試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸微動(dòng)損傷及動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)動(dòng)軸是重要的傳動(dòng)部件，在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中，往往承受著交變的彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。由于不同材料結(jié)構(gòu)的剛性差異，在載荷作用下，軸和與之過(guò)盈配合的軸承內(nèi)圈、軸承座等會(huì)出現(xiàn)差異化的變形，從而導(dǎo)致接觸面間產(chǎn)生微動(dòng)行為，造成微動(dòng)損傷。
　　作為JD-1輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)機(jī)）夾具的重要傳動(dòng)部件，轉(zhuǎn)動(dòng)軸在試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中承受了周期性的垂向載荷和扭矩，由于載荷的作用導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)軸在與左右兩端軸承過(guò)盈配合面處出現(xiàn)了嚴(yán)重的微動(dòng)損傷，并

2、進(jìn)一步導(dǎo)致過(guò)盈配合面的松動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)軸表面裂紋的萌生，影響了試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)效果和轉(zhuǎn)動(dòng)軸的疲勞壽命。因此，開(kāi)展轉(zhuǎn)動(dòng)軸微動(dòng)損傷的研究具有重要的意義。另外，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)特性在一定程度上影響了夾具在試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的模態(tài)振型等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)與其與軸承內(nèi)圈之間的相對(duì)位移也存在一定的相關(guān)性，從而對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸配合面的微動(dòng)損傷有一定的影響。研究轉(zhuǎn)動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)特性對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化，避免夾具結(jié)構(gòu)的共振，減輕振動(dòng)引起的疲勞，深入探索轉(zhuǎn)動(dòng)軸微動(dòng)損傷機(jī)理具

3、有重要的意義。
　　本論文以試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸為例，利用試驗(yàn)機(jī)，在試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)的常用工況下，開(kāi)展不同垂向載荷和扭矩載荷作用及不同轉(zhuǎn)動(dòng)速度下的轉(zhuǎn)動(dòng)軸微動(dòng)損傷機(jī)理研究;利用疲勞試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展轉(zhuǎn)動(dòng)軸材料的扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂試驗(yàn)和疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，利用力學(xué)相關(guān)知識(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行受力分析，為轉(zhuǎn)動(dòng)軸微動(dòng)損傷的分析提供理論依據(jù);利用有限元軟件ANSYS對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析。研究結(jié)果可為探索轉(zhuǎn)動(dòng)軸及其他機(jī)械軸類(lèi)構(gòu)件的微動(dòng)損傷機(jī)理、制定損傷預(yù)防措施、優(yōu)化其動(dòng)

4、態(tài)性能提供一定的參考，具有重要的理論意義。取得的主要結(jié)果和結(jié)論如下:
　　(1)由于垂向試驗(yàn)載荷的作用，轉(zhuǎn)動(dòng)軸在試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中承受了一定數(shù)值的彎矩和剪力，且均沿軸線(xiàn)分布不均，左右兩端配合面處承受的彎矩和剪力數(shù)值大致相當(dāng)。由于制動(dòng)力矩的作用，轉(zhuǎn)動(dòng)軸在試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中承受了一定數(shù)值的扭矩，在與左右兩端軸承內(nèi)圈過(guò)盈配合面處，扭矩沿軸線(xiàn)呈均勻分布，并且，左端配合面處的承受的扭矩比右端的大。
　　(2)在垂向試驗(yàn)載荷和制動(dòng)力矩的綜合

5、作用下，試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸在與左右兩端軸承內(nèi)圈過(guò)盈配合面處出現(xiàn)了微動(dòng)損傷。從表面磨痕分析來(lái)看，配合面磨損形式主要表現(xiàn)為粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。隨著垂向載荷和制動(dòng)力矩的增加，左右兩端過(guò)盈配合面處的塑性變形層變厚，微動(dòng)損傷變得更嚴(yán)重。由于左右兩端配合面處所受的彎矩和剪力沿軸線(xiàn)分布不均勻，造成左右兩端配合面處的塑性變形層厚度也分布不均，由于左端配合面處所受的扭矩比右端的大，造成左端配合面處塑性變形層厚度比右端的大。隨著載荷的增加，左右兩端過(guò)盈

6、配合面表面處產(chǎn)生的微裂紋有所增多，裂紋擴(kuò)轉(zhuǎn)角度也在變大，在綜合應(yīng)力的作用下更易向材料縱深方向擴(kuò)展造成更大的破壞。由于轉(zhuǎn)動(dòng)軸左端配合面處所受的扭矩比右端大，所以左端配合面處產(chǎn)生的微觀裂紋也比右端的嚴(yán)重。轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸配合面微動(dòng)損傷特性有一定的影響，從表面磨痕分析來(lái)看，兩種工況下，轉(zhuǎn)動(dòng)軸表面微動(dòng)損傷都以粘著磨損和磨粒磨損為主，在較低轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)動(dòng)軸配合面出現(xiàn)了滑擦和點(diǎn)蝕，在較高轉(zhuǎn)速下，其表面出現(xiàn)了滑擦和犁溝。在較低轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)動(dòng)軸表面微動(dòng)損傷

7、較為嚴(yán)重，這是由于在試驗(yàn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)數(shù)一致條件下，轉(zhuǎn)動(dòng)速度較小的轉(zhuǎn)動(dòng)軸微動(dòng)接觸的時(shí)間要相對(duì)長(zhǎng)一些所致。
　　(3)轉(zhuǎn)動(dòng)軸在其過(guò)盈配合面產(chǎn)生的微動(dòng)疲勞裂紋具有如下特點(diǎn):(a)裂紋在萌生過(guò)程中具有多源性，部分裂紋從材料表面萌生，部分裂紋從材料次表層萌生;(b)疲勞裂紋在萌生后一般會(huì)沿著材料表層塑性流變的方向擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展角度一般都較小，大部分裂紋會(huì)沿著與材料表層大致平行的方向擴(kuò)展，從擴(kuò)展趨勢(shì)來(lái)看，大部分裂紋在擴(kuò)展至材料表面后會(huì)形成微動(dòng)疲

8、勞磨損。
　　(4)在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)軸材料的斷裂屬于典型的疲勞斷裂，具有典型疲勞斷裂的一般特征，即整個(gè)斷面分為三個(gè)區(qū)域:裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、最終斷裂區(qū)，斷面位于最大剪切應(yīng)力平面，相對(duì)而言，最終斷裂區(qū)比斷口其他區(qū)域更顯粗糙。40Cr材料和45鋼材料相比，40Cr材料的抗扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的能力要強(qiáng)于45鋼。通過(guò)疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)得出在拉壓應(yīng)力作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)軸材料40Cr的疲勞裂紋擴(kuò)展速率為da/dN=5×10-15(△K)3590

9、3，并基于非概率思想，提出了一種計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展壽命可靠性的方法。
　　(5)采用有限元法對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析。根據(jù)基于有限元法的自由模態(tài)分析結(jié)果可知，無(wú)論使用實(shí)體單元模擬還是梁?jiǎn)卧M，本文中設(shè)定的網(wǎng)格劃分精度對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸模態(tài)分析結(jié)果的影響很小，可以忽略不計(jì)。采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行自由狀態(tài)下的主頻分析。根據(jù)分析結(jié)果，使用實(shí)體單元模擬轉(zhuǎn)動(dòng)軸并進(jìn)行有限元模態(tài)分析的結(jié)果更接近試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果，但是由于有限元建模的簡(jiǎn)化

10、和測(cè)試環(huán)境及測(cè)試設(shè)備等因素的影響，仍存在一定的誤差。
　　(6)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和軸承內(nèi)圈在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的彈性變形量的差異，并因此促使接觸面間產(chǎn)生的往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)軸與軸承接觸配合面間產(chǎn)生微動(dòng)損傷的主要原因。從轉(zhuǎn)動(dòng)軸和軸承內(nèi)圈的運(yùn)動(dòng)情況分析，轉(zhuǎn)動(dòng)軸和軸承內(nèi)圈之間的相對(duì)位移分為沿軸線(xiàn)的相對(duì)位移和沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向的相對(duì)位移，從轉(zhuǎn)動(dòng)軸在約束狀態(tài)下的模態(tài)分析結(jié)果可知，轉(zhuǎn)動(dòng)軸第10階的伸縮模態(tài)振型及第1、2、3、4、5、6、8、9、12階的彎曲