基于構(gòu)型力理論的風(fēng)電齒輪接觸損傷研究

摘要：風(fēng)電機(jī)組齒輪箱長(zhǎng)期處在隨機(jī)風(fēng)載等復(fù)雜環(huán)境下，其齒輪接觸疲勞成為限制風(fēng)電機(jī)組裝備穩(wěn)定性與可靠性的關(guān)鍵因素，進(jìn)行齒輪接觸損傷演化機(jī)制研究面臨著應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜、損傷各向異性及失效建模困難等難點(diǎn)。材料構(gòu)型力理論可以描述缺陷構(gòu)型變化對(duì)材料自由能的影響，可用來(lái)預(yù)測(cè)材料的損傷和失效行為。基于構(gòu)型力理論建立齒輪接觸損傷模型，選取齒輪接觸承載關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行齒輪接觸界面應(yīng)力場(chǎng)仿真分析，模擬在接觸載荷作用下齒輪接觸損傷演化過(guò)程。結(jié)果表明，構(gòu)型力理論損傷模型可以有效模擬齒輪接觸損傷現(xiàn)象，解釋齒面點(diǎn)蝕和剝落，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)齒輪接觸疲勞壽命具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電齒輪；齒輪接觸；構(gòu)型力；界面應(yīng)力；損傷演化

中圖分類號(hào)：TK83 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 005

0 引言

在我國(guó)低碳發(fā)展戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的背景下，風(fēng)電機(jī)組發(fā)展已經(jīng)呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。然而，在復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境中，風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際使用壽命常常低于設(shè)計(jì)的20年使用壽命。齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一，其內(nèi)部齒輪是承受高速旋轉(zhuǎn)和交變載荷的關(guān)鍵零部件，其性能的優(yōu)劣直接影響風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效率以及可靠性。在工程實(shí)際中，風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈齒輪雖然經(jīng)過(guò)強(qiáng)度校核，但仍常出現(xiàn)接觸疲勞失效。其中，齒輪接觸損傷為齒輪失效的關(guān)鍵因素之一，嚴(yán)重影響整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全。因此，開(kāi)展齒輪接觸損傷失效行為研究是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

近年來(lái)，齒輪接觸損傷失效行為逐漸受到了學(xué)者們的關(guān)注。韓存?zhèn)}等［1］分析了齒輪表層下疲勞失效形式和轉(zhuǎn)化機(jī)制，提出一種基于局部屈服強(qiáng)度值方法的判定準(zhǔn)則，進(jìn)行了疲勞失效形式和疲勞裂紋源預(yù)測(cè)。唐東紅等［2］建立了實(shí)測(cè)載荷譜下的齒輪疲勞壽命的流程，通過(guò)測(cè)定齒輪表層不同深度處的硬度和殘余應(yīng)力，計(jì)算得到齒輪沿深度方向的接觸疲勞極限分布，從而構(gòu)造出零件的P?S?N 曲線，進(jìn)行齒輪的接觸疲勞壽命預(yù)測(cè)研究。由于齒輪疲勞壽命問(wèn)題屬于高周疲勞，其沒(méi)有明顯的宏觀塑性形變，往往應(yīng)力水平較低，采取以往的傳統(tǒng)S?N 壽命曲線預(yù)測(cè)需要進(jìn)行復(fù)雜的修正。徐鶴鳴等［3］在損傷本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上結(jié)合Lemaitre-Chaboche塑性損傷理論，建立了一種新的齒輪材料疲勞損傷模型，分析了材料屬性與應(yīng)力水平對(duì)齒輪疲勞壽命的影響。在眾多影響齒輪接觸失效問(wèn)題的因素中，材料方面的重要作用已被工程實(shí)踐所證實(shí)。除了已經(jīng)廣為熟知的硬度、強(qiáng)度等因素外，影響齒輪接觸疲勞性能的材料因素還包括材料晶體特征、夾雜和相成分等。WANG等［4-5］為揭示大型重載風(fēng)電齒輪接觸疲勞失效機(jī)制，建立了一種多因素耦合齒輪接觸疲勞失效分析模型，該模型包含材料晶體、相成分、夾雜物和硬度梯度等宏微觀材料特征，從微觀尺度上研究了齒輪的損傷演化過(guò)程。然而，此微觀組織的模型沒(méi)有考慮晶粒尺寸的梯度特征和力學(xué)性能。基于齒輪從外部到核心的力學(xué)性能以及微觀組織的梯度特征，WEI等［6］提出了一種綜合兩者的數(shù)值模型，詳細(xì)研究了風(fēng)電齒輪的接觸損傷行為。評(píng)估齒輪接觸疲勞行為時(shí)，需要考慮微觀結(jié)構(gòu)中晶體各向異性問(wèn)題。ZHOU等［7］為了更準(zhǔn)確地描述此行為，建立了考慮齒輪材料微觀拓?fù)浼熬w彈性各向異性的數(shù)值模型，研究了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪的接觸疲勞行為。齒輪在載荷傳遞過(guò)程中材料沿齒廓方向會(huì)經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。少有研究考慮齒輪嚙合過(guò)程中微觀組織對(duì)齒輪材料疲勞行為的影響。針對(duì)此問(wèn)題，LIU等［8］提出了一種考慮齒輪材料微觀結(jié)構(gòu)的各向異性和硬度梯度，建立了滲碳齒輪滾動(dòng)接觸疲勞（Rolling Contact Fatigue， RCF）性能評(píng)價(jià)數(shù)值模型。由于齒輪接觸失效形式的多樣性，且失效機(jī)制大多復(fù)雜，影響因素眾多，在齒輪服役過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生多種失效形式同時(shí)發(fā)生或相繼發(fā)生的現(xiàn)象。例如，齒面接觸損傷與磨損效應(yīng)同時(shí)存在，并且兩者之間存在復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。關(guān)于齒輪接觸疲勞-磨損競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，ZHANG等［9］建立了基于彈塑性有限元法齒輪疲勞磨損耦合模型，采用多軸疲勞準(zhǔn)則捕捉了接觸面疲勞損傷累積，通過(guò)引入損傷變量更新了材料損傷本構(gòu)行為，研究了多源因素耦合導(dǎo)致的失效競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。但是齒輪失效是既包含宏觀力學(xué)因素，也涉及微觀力學(xué)范疇的一個(gè)極其復(fù)雜過(guò)程。少有從介觀尺度下研究風(fēng)電齒輪動(dòng)態(tài)特性中的滾動(dòng)接觸效應(yīng)。針對(duì)此問(wèn)題，張建宇等［10］907-919以風(fēng)電齒輪為研究對(duì)象，利用Voronoi圖與多晶體組織的幾何相似性，建立了介觀尺度下無(wú)限大板問(wèn)題的齒面仿真模型，研究通過(guò)內(nèi)聚力單元模擬晶界對(duì)基體的割裂作用，并引入“表面移動(dòng)載荷”模擬風(fēng)電齒輪實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的滾動(dòng)接觸效應(yīng)，研究了齒輪損傷演化過(guò)程。以上成果均為對(duì)常規(guī)意義上齒輪損傷問(wèn)題進(jìn)行的研究，主要集中在材料、工況、結(jié)構(gòu)等因素，并且在一定程度上解決了齒輪接觸損傷建模的問(wèn)題。但值得注意的是，風(fēng)電機(jī)組齒輪接觸狀態(tài)復(fù)雜，傳統(tǒng)的斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)在預(yù)測(cè)復(fù)雜缺陷的臨界失效載荷以及評(píng)估結(jié)構(gòu)完整性時(shí)面臨挑戰(zhàn)［11］。