根垂直向的残余应力(未喷丸的几乎接近)。  
 4.2.2、齿向分析。齿根残余应力状态由其垂直向和齿向的残余应力决定。图3为各试件齿廓中段齿根齿向残余应力的测试结果。
图3:齿根齿向残余应力
图3:齿根齿向残余应力
    从图中可以看到,各试件的残余应力状态均为压应力,喷丸的、未喷丸的和普通喷丸的残余压应力状态无明显的差别。
4.2.3、齿向和垂直向残余应力比较。图4为各试件齿廓中段齿根垂直向和齿向的残余应力测试结果对比图。
图4:齿根中段残余应力

图4:齿根中段残余应力
    从图中大家可以发现,未喷丸的齿轮,其齿向残余应力明显大于垂直向残余应力,如2号试件。通过喷丸后,垂直向的残余应力大大提高,并且均高于其相应的齿向残余应力,如1号和3号试件。
  5、结论: 
  1)经过反复的实验,喷丸试件的残余压应力比未喷丸试件的残余应力大,建议在齿轮尤其是重载齿轮制造过程中采用喷丸工艺来提高齿轮的承载能力。
   2)喷丸后,齿廓中部齿根垂直向残余应力比齿廓大小端齿根齿向的残余压应力明显增大,这有利于改善齿廓中部的承载能力,并且大端的比小端的大,这也满足齿轮啮合承载向大端移动的趋势要求。
   3)喷丸强化能显著改善弯曲疲劳、接触疲劳和对冲性能,具有优异的综合疲劳性能,是提高变速箱齿轮等工件疲劳强度、使用寿命和可靠性的有效表面强化工艺。
   4)喷丸不仅使齿廓表面的残余压应力有所提高,更重要的是改善了齿廓表面残余应力场的分布,本次实验仅仅侧试了齿廓根部表面上的残余应力,未测试沿层深的分布状态,需要以后进一步的研究。
本文来源青岛华盛泰抛丸机:/jishu/994.html
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