試驗機轉(zhuǎn)動軸微動損傷及動態(tài)特性研究.pdf

1、在機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)動軸是重要的傳動部件，在機器運行過程中，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，軸和與之過盈配合的軸承內(nèi)圈、軸承座等會出現(xiàn)差異化的變形，從而導(dǎo)致接觸面間產(chǎn)生微動行為，造成微動損傷。
　　作為JD-1輪軌模擬試驗機（以下簡稱試驗機）夾具的重要傳動部件，轉(zhuǎn)動軸在試驗機運行過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)動軸在與左右兩端軸承過盈配合面處出現(xiàn)了嚴(yán)重的微動損傷，并

2、進一步導(dǎo)致過盈配合面的松動和轉(zhuǎn)動軸表面裂紋的萌生，影響了試驗機的試驗效果和轉(zhuǎn)動軸的疲勞壽命。因此，開展轉(zhuǎn)動軸微動損傷的研究具有重要的意義。另外，轉(zhuǎn)動軸的動態(tài)特性在一定程度上影響了夾具在試驗機運行過程中的動態(tài)響應(yīng)，轉(zhuǎn)動軸的模態(tài)振型等動態(tài)特性參數(shù)與其與軸承內(nèi)圈之間的相對位移也存在一定的相關(guān)性，從而對轉(zhuǎn)動軸配合面的微動損傷有一定的影響。研究轉(zhuǎn)動軸的動態(tài)特性對其動態(tài)特性的優(yōu)化，避免夾具結(jié)構(gòu)的共振，減輕振動引起的疲勞，深入探索轉(zhuǎn)動軸微動損傷機理具

3、有重要的意義。
　　本論文以試驗機轉(zhuǎn)動軸為例，利用試驗機，在試驗機進行試驗的常用工況下，開展不同垂向載荷和扭矩載荷作用及不同轉(zhuǎn)動速度下的轉(zhuǎn)動軸微動損傷機理研究;利用疲勞試驗機開展轉(zhuǎn)動軸材料的扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂試驗和疲勞裂紋擴展試驗，利用力學(xué)相關(guān)知識，對轉(zhuǎn)動軸進行受力分析，為轉(zhuǎn)動軸微動損傷的分析提供理論依據(jù);利用有限元軟件ANSYS對轉(zhuǎn)動軸進行動態(tài)特性分析。研究結(jié)果可為探索轉(zhuǎn)動軸及其他機械軸類構(gòu)件的微動損傷機理、制定損傷預(yù)防措施、優(yōu)化其動

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)由于垂向試驗載荷的作用，轉(zhuǎn)動軸在試驗機運行過程中承受了一定數(shù)值的彎矩和剪力，且均沿軸線分布不均，左右兩端配合面處承受的彎矩和剪力數(shù)值大致相當(dāng)。由于制動力矩的作用，轉(zhuǎn)動軸在試驗機運行過程中承受了一定數(shù)值的扭矩，在與左右兩端軸承內(nèi)圈過盈配合面處，扭矩沿軸線呈均勻分布，并且，左端配合面處的承受的扭矩比右端的大。
　　(2)在垂向試驗載荷和制動力矩的綜合

5、作用下，試驗機轉(zhuǎn)動軸在與左右兩端軸承內(nèi)圈過盈配合面處出現(xiàn)了微動損傷。從表面磨痕分析來看，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力矩的增加，左右兩端過盈配合面處的塑性變形層變厚，微動損傷變得更嚴(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，左右兩端過盈

6、配合面表面處產(chǎn)生的微裂紋有所增多，裂紋擴轉(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展造成更大的破壞。由于轉(zhuǎn)動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)動速度對轉(zhuǎn)動軸配合面微動損傷特性有一定的影響，從表面磨痕分析來看，兩種工況下，轉(zhuǎn)動軸表面微動損傷都以粘著磨損和磨粒磨損為主，在較低轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)動軸配合面出現(xiàn)了滑擦和點蝕，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)動軸表面微動損傷

7、較為嚴(yán)重，這是由于在試驗過程中，轉(zhuǎn)數(shù)一致條件下，轉(zhuǎn)動速度較小的轉(zhuǎn)動軸微動接觸的時間要相對長一些所致。
　　(3)轉(zhuǎn)動軸在其過盈配合面產(chǎn)生的微動疲勞裂紋具有如下特點:(a)裂紋在萌生過程中具有多源性，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沿著材料表層塑性流變的方向擴展，裂紋擴展角度一般都較小，大部分裂紋會沿著與材料表層大致平行的方向擴展，從擴展趨勢來看，大部分裂紋在擴展至材料表面后會形成微動疲

8、勞磨損。
　　(4)在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，轉(zhuǎn)動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，即整個斷面分為三個區(qū)域:裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)、最終斷裂區(qū)，斷面位于最大剪切應(yīng)力平面，相對而言，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于45鋼。通過疲勞裂紋擴展速率試驗得出在拉壓應(yīng)力作用下，轉(zhuǎn)動軸材料40Cr的疲勞裂紋擴展速率為da/dN=5×10-15(△K)3590

9、3，并基于非概率思想，提出了一種計算疲勞裂紋擴展壽命可靠性的方法。
　　(5)采用有限元法對轉(zhuǎn)動軸進行自由狀態(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，無論使用實體單元模擬還是梁單元模擬，本文中設(shè)定的網(wǎng)格劃分精度對轉(zhuǎn)動軸模態(tài)分析結(jié)果的影響很小，可以忽略不計。采用試驗?zāi)B(tài)分析方法對轉(zhuǎn)動軸進行自由狀態(tài)下的主頻分析。根據(jù)分析結(jié)果，使用實體單元模擬轉(zhuǎn)動軸并進行有限元模態(tài)分析的結(jié)果更接近試驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果，但是由于有限元建模的簡化

10、和測試環(huán)境及測試設(shè)備等因素的影響，仍存在一定的誤差。
　　(6)轉(zhuǎn)動軸和軸承內(nèi)圈在機器運行過程中產(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)相對運動是導(dǎo)致轉(zhuǎn)動軸與軸承接觸配合面間產(chǎn)生微動損傷的主要原因。從轉(zhuǎn)動軸和軸承內(nèi)圈的運動情況分析，轉(zhuǎn)動軸和軸承內(nèi)圈之間的相對位移分為沿軸線的相對位移和沿轉(zhuǎn)動方向的相對位移，從轉(zhuǎn)動軸在約束狀態(tài)下的模態(tài)分析結(jié)果可知，轉(zhuǎn)動軸第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