試驗機轉動軸微動損傷及動態(tài)特性研究.pdf

1、在機械結構系統(tǒng)中，轉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載荷。由于不同材料結構的剛性差異，在載荷作用下，軸和與之過盈配合的軸承內圈、軸承座等會出現(xiàn)差異化的變形，從而導致接觸面間產(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，由于載荷的作用導致轉動軸在與左右兩端軸承過盈配合面處出現(xiàn)了嚴重的微動損傷，并

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

3、有重要的意義。
　　本論文以試驗機轉動軸為例，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動速度下的轉動軸微動損傷機理研究;利用疲勞試驗機開展轉動軸材料的扭轉疲勞斷裂試驗和疲勞裂紋擴展試驗，利用力學相關知識，對轉動軸進行受力分析，為轉動軸微動損傷的分析提供理論依據(jù);利用有限元軟件ANSYS對轉動軸進行動態(tài)特性分析。研究結果可為探索轉動軸及其他機械軸類構件的微動損傷機理、制定損傷預防措施、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。取得的主要結果和結論如下:
　　(1)由于垂向試驗載荷的作用，轉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。由于制動力矩的作用，轉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，試驗機轉動軸在與左右兩端軸承內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，裂紋擴轉角度也在變大，在綜合應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重。轉動速度對轉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，在較低轉速下，轉動軸配合面出現(xiàn)了滑擦和點蝕，在較高轉速下，其表面出現(xiàn)了滑擦和犁溝。在較低轉速下，轉動軸表面微動損傷

7、較為嚴重，這是由于在試驗過程中，轉數(shù)一致條件下，轉動速度較小的轉動軸微動接觸的時間要相對長一些所致。
　　(3)轉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)在扭轉載荷作用下，轉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力作用下，轉動軸材料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)分析結果可知，無論使用實體單元模擬還是梁單元模擬，本文中設定的網(wǎng)格劃分精度對轉動軸模態(tài)分析結果的影響很小，可以忽略不計。采用試驗模態(tài)分析方法對轉動軸進行自由狀態(tài)下的主頻分析。根據(jù)分析結果，使用實體單元模擬轉動軸并進行有限元模態(tài)分析的結果更接近試驗模態(tài)分析結果，但是由于有限元建模的簡化

10、和測試環(huán)境及測試設備等因素的影響，仍存在一定的誤差。
　　(6)轉動軸和軸承內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)生的往復相對運動是導致轉動軸與軸承接觸配合面間產(chǎn)生微動損傷的主要原因。從轉動軸和軸承內圈的運動情況分析，轉動軸和軸承內圈之間的相對位移分為沿軸線的相對位移和沿轉動方向的相對位移，從轉動軸在約束狀態(tài)下的模態(tài)分析結果可知，轉動軸第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