大模数齿条齿根应力计算方法研究及测试

目前,尚缺乏模数超过50 mm的齿条齿根弯曲应力计算方法。为提高大模数齿条齿根应力计算的准确性,依据齿根疲劳裂纹扩展轨迹对折截面法进行修正,建立新的折-平截面齿根应力计算模型,并首次引入应力渗透因子标识折截面的宽度,采用积分迭代法推导出齿根弯曲应力和齿根压缩应力计算公式。对影响折-平截面法计算准确性的因素进行分析,研究折截面角、应力渗透因子和弯曲力臂长的计算方法;由模型计算得到的齿条齿根截面上各点的应力解析值与有限元计算得到的数值解基本一致。依托三峡升船机齿条试验平台对齿条齿根弯曲应力进行测试,应用最小二乘法拟合出转矩与齿根应力的关系,并得出名义转矩下的齿条齿根应力。将测试值、数值解与解析解进行对比分析,结果表明:折-平截面法的解析解误差约为5%,更接近实测值。提出的折-平截面法可用于齿根应力计算。

三峡升船机大模数齿条试验装置载荷施加与控制策略研究

根据三峡升船机的工作原理,分析了各种工况下电动机的工作模式和齿轮齿条传动的受载齿面,并针对三峡升船机全平衡垂直结构的设计,分析了附属设备对齿轮齿条驱动装置负载构成的影响,确定了试验台采用水平对称和滑动导轨承载结构设计的合理性和优越性。通过对电机拖—推、拖—拖、推—拖、推—推驱动控制方式的自由组合设计,实现了对齿条加载齿面和载荷大小的全面控制,可灵活满足试验过程中对载荷施加变化的要求。根据设计载荷,最终确定了阶梯加载或等效载荷加载的试验载荷施加方案,保证了试验结果的可靠性。针对试验台采用双向往复运动电功率封闭的设计,也可有效节省能源,大大降低试验成本。

大模数齿条裂纹等离子弧熔覆修复试验

针对齿轮齿条爬升式升船机大模数齿条大裂纹缺陷,采用等离子弧熔覆技术进行了裂纹修复试验研究。试验件基材为40CrMo钢并预制裂纹,熔覆填充材料为Fe35合金粉末,研究了等离子弧熔覆电流、等离子气流量、氩气流量、预热温度和扫描速度等工艺参数对熔覆层性能的影响,并采用显微硬度计、摩擦磨损测试仪及材料高温性能试验机,检测熔覆层硬度、摩擦磨损和抗拉性能。结果表明,等离子弧熔覆最佳工艺参数为:扫描速度150 mm/min,预热温度150℃,熔覆电流120 A,离子气流量5 L/min,氩气流量10 L/min,熔覆层横截面硬度比基材的提高14.0%,磨损量比基材的少78.9%,抗拉强度达到1 096 MPa,伸长率为9%,熔覆层致密性良好,无裂纹和气孔等缺陷。

大模数齿条加工方法优化

大型齿条的加工过程中变形总是不同程度存在的,严重的变形将直接影响齿条的加工精度,文章重点从以下几个方面进行简要的分析与总结,供入参考。

垂直升船机大模数齿条表面裂纹等离子熔覆有限元数值模拟

三峡升船机主驱动齿轮齿条模数为62.667mm,齿条采用42CrMo4V、材料,齿条长期承受交变载荷,裂纹将进一步扩展。为了防止齿条裂纹进一步扩展,采用等离子熔覆技术对大模数齿条裂纹进行修复。采用有限元法模拟等离子熔覆裂纹修复过程,得到熔覆不同时刻工件温度场及应力场分布情况。对比扫描速度和预热温度对工件应力场的影响,得出T=150℃、v=2mm/s、v=6mm/s时,熔覆层最大等效热应力小于材料的屈服强度,工件塑性变形量较小,工件开裂倾向较小。故将工件预热到150℃,并将扫描速度控制在2mm/s~6mm/s,可以有效防止熔覆过程中裂纹的产生。

大模数淬火齿条表面裂纹扩展规律及寿命预测研究

针对大模数齿条的疲劳寿命难以精确计算问题,对大模数表面淬火齿条的裂纹扩展规律进行了研究。建立了含共线初始双裂纹的齿条FRANC3D模型,齿条啮合区离散为15个区域载荷;分析了表面感应淬火齿条硬度分布、残余压应力分布对疲劳裂纹扩展寿命的影响,推导了齿条的断裂韧度K_(IC)与应力强度因子门槛值△K_(th);运用FRANC3D软件,对双共线初始裂纹在三种水平间距下的裂纹扩展、联通、继续扩展过程进行了仿真,得出了应力强度因子幅值△K随裂纹深度a扩展的表达式;根据裂纹扩展速率da/dN与△K、K_(IC)、△K_(th)的关系,预测了三峡升船机齿条的寿命N。研究结果表明:齿条满足疲劳寿命要求,但表面感应淬火降低了齿条的疲劳寿命;硬度分布对于裂纹扩展的促进作用大于残余压应力的抑制作用。

重载齿轮齿条齿形设计与齿根应力计算方法研究

重载齿轮齿条模数大,设计缺乏成熟的计算软件。文中从开式齿轮的断齿和磨损两大失效形式的角度,提出了齿轮齿条特殊齿形设计及齿轮齿条齿根应力的快捷计算方法,并将齿根应力快捷计算结果与有限元计算结果进行了对比,进一步证实了设计方法的可行性。