氣象雷達(dá)齒輪軸斷裂失效分析及優(yōu)化

李曄 鄭鵬

【摘 要】針對(duì)氣象雷達(dá)檢測(cè)裝置中齒輪軸的斷裂失效，首先探討了齒輪軸的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)，并根據(jù)斷口檢查及斷裂性質(zhì)進(jìn)行斷裂原因的綜合分析，基于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)提出優(yōu)化改進(jìn)方案。其次，基于有限元分析方法采用ANSYS分析齒輪軸應(yīng)力集中的主要原因，并對(duì)比分析了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后的有效性，結(jié)果表明優(yōu)化后的齒輪軸可以顯著提高強(qiáng)度和韌性，從而避免在使用過(guò)程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，使其性能最優(yōu)、壽命延長(zhǎng)。

【關(guān)鍵詞】齒輪軸 疲勞斷裂 應(yīng)力集中 有限元

1 引言

在新一代CINRAD-SA型氣象雷達(dá)的技術(shù)保障中，機(jī)械伺服系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，其直接影響雷達(dá)的方位角和仰角，從而影響到氣象目標(biāo)空間位置和特性測(cè)定的準(zhǔn)確性。新一代CINRAD-SA型氣象雷達(dá)在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)了檢測(cè)裝置齒輪軸的斷裂現(xiàn)象，直接導(dǎo)致雷達(dá)無(wú)法正常工作。本文以齒輪軸為研究對(duì)象，基于材料力學(xué)及斷裂力學(xué)，通過(guò)宏觀、微觀的深入分析，探討齒輪軸斷裂失效的原因。針對(duì)產(chǎn)生斷裂的原因，基于疲勞強(qiáng)度相關(guān)理論及機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)提出改進(jìn)方案，并優(yōu)化設(shè)計(jì)齒輪軸機(jī)械結(jié)構(gòu)。基于有限元分析方法采用ANSYS分析齒輪軸應(yīng)力集中的主要原因，并對(duì)比分析了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后的有效性。研究結(jié)果對(duì)氣象雷達(dá)機(jī)械伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了參考，對(duì)保障氣象雷達(dá)連續(xù)運(yùn)行的可靠性起到具有重要作用。

2 齒輪軸的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)

圖1檢測(cè)裝置傳動(dòng)環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示為檢測(cè)裝置傳動(dòng)環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖（剖視圖），齒輪軸為階梯軸，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。雷達(dá)方位控制伺服機(jī)構(gòu)通過(guò)齒輪傳遞扭矩給齒輪軸端部，齒輪軸由軸承1和軸承2支撐，齒輪軸另一端有花鍵，花鍵與齒輪盤(pán)嚙合，齒輪盤(pán)輸出軸連接脈沖編碼器，通過(guò)脈沖編碼器實(shí)現(xiàn)角位移的測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果反饋給伺服控制系統(tǒng)。

圖2齒輪軸三維圖

齒輪軸在該環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞作用，即驅(qū)動(dòng)脈沖編碼器旋轉(zhuǎn)。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，齒輪軸是關(guān)鍵零件，主要承受著扭轉(zhuǎn)、彎曲、沖擊等載荷。

3 齒輪軸斷口檢查及斷裂性質(zhì)分析

齒輪軸斷圖如圖3所示，按斷裂失效的發(fā)展過(guò)程，斷口包括三個(gè)區(qū)域，分別為疲勞核心區(qū)（疲勞源）、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)破斷區(qū)。影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的因素很多，其中主要的影響因素有形狀、尺寸、平均應(yīng)力、表面質(zhì)量、零件的熱處理、復(fù)合應(yīng)力、加載頻率、載荷類型、停歇、溫度和腐燭介質(zhì)等[1～2]。通過(guò)對(duì)齒輪軸斷口的宏觀檢查，可基本斷定齒輪軸的斷裂性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)和彎曲疲勞斷裂。

圖3齒輪軸斷裂實(shí)物圖

根據(jù)齒輪軸使用工作環(huán)境、斷裂軸的外觀、斷口形貌及力學(xué)性能進(jìn)行綜合分析，齒輪軸斷裂原因主要有以下幾種推斷：

（1）齒輪軸機(jī)械結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)不合理，零件的截面幾何形狀突然變化處（軸肩）在承受轉(zhuǎn)矩時(shí)，局部應(yīng)力大于名義應(yīng)力，造成了應(yīng)力集中，從而降低了零件的疲勞極限。（2）機(jī)加工和熱處理工藝不當(dāng)，造成材料綜合力學(xué)性能達(dá)不到要求，使表面萌生的裂紋在應(yīng)力作用下迅速擴(kuò)展，造成軸發(fā)生疲勞斷裂。鋼基體中，其性能又與鋼基體有很大的差異，因此破壞了鋼基體的均勻性、連續(xù)性，還會(huì)在該處造成應(yīng)力集中，成為疲勞源[3]。（3）機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)裝配不合理。主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的分度圓中心間距尺寸不符合設(shè)計(jì)尺寸；齒輪軸軸心線和齒輪中心線不同軸，存在同軸度誤差，導(dǎo)致在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中齒輪軸反復(fù)承受彎曲載荷，產(chǎn)生疲勞斷裂。（4）齒輪嚙合不良引起齒側(cè)間隙過(guò)大，在正反轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生空行程，從而引起不均勻載荷。

由上述分析可知，解決斷裂失效的關(guān)鍵是優(yōu)化齒輪軸機(jī)械結(jié)構(gòu)和尺寸減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)，考慮提高材料的性能及選擇合適的熱處理方法，并保證齒輪軸安裝時(shí)的同軸度，避免在安裝過(guò)程中引入彎矩。以下本文著重研究?jī)?yōu)化齒輪軸機(jī)械結(jié)構(gòu)和尺寸，并通過(guò)有限元分析驗(yàn)證優(yōu)化改進(jìn)方案的可行性。

4 齒輪軸結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

根據(jù)原齒輪軸結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化改進(jìn)方案，利用ANSYS Workbench工具[4]進(jìn)行齒輪軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的受力分析（僅受扭矩、僅受彎矩，綜合作用三種情況），通過(guò)對(duì)比，分析原齒輪軸的應(yīng)力集中的主要原因，以及結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的有效性。

針對(duì)原齒輪軸，仿真實(shí)際工況，齒輪軸的約束條件如圖4所示，A、B面施加圓柱支撐約束（切向不約束）。受力情況為：D、E面施加方向相反、設(shè)定大小相等的扭矩M=25N·mm，距離右端面6mm的橫截面C處施加相切與截面的力F=5N。

圖4齒輪軸的約束條件

（1）只承受彎矩的情況（距離右端面6mm的橫截面C處施加相切與截面的力F=5N），受力分析圖如圖5所示。（2）只受扭矩的情況（D、E面施加方向相反、大小相等的扭矩M=25N·mm），受力分析圖如圖6所示。（3）綜合作用情況（D、E面施加方向相反、大小相等的扭矩M=25N·mm，距離右端面6mm的橫截面C處施加相切與截面的力F=5N），受力分析圖如圖6所示。

圖5僅受彎矩時(shí)齒輪軸的受力情況

圖6僅受扭矩時(shí)齒輪軸受力情況

圖7綜合作用下齒輪軸的受力情況

由圖5和圖6可以看出，當(dāng)齒輪軸僅承受彎矩作用時(shí)，應(yīng)力集中發(fā)生在軸承軸肩斷裂處；僅承受扭矩作用時(shí)，應(yīng)力集中發(fā)生在安裝大齒輪的圓柱面與下一圓柱面過(guò)渡位置；通過(guò)圖7發(fā)現(xiàn)在綜合受力時(shí)其應(yīng)力集中發(fā)生在軸肩處，可以預(yù)測(cè)齒輪軸發(fā)生斷裂的直接原因是彎矩作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而降低了齒輪軸的疲勞極限。

對(duì)原齒輪軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)和尺寸優(yōu)化，改進(jìn)方案采取在軸承軸肩（斷裂處）增加過(guò)渡圓角（R=2mm）。仿真條件同上，當(dāng)采用綜合作用情況時(shí)，受力分析圖如圖8所示。

圖8綜合作用下改進(jìn)齒輪軸的受力情況

a）原齒輪軸 b）改進(jìn)齒輪軸

圖9綜合作用下齒輪軸局部應(yīng)力圖

由圖8可以看出，增加過(guò)渡圓角后綜合作用情況下齒輪傳動(dòng)軸的最大應(yīng)力值小于無(wú)過(guò)渡圓角時(shí)齒輪軸的最大應(yīng)力值；由于造成齒輪軸斷裂的主要原因是由彎矩引起的，所以增加過(guò)渡圓角能夠在一定程度上提高傳動(dòng)軸的疲勞極限；圖9顯示了加過(guò)渡圓角前后齒輪軸應(yīng)力集中區(qū)的局部放大圖，無(wú)過(guò)渡圓角時(shí)，齒輪軸的最大應(yīng)力分布于軸臺(tái)突變處，存在過(guò)渡圓角最大應(yīng)力主要處于過(guò)渡圓角與安裝齒輪軸的圓柱面交接處。在實(shí)際加工過(guò)程中，無(wú)過(guò)渡圓角的軸臺(tái)突變處容易出現(xiàn)殘余應(yīng)力，應(yīng)力集中發(fā)生在此位置，降低了齒輪軸的疲勞極限。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)該齒輪軸斷裂失效的原因進(jìn)行了綜合分析，并著重從機(jī)械結(jié)構(gòu)和尺寸方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過(guò)ANSYS分析可以判斷齒輪軸發(fā)生斷裂主要是因?yàn)閺澗刈饔孟略斐蓱?yīng)力集中削弱了齒輪軸的疲勞極限而產(chǎn)生的疲勞斷裂。在實(shí)際工況中，發(fā)生斷裂的主要原因?yàn)榘惭b不合理引入彎矩和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成應(yīng)力集中。

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作者簡(jiǎn)介：李曄（1980—），男，河南鄭州人，碩士，河南省氣象信息網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)保障中心工程師，主要從事氣象雷達(dá)的故障診斷及維護(hù)。