冲击和振动

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冲击和振动/2020年/文章

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体积 2020年 |文章的ID 3426504 | https://doi.org/10.1155/2020/3426504

梁董,孟盛,易陈,程力华, 残余应力和弯曲强度的实验分析齿表面喷丸处理后”,冲击和振动, 卷。2020年, 文章的ID3426504, 10 页面, 2020年 https://doi.org/10.1155/2020/3426504

残余应力和弯曲强度的实验分析齿表面喷丸处理后

学术编辑器:Sundararajan Natarajan
收到了 2020年1月14日
修改后的 2020年5月12日
接受 2020年5月23日
发表 2020年6月10

文摘

齿表面的疲劳强度是受各种因素影响,后来影响齿轮的传动性能。通常情况下,在进行强化喷丸处理提高齿轮的性能。目前大多数研究集中在理论描述和仿真分析喷丸治疗。然而,在这篇文章中,之间的关系,强化喷丸残余应力,弯曲疲劳强度的齿轮齿面进行了讨论,通过实验方法。基于x射线应力分析,在选择测试样本上的位置,在齿轮齿面残余应力,没有决心和对比强化喷丸。结果表明,喷丸处理可以有效地提高齿轮齿面残余应力。此外,电磁共振疲劳试验机是用来分析齿表面的弯曲疲劳强度。测试结果表明,与喷丸加工齿轮的弯曲疲劳强度高于没有喷丸加工齿轮的牙齿。所得结论为进一步齿轮的实际工程应用奠定基础。

1。介绍

残余应力的部分是由各种各样的弹性和塑性变形加工过程中1]。残余应力的形成是相关的材料,形状,成型,加工技术的一部分,残余应力通常不能直接决定通过公式或经验证据。残余应力大大影响疲劳强度,应力腐蚀,零件的形状精度。近年来,许多学者利用不同的原则和方法,开展研究与残余应力,包括残余应力的测量和计算,分析残余应力在服务的关键部分,分析残余应力的新材料和新技术(2- - - - - -12]。

齿轮传动是现代工业的一个重要组成部分。相关研究逐渐集中于生产高速、重型、长寿命、低成本的齿轮传动。通常用于齿轮强化喷丸处理提高疲劳强度。目前,在喷丸加工有深入研究加强审查的发展传统喷丸加工机器和讨论新的喷丸加工方法,如激光冲击技术和超声冲击技术(13- - - - - -17]。学者们发现,喷丸处理可以改善材料的性能,因为部分表面的残余压应力分布。然而,喷丸加工之间的关系和残余应力和残余应力之间的关系和齿轮性能已逐渐成为近年来研究的焦点。

由于实验条件的限制,大多数研究在喷丸加工与残余应力之间的关系进行了基于有限元仿真分析或与机械残余应力测量方法。对齿轮强度的研究,总结结论已经得到,但是没有具体的实验数据分析。

摘要齿轮受到喷丸治疗,在喷丸加工变量控制在加工;其他齿轮来自同一批次不进行喷丸,用作比较。此外,实验研究基于x射线应力分析仪和电磁共振疲劳试验机。从这些研究结果用于确定喷丸加工之间的关系加强,残余应力和齿轮的弯曲强度。

2。残余应力比较测试

2.1。实验方案

在这个实验中使用的齿轮材料20 crmnmo,具有良好的综合力学性能。齿轮的基本设计参数如表所示1


参数

模块n(毫米) 5
牙数Z 30.
齿宽B(毫米) 50
压力角α(°) 30°
修正系数x 0
螺旋升角β
齿根半径rf(毫米) 1。9

五十齿轮从相同的批处理被随机选择和分成组和B组,进行强化喷丸处理后牙根,而B组没有进行喷丸治疗。表2显示了参数和喷丸加工过程中使用的标准。


喷丸加工标准 mil - s - 13165 c

弹体直径 CW23
喷丸强度 0.35 - -0.4一个
报道 200%

进行喷丸加工过程后,测量进行了x射线应力分析仪使用Proto-iXRD类型。三个齿轮从A组和b组位置随机选择T1T2,T3也决定的外循环装置,在这些位置相距120°。此外,两个测试点被选为每个位置。在图所示的应力分析网站1

2.2。残余应力测试

齿轮表面的残余应力检测A组和B组显示在表中3


设备数量 齿轮的位置 测试点1 (N) 测试点2 (N) 差的绝对值|Δ| (N)

B1 T1 −498 −518 20.
B1 T2 −531 −521 10
B1 T3 −540 −535 5
A1 T1 −621 −612 9
A1 T2 −572 −551 21
A1 T3 −621 −611 10
B2 T1 −511 −491 20.
B2 T2 −507 −488 19
B2 T3 −538 −562 24
A2 T1 −565 −553 12
A2 T2 −516 −529 13
A2 T3 −586 −577 9
B3 T1 −501 −486 15
B3 T2 −499 −504 5
B3 T3 −511 −498 13
A3 T1 −637 −596 41
A3 T2 −557 −565 8
A3 T3 −639 −637 2

最大应力的绝对值差异测试1和测试点2点41 MPa。显然,镜头上的残余应力较高锤头齿轮表面喷丸处理比齿轮表面没有喷丸治疗。残余应力的增加不同的残余应力分布的随机性。评估整体水平提高,我们使用了平均残余应力作为比较。A组和B组的平均应力−585.833 MPa和−513.278 MPa,分别。与B组相比,A组有14%较高的残余强度。因此,喷丸处理可以有效地提高齿轮齿的残余应力。

3所示。弯曲强度的分析锤头齿轮的牙齿

通常,齿可以简化为悬臂梁下的工作状态。考虑到正常负载在齿轮齿,弯曲应力将发生在牙齿的根;因此,裂缝经常出现由于严重的应力集中。连续裂纹扩展,整个牙齿或部分牙齿可能断裂18]。

在本节中,分析齿轮的弯曲强度强化喷丸牙齿讨论通过实验比较。

3.1。实验方案

这个实验采用高频脉动装置测试,在测试齿轮总是在试验装置处于休息状态。此外,压头应用脉动循环允许齿上的负载测试牙齿折断。这个测试使用的测试设备是茨威格/阿姆斯勒250六5100电磁共振疲劳试验机(德国),如图2。试验机的加载精度高:动载荷±0.5%,静态加载范围±150 kN,和动态单向脉动±125 kN。加载频率范围是35 - 300赫兹。

根据GB / T 14230 - 1993 (19),可以确定以下通过计算和模拟测试装置参数而夹紧装置。测试的测试进行五齿齿轮。之间的距离行动的高点和低点的行动是68.523788毫米,这是一样的公法线长度的线横跨5牙齿。在安装过程中尺寸误差控制在±0.1毫米。

这个测试采用集团和楼梯的方法。测试负载也可以分为四个水平。组的方法被用来确定对角线P-S-N曲线的一部分,和楼梯方法被用来确定曲线的直线。

负载测试是符合GB / t14230 - 1993。每个测试点的弯曲应力的循环次数在最高压力≥0.5×105。在所有的产品在一定程度上能反映随机抽样特性。测试旨在充分利用每个齿和减少加载齿轮齿的相互作用。两齿轮齿分开测试每两齿轮的牙齿,和每个齿加载相应的编号。测试齿轮可以分为两类三种编号下,坚持以下原则:(1)在本测试中,齿轮是一个一系列强化喷丸和齿轮不被定义为强化喷丸B系列。(2)根据测试顺序相同的齿轮系列,检测齿轮的牙齿被编号为1,2,3,等等。(3)测试负载水平标记。

例如,b1 - 1 - 78 kN意味着测试1号装置的第一颗牙没有喷丸治疗78 kN的负载。

测试齿轮的牙齿在一定的顺序测试。高工作的牙齿被数1、2、3和4,而相应的低工作牙齿被数1′,2′,3′,4′。

齿轮的牙齿标签如图3

停止弯曲疲劳试验的标准如下。

在测试期间,如果发生下列情形之一,然后弯曲终止:(1)齿根疲劳裂缝观测。(2)负载或频率下降了5% - -10%。(3)牙齿断了根。如果设备没有在3×10失败6压力循环,那么测试也将停止。

3.2。齿根应力计算

根据渐开线圆柱齿轮的承载能力计算方法(20.),显示了齿根应力计算方程如下: 在哪里 是名义上的切向力的节圆端面(N),b是牙齿宽度,是牙模, 是齿轮的齿形系数的行动点牙齿载荷, 的应力修正系数是齿轮齿的行动点负载下, 的应力修正系数测试装置, 根角的相对灵敏度系数, 根表面的相对条件系数,然后呢 弯曲强度计算维度系数。

4显示了计算参数设置根应力的测试。


象征 价值

B 50毫米
5毫米
1.836
2.482
2
1
1.12
1

替换上面的参数值入方程表明,根压力和负载之间的关系如下:

由于测试设备的局限性,加载压头夹和试样的不稳定。因此,为了避免这种不稳定的影响,某些最低负载,即循环性能系数 ,是在测试维护的。实际的根应该转化为压力脉动循环根压力 R= 0。转换公式如下: 在哪里 抗拉强度(N /毫米吗2)。

3.3。齿轮的弯曲疲劳强度试验没有喷丸治疗
3.3.1。测试组和数据处理方法

通过齿轮根部应力计算和初步实验,实验的负载方法确定,如表所示5


应力水平 二世 三世 四世

负载值(kN) 78年 75年 73年 72年
计算齿根应力(MPa) 579.15 556.88 542.03 534.60
齿根应力脉动(MPa) 560.80 538.84 524.21 516.90
意思是测试负载(kN) 40.950 39.375 38.325 37.800
测试动态负载(kN) 37.050 35.625 34.625 34.200
F最小值(kN) 3.90 3.75 3.65 3.60
F马克斯(kN) 78年 75年 73年 72年

测试组的方法的结果如表所示6


序数 疲劳寿命在不同压力水平
二世 三世 四世
一生 不。 一生 不。 一生 不。 一生 不。

1 52001年 b2 - 4 - 78 80295年 b16转椅- 2 - 75 189195年 b19 - 1 - 73 803965年 b1 - 3 - 72
2 54434年 十三区最- 4 - 78 150568年 b6 - 2 - 75 532257年 的energisk b18 - 2 - 73 925469年 b5 - 2 - 72
3 66220年 十三区最- 1 - 78 164084年 的energisk b18 - 1 - 75 879460年 去往b15 - 4 - 73 1346204 b4 - 3 - 72
4 81369年 b1 - 1 - 78 224971年 b9 - 2 - 75 1057880 b2 - 2 - 73 2181065 b4 - 2 - 72
5 91155年 b11 - 4 - 78 695260年 b11 - 2 - 75 1515670 去往b15 - 1 - 73 2395745 b5 - 4 - 72
6 154634年 b9 - 1 - 78 712435年 b5 - 1 - 75 1721448 b17 - 2 - 73 2857876 b11 - 3 - 72
7 170261年 b16转椅- 3 - 78 1020368 b8 - 4 - 75 1811442 b7 - 4 - 73 3000000 b19 - 2 - 72

对数正态分布和威布尔分布三参数测试进行上面的负载水平的疲劳寿命。

威布尔分布来源于模型最薄弱的一环。能够简单描述链是由许多串联链链接。当两端张力下,任何一个链接优惠和链的失败。显然,链断裂发生在最薄弱的一环。的组件,部件,设备,设备停止整个运行由于某些地方失败可以被视为威布尔分布后,疲劳强度,疲劳寿命和磨损寿命机械大多符合威布尔分布。的概率密度函数和分布函数带三个参数的威布尔分布定义为 在哪里 , , 三参数威布尔分布描述, 是一个形状参数,决定了分布曲线的形状, 是一个位置参数,它决定了分布曲线的起始位置,然后呢 是一个尺度参数,它反映了生活的分散数据。

相关系数(R)进行计算,结果如表所示7


寿命分布 一生中相关系数(R在不同的压力水平)
560.80 538.84 524.21 516.90

对数正态分布 0.9615 0.9634 0.9296 0.9667
三参数威布尔分布 0.9886 0.9758 0.9725 0.9765

带三个参数的威布尔分布表现出最好的拟合对齿轮的弯曲疲劳寿命的影响。因此,带三个参数的威布尔分布计算在每个应力水平如表所示8


应力水平 三参数威布尔分布参数
形状参数() 规模参数(η) 位置参数(r)

560.80 0.6154 43553年 50889年
538.84 0.7019 37900年 66318年
524.21 1.2976 1316760 0
516.90 0.7735 1149989 728240年

位置参数r显示设备的生命周期没有跟着强化喷丸参数威布尔分布在压力、二世和IV。这种装置也为威布尔分布遵循第三压力水平。

3.3.2。测试与阶梯法和数据处理

楼梯的测试负载方法如表所示9


应力水平 二世 三世 四世

负载值(kN) 74年 72年 70年 68年
计算齿根应力(MPa) 549.45 534.60 519.75 504.90
齿根应力脉动(MPa) 531.52 516.90 502.30 487.70
意思是测试负载(kN) 38.85 37.80 36.75 35.70
测试动态负载(kN) 35.15 34.20 33.25 32.30
F最小值(kN) 3所示。7 3所示。6 3所示。5 3所示。4
F马克斯(kN) 74年 72年 70年 68年

阶梯法的测试数据如表所示10


不。 样品没有。 负载值(kN) 一生(N×105)

1 b6 - 3 - 72 72年 4.3 72.00000 - - - - - -
2 b6 - 4 - 70 70年 30.0 71.00000 0.014080
3 去往b15 - 2 - 72 72年 2.3 71.33333 0.004673
4 b16转椅- 1 - 70 70年 1。1 71.00000 0.00469
5 b16转椅- 4 - 68 68年 30.0 70.40000 0.00852
6 b14 - 1 - 70 70年 7.0 70.33333 0.00095
7 b14 - 3 - 68 68年 30.0 70.00000 0.00476
8 b20 - 2 - 70 70年 2.7 70.00000 0
9 b20 - 4 - 68 68年 30.0 69.77778 0.003180
10 b10 - 4 - 70 70年 30.0 69.80000 0.000318
11 b10 - 3 - 72 72年 4.2 70.00000 0.002857
12 b20 - 5 - 74 74年 8.0 70.33333 0.004739
13 b5 - 3 - 72 72年 2.6 70.46154 0.001820
14 b1 - 4 - 70 70年 30.0 70.42857 0.000470
15 的energisk b18 - 3 - 72 72年 1。4 70.53333 0.001485
16 b9 - 4 - 70 70年 30.0 70.50000 0.00047
17 b9 - 3 - 72 72年 30.0 70.58824 0.00125
18 b5 - 5 - 74 74年 7.7 70.77778 0.002678

10测试表明,与6日测试点通过18测试点满足稳定错误条件如下:

上下楼梯测试结果与方法如图所示4。样品的总数量是18个,其中9了。

这个装置可以获得的平均负载F= 70.5 kN阶梯法通过计算。齿轮疲劳强度的中位数显示如下:

P-S-N曲线齿轮的弯曲疲劳强度没有显示在图强化喷丸5

结果显示在上图中,齿轮的极限弯曲强度没有喷丸治疗不同程度的可靠性下表所示11


可靠程度(%) 99年 95年 90年 50 10 5
极限弯曲强度(MPa) 444.64 466.89 477.07 504.77 523.25 527.40

3.4。弯曲疲劳强度试验的锤头装置
3.4.1。测试组和数据处理方法

确定测试负载,如表所示12。测试组方法的结果显示在表中13


应力水平 二世 三世 四世

负载值(kN) 81年 78年 76年 75年
计算齿根应力(MPa) 601.43 579.15 564.30 556.88
齿根应力修正(MPa) 582.81 560.80 546.16 538.84
意思是测试负载(kN) 42.525 40.950 39.900 39.375
测试动态负载(kN) 38.475 37.050 36.100 35.625
F最小值(kN) 4.05 3.90 3.80 3.75
F马克斯(kN) 81年 78年 76年 75年


序数 疲劳寿命在不同压力水平
二世 三世 四世
一生 不。 一生 不。 一生 不。 一生 不。

1 50892年 a8 - 4 - 81 141594年 a10 - 3 - 78 190347年 a1 - 2 - 76 543860年 第a17 - 3 - 75
2 79582年 a7 - 2 - 81 156529年 a6 - 1 - 78 194017年 a2 - 2 - 76 726517年 a19 - 2 - 75
3 111899年 a7 - 3 - 81 251908年 a2 - 1 - 78 241713年 a8 - 1 - 76 1227752 a6 - 2 - 75
4 112428年 a3 - 4 - 81 269224年 第a17 - 2 - 78 278029年 a1 - 1 - 76 1324990 a10 - 3 - 75
5 124084年 a10 - 2 - 81 342719年 a7 - 4 - 78 811387年 a4 - 1 - 76 1748937 a4 - 2 - 75
6 156865年 a11 - 1 - 81 376832年 a11 - 2 - 78 1125686 a1 - 3 - 76 1939033 a15 - 2 - 75
7 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1401843 a2 - 4 - 76 2057398 第a17 - 4 - 75
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4251335 a13 - 4 - 75

对数正态分布和威布尔分布三参数测试也进行上面的负载水平的疲劳寿命。的R值如表所示14


寿命分布 一生中相关系数(R在不同的压力水平)
582.81 560.80 546.16 538.84

对数正态分布 0.9524 0.9644 0.9323 0.9734
三参数威布尔分布 0.9767 0.9676 0.9816 0.9707

带三个参数的威布尔分布表现出最好的拟合对齿轮的弯曲疲劳寿命的影响。因此,每个应力水平的带三个参数的威布尔分布计算描述了表15


应力水平 三参数威布尔分布参数
形状参数() 规模参数(η) 位置参数(r)

582.81 2.5720 123053年 0
560.80 2.5528 292756年 0
546.16 0.3518 279014年 189939年
538.84 2.0620 1585335 0

位置参数显示击中锤头齿轮的弯曲疲劳寿命为威布尔分布是在压力,第二,第四和后三参数威布尔分布的应力水平。

3.4.2。测试与阶梯法和数据处理

通过初步测试组的测试数据收集方法,楼梯的测试负载方法得到,如表所示16。与阶梯法测试的结果也显示在表17


应力水平 二世 三世 四世

负载值(kN) 75年 74年 73年 72年
计算齿根应力(MPa) 556.88 549.45 542.03 534.60
齿根应力脉动(MPa) 538.84 531.52 524.21 516.90
意思是测试负载(kN) 38.85 37.80 36.75 35.70
测试动态负载(kN) 35.15 34.20 33.25 32.30
F最小值(kN) 3所示。7 3所示。6 3所示。5 3所示。4
F马克斯(kN) 75年 74年 73年 72年


不。 样品没有。 负载值 (kN) 一生(N×105)

1 a13 - 2 - 75 75年 3.83 75.00000 - - - - - -
2 a13 - 1 - 74 74年 30.00 74.50000 0.006710
3 a12 - 1 - 75 75年 3.49 74.66667 0.002232
4 a13 - 3 - 74 74年 30.00 74.50000 0.002240
5 a12 - 2 - 75 75年 3.54 74.60000 0.001340
6 a16 - 1 - 74 74年 6.09 74.50000 0.001340
7 a6 - 3 - 73 73年 30.00 74.28571 0.002880
8 阿- 2 - 74 74年 3.57 74.25000 0.000480
9 a20 - 1 - 73 73年 30.00 74.11111 0.001870
10 a20 - 2 - 74 74年 30.00 74.10000 0.000150
11 a20 - 3 - 75 75年 1.65 74.18182 0.001103
12 阿- 1 - 74 74年 6.25 74.16667 0.000200
13 a6 - 4 - 73 73年 7.89 74.07692 0.001210
14 a4 - 4 - 72 72年 30.00 73.92857 0.002010
15 a12 - 4 - 73 73年 30.00 73.86667 0.000840
16 a20 - 2 - 74 74年 30.00 73.87500 0.000113

17测试表明,该楼梯与第三通过16个测试点th测试点满足稳定误差

楼梯的上下测试结果方法如图6。样品的总数是16个,其中8了。

这种类型的齿轮的平均负载可以获得F= 73.875 kN阶梯法通过计算。齿轮疲劳强度的中位数显示如下:

P-S-N曲线的齿轮喷丸治疗是显示在图7

18显示了齿轮的极限弯曲强度与喷丸治疗不同程度的可靠性,根据图7


可靠程度(%) 99年 95年 90年 50 10 5
极限弯曲强度(MPa) 508.46 517.06 520.90 531.09 537.69 539.15

3.5。结果与讨论

根据可靠性理论,P-S-N曲线的齿轮,没有喷丸治疗,这些齿轮的弯曲疲劳强度不同可靠度下可以获得。结果总结在表19


可靠程度(%) 99年 95年 90年 50 10 5
弯曲疲劳强度测试(MPa)强化喷丸 508.46 517.06 520.9 531.09 537.69 539.15
弯曲疲劳强度试验没有(MPa)强化喷丸 444.64 466.89 477.07 504.77 523.25 527.40
弯曲疲劳强度增加(%) 14.35 10.75 9.12 5.21 2.76 2.23

喷丸治疗弯曲疲劳强度提高了14.35%,99%的可靠性程度。残余应力测试表明,残余压应力在锤头齿轮根(A组)是14%高于齿轮根部没有喷丸加工(B组)。齿轮残余压应力的平均值和不喷丸加工−585.5 MPa和−513.3 MPa,分别。数据表明,残余压应力层分布的根源齿轮喷丸治疗后的牙齿可以有效提高齿轮轮齿弯曲疲劳强度。

进一步研究分析后齿轮轮齿表面的微观结构和表面粗糙度进行强化喷丸。不同喷丸加工条件的影响,微观结构和表面粗糙度也将进行分析。

4所示。结论

之间的关系,强化喷丸残余应力,弯曲疲劳强度的基础上,论述了齿轮齿面实验研究。基于x射线应力分析,对齿轮齿面残余应力和不喷丸治疗测定和对比。A组的平均残余应力(喷丸治疗)和B组(不)强化喷丸−585.833 MPa和−513.278 MPa,分别说明喷丸残余应力增加14%。因此,喷丸处理可以有效地提高齿轮齿的残余应力。齿表面的弯曲疲劳强度还与电磁分析共振疲劳试验机。测试结果表明,与喷丸加工齿轮的弯曲疲劳强度高于没有喷丸加工齿轮齿;喷丸处理齿轮的弯曲疲劳强度提高了14.35%,99%的可靠性程度。因此,数据表明,残余压应力层分布的根源齿轮喷丸治疗后的牙齿可以有效提高齿轮轮齿弯曲疲劳强度。

数据可用性

所有生成的数据或分析在这个研究包含在本文中。

的利益冲突

作者声明没有潜在的利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号51975078),重庆城市的基础研究和前沿探索计划(批准号cstc2018jcyjAX0029)和重庆市教委科学技术研究项目(批准号,KJQN201902502和KJQN201900736)。金融支持是感激地承认。

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