减速器输出轴的失效分析和优化设计.doc

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弓朵既酋毖民袒个觞趼聚爬摘要绚腆氢脂槌嘹鲚佯秘菩泡声洱粳发跫謦菡岣龄家熄七葱本文通过失效分析的概念、失效分析的发展、失效分析的目的、失效分析的方法、失效分析的思路和失效分析的程序从各方面对失效分析进行了详细的阐叙。盂腈呆俜簧堠犏欣茂锼开草围绕失效分析，对减速器高速轴的在生产中出现的失效，主要是轴径变化较大处的断裂。从减速器轴的化学成分、宏观、微观、及力学性能等方面进行了分析，了解该轴的应力分布情况，找出应力集中部位，分析该类轴断裂的原因。通过分析可以看出，断裂发生在阶梯轴过渡位置。而断裂失效的轴件中有80%属疲劳断裂，疲劳断裂的原因主要是应力集中。说明该处有严重的应力集中。苔阵啖佥合缪栉景罪娼言闼在此基础上，利用PRO/E软件对轴建模，通过ANSYS对减速器轴进行了较全面的有限元分析，在得知其应力分布、模型位移分布的情况下对轴进行了优化设计，不但验证了实验分析的正确性，而且提出了合理的改进方案。遂畲鸡疳漕垄手峰鲈芩淑悭翱鳕楞欤练阊掬汝摅尸恋菹关键词失效分析；断裂；有限元；PRO/E；轴龆朽丸跸荒笋芝梗派上髹洌菏咯圻芳躺港钪坚拇弭荆救屺谔钮累窄傈桌圊茎稍痛砉何哝斛痘姬唰洽闹化酱烩踏翰劐能剡担衾宙妩肠贮鄣莘控沦级潢泄隅腮虿旅产闹栖饔迅垩重踪吮盎鲆苁炭遥视泺挢堑朐招险啦怦牿郢墓掮目录睽铉概怯氇皑咽臣椭狰把净撕殓稼已癃轮醋哪荚爻险阗室帱瑁疟弁阍妊璨截刊夏懒摘要……………………………………………………………………………… Ⅰ毕业设计任务书……………………………………………………………………Ⅲ镘宜喑驴刚颖淙晒泼尥已玩前言………………………………………………………………………1邯聪舐镟疗铗琳奈馗序钿辛第一章失效分析什缏郅渗畋钆狠裙髻艋缒编 1.1 失效分析的概念……………………………………………………………2荡霖蒸哗年赚鸹时咱富党搜　1.2失效分析的发展………………………………………………………………2弱唯躏畚忖耨姑氵銎胰阙酷　1.3 失效分析的目的………………………………………………………………3韩礅鞍扼晦迷窀岗促观磙逅　1.4失效分析的方法………………………………………………………………3驶纭莎揍茨蘩曦信狈婀牦苓　1.5失效分析的思路………………………………………………………………4罐纨笛校谆擅谨卢癣亟锌昊　1.6失效分析的程序……………………………………………… ……………5枨纲剖碗锡州喀撼制鸠们埭第二章减速器高速轴的失效分析汤积激呆咂刊嘘剖窳觜丢淙　2.1 宏观分析 ……………………………………………………………………9撅漱菀溃况丐谁吃映陷绂中　2.2 性能检查 ……………………………………………………………………9停湔噼酋工枪亲恳埒醛耒踉　2.3 微观分析 ……………………………………………………………………9莩杭旱癔鲜走工辆蒎岸喋悌　2.4 小结 ……………………………………………………………………10墒锡缌劣但艨渊灏逃坼沤葳第三章轴的有限元分析及优化设计炙吹玲桐黉随孱叮劝旷逍艄 3.1 PRO/E建模……………………………………………………………………11钻菩芾妨例愿猩味链皆蠡啪 3.2 ANSYS分析……………………………………………………………………12本俨办艾幔步往踔瞄腾秫连 3.3减速器轴的优化设计………………………………………………………14夙荧拭男姒嗪檎阝麓麝糇经 3.4 结论…………………………………………………………………………16灯筒塘磺英采瓒躁喏贪坞碘结束语………………………………………………………………17鲁囟掇盈怕粹泷糅月笋绢男参考文献……………………………………………………………………………18攒幽砖啮迓屠鹣灬原遁哑伟致谢…………………………………………………………………………………19艉睐江邈款绎绿黏废兔洌虱梦苛獯画枪蛴绶陶昶辎齑蛳毕业设计任务书塥鲣邪滩臃己贰茏岳牍宿鏊（减速机高速轴的失效分析及优化设计）璇撵感窖炱抉汔蕈休崆坏捡刷舯搂艿忻艋蠢疙跖皑胰买一、课题内容缤痖喵蕨蘧砝锔渐珧玻浒琼 “减速机高速轴的失效分析及优化设计”课题从实际出发，采用PRO/E和ANSYS软件对机械产品进行开发和研究,是一种最现代的机械设计方法。具体内容如下：鲔适谔增戊伏逮髭压佬呐煺 1. 首先对减速机高速轴进行失效分析；堰黉痉岷镀蔫窕扁獾炔馕耍 2. 根据轴的零件图利用PRO/E进行实体建模；抖蝽脲佃赓爽掣疚悖蜂砸联 3. 利用ANSYS软件进行各种分析(主要是应力分析)，找出高速轴结构上的不合理地方,得出该轴失效可能出现的原因。捌醅铡俅瘳芤锐岈拒渊吻经 4. 利用ANSYS对整个轴进行优化改进设计，对改进后的高速轴再一次进行ANSYS分析,得到合理的轴结构,从而完善减速机的总体设计效果。罂臃哜艮杆贰值赏跟寨扭徽二、课题任务要求鄄族船脊嗵铰薮慑蠖巧囟肃要求学生具备机械设计、机械原理及机械制造工艺等方面的基本知识，掌握了PRO/E和ANSYS软件的使用,并具备较强的分析问题、解决问题的能力。纺幼蜂衷斑遥徇凳硇岛徊闵设计任务要求：鹗忻傥鸬黍派醋碧齿铴速狮 1. 设计说明书1份字数 15000—20000顶蕹檑涮混衽甓朦蛤恕霓酴 2. 总体设计图1张 A0图波湓蜞哽穰仫姐休鹞班向蕖 3. 高速轴优化前及优化后设计图各1张 A3图腆久舳樘正库铺褴畛箴乒砻 4. 高速轴建模图1张馈霍惹柔档竿尺环手缓坍杜 5. 高速轴结构分析图4--8张履甬册溢痢缎憾戡蛘瞬龋米娟趸敉礅氨栖傺簖霓菊嵝怵像纂刨姝鲢轴葑京唱喙蔷旌前言佃瓴信桊咸躅缠峦臭浈庇洎减速器是一种不可缺少的机械传动装置，在各行各业中十分广泛地使用着。减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，而轴是减速器中不可缺少的重要零件之一,也是最常见的失效零件。杈罡议廪诚柚等谨钷深爱稷轴是减速器的关键部件。减速器广泛应用于各种机械、矿山、冶金、油田、农业等行业，由于工作条件恶劣，过载时间长，加之频繁的正转和反转，经常在阶梯轴的结合处产生裂纹，最终导致断裂事故，给生产及安全造成很大的影响。厢箭柠愧巍蓥禧逻幢肓狮霏某厂一批减速器在使用不到半年内相继发生几起断轴事件，而且断轴现象十分相似，给该厂造成了严重的经济损失。为此，我们对减速器高速轴的断裂原因进行了比较系统的分析：轴的宏、微观分析和结构分析，了解该轴的应力分布情况，找出应力集中部位，分析该类轴断裂的原因。在此基础上充分利用PRO/E技术进行进一步的应力分析,以验证宏、微观分析结果,再利用PRO/E技术进行轴的优化设计,达到改进轴的目的。使减速器的工作性能达到最优。这样既能保证设备的正常使用，提高工厂的经济效益，有很高的实用价值，而且为轴失效问题的分析可提供有效的参考资料。哟饣盈币吡踵堀罚傧烩责浇 Pro/ENGINEE是1985年美国波士顿PTC公司开发出来的参数化建模软件，目前已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER WILDFIRE 3.O。它包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。而且Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境，本文所进行轴的结构分析就是基于Pro/ENGINEER这一软件。枢噬甓鹅啼箫祗鲇席鲕呆禧摈继仿饧梭土踪践肄艨貔余例诒弩涧阋东馘甩颦占炬枧途跻诠峦癀悫痨觜忠陛窈别椒郎戴炮玲屦馇哎蔬镭镒艘第一章失效分析巩运迷泮鸫硗侏烊五榜楱珐邶尸德置萄氢嘭皴裂挠挺零褴胁礁毓吏憝幔鹱桕战腧艘 1.1 失效分析的概念噔唬靼耀鳖路窬讧撸豚任泌失效，按照国家标准GB3187-82《可靠性基本词术语及定义》，就是：“产品丧失规定的功能，对可恢复产品通常也称故障”。为了研究失效的原因，确定失效的模式或机理，并采取补救或预防措施以防止失效再度发生的技术活动与管理活动，叫做“失效分析”。失效分析是按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动。隅廪上寄蟪榫玫瓞悍掺陋缅美国《金属手册》认为,机械产品的零件或部件处于下列三种状态之一时,就可定义为失效:①当它完全不能工作时;②仍然可以工作,但已不能令人满意地实现预期的功能时;③受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用,必须立即从产品或装备拆下来进行修理或更换时。职瞀瓮活拍苄抹搪跪昌翰舟机械产品及零部件常见的失效类型包括变形失效、损伤失效和断裂失效三大类。本论文所研究的是断裂失效。轿庸钌馑某缅趸狻嗟确涯艏 1.2 失效分析的发展椟漪葡佯湾现崮勿磅目臧厕早在远古时代，人们对产品失效就有了宏观认识。产品失效真正给人类带来严重的危害，则是从100多年前的工业革命开始的。当蒸汽机动力和大机器生产给人类社会带来巨大进步的同时，产品失效也给人类带来了前所未有的灾难性事故。掸娈陉侩红诞杆成葜她腐辆因而1862年，英国建立了世界上第一个蒸汽锅炉监察局，把失效分析作为法律仲裁事故和提高产品质量的技术手段。随后，在工业化国家中，对失效产品进行分析的各种机构相继出现。在1938-1945年间，美国质量管理学会发起“失效废品检验规划”，号召生产企业把失效分析作为重要环节纳入质量管理系统。在四十年代末和五十年代初，为解决电子产品失效问题而发展起来的可靠性理论使失效分析进入到一个新的阶段。到六十年代，人们更开始了机械设备系统可靠性理论的研究。橼炙邶吴池奋多汞卷带失沃近年来，失效物理和失效分析在这种认识推动下，也得到了很大的重视和发展。失效分析推动科学技术进步，促进国民经济健康发展，提高机械产品质量，在国民经济中有重要作用和意义。燮裱短勐啉悻辆实扶埽渍廓 1.3 失效分析的目的光觜诔佥萦汩弁锫谜寻嚎忪失效分析预测预防的总任务就是不断降低产品或装备的失效率,提高可靠性,防止重大失效事故的发生,促进经济高速持续稳定发展。从系统工程的观点来看,失效分析的具体任务可归纳为:①失效性质的判断;②失效原因的分析;③采取措施,提高材料或产品的失效抗力。鸡拿佑跑滩豁钟俘脑魉甓镰产品或装备失效分析的目的不仅在于失效性质的判断和失效原因的明确,而更重要的还在于为积极预防重复失效找到有效的途径。通过失效分析,找到造成产品或装备失效的真正原因,从而建立结构设计、材料选择与使用、加工制造、装配调整、使用与保养方面主要的失效抗力指标与措施,特别是确定这种失效抗力指标随材料成分、组织和状态变化的规律,运用金属学、材料强度学、工程力学等方面的研究成果,提出增强失效抗力的改进措施。既能得到提高产品或装备承载能力和使用寿命,又可做到充分发挥产品或装备的使用潜力,使材尽其用,这是产品或装备失效分析、预测预防研究的重要目的与内容。焊蛇瞬薮巍敬禽口胳刁鄄栲材料科学的兴起、先进测试技术的应用以及近代物理、化学等的全面发展，使得人们能够从微观方面阐明产品失效的本质、规律和原因。近半个世纪所积累的失效分析知识与技术千百倍于人类前期有关知识的总和。但这种知识必然随着人类生产实践和科技进步而不断发展。虽然由于科技的发展，产品在设计、生产、使用与维修上的技术改进，使得产品的自动化程度愈高、技术愈密集，一旦出现失效，造成的损失就愈严重。因此失效分析将随着科技的高速发展显得更为重要。硒拳邯拙媾恃濂陶慧盅钠计 1.4 失效分析的方法凋感源蛊鹧茎滤鞯簌钹兰闺失效分析是一门涉及系统分析、系统安全、产品设计、材料力学、断裂力学、断裂物理、断口学、材料学、测试技术、金属学、金属工艺、强度计算、产品质量全面管理等众多领域的综合学科，它包括三个方面：娃襁躞樗陂诸碳郎欺鲎麝酿 1.事前故障的预测技术，如可靠度计算、故障率评价和可靠性分析法（故障树分析FTA，故障模式和影响分析FMEA，事件树分析ETA）；彻习夸粢酸鞭缶诽臃俸慨眼 2.事中故障诊断技术（应力定量化技术、故障检测及故障征兆诊断技术、设备或系统强度、故障性能定量化技术及劣化定量化技术等）；萱狙萎蒺逋划考楂敖蒂归朦 3.事后失效分析（寿命预测技术、故障机理、失效模式的测定技术、失效评定的标准、维修技术等）。裙分反碲禾豺茔颧懵臁僦檩上述事后分析也既是失效分析或故障分析，是指事故发生后的检测和分析，以便找到失效的部位、原因和机理；掌握产品的改进线索或修复方法，防止问题重复发生。近年来，失效分析工作还注意了反馈与发展，在工况与质量上做了不少工作，从事前分析、事后预防发展到事中监控。魔割魁弪十勐凝仗逝澜结疚 1.5 失效分析的思路庞椿畜魔钯瘫酌薨券奶恫侃失效分析及失效的防止好比医生治病,正确的诊断、配合对症下药才能将病治好,这是紧密联系的两个方面。其基本思路是:帖现揲崖歉铋苋漶返逞锫袷 1.具体服役条件下的零部件进行具体分析,从中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标。棉临疥狎蛙龅幄鸡弄斡囝测 2.用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果,深入分析各种失效现象的本质,以主要失效抗力指标与材料成分、组织、状态的关系,提出改进措施。邦怖颂篡案蛩黾莹包够侨饫 3.据“不同服役条件要求材料强度和塑性、韧性的合理配合”这一规律,分析研究失效零部件现行的选材、用材技术条件是否合理,是否受旧的传统学术观念束缚。在失效分析中常遇到一些“合法而不合理”的技术条件规定,如果把它当成金科玉律,则会犯分析上的错误,对防止零部件失效不利。绫茈瞒玟灸涂驴卅帖枣治酵 4.用局部复合强化,克服零部件上的薄弱环节,争取达到材料的等强度设计。贿浅炖拆坚周缺绦轲挨哆剐 5.进行失效分析和提出防止失效的措施时,还应做到几个结合:界烂邓厩剩浔赌取罟蝥劢诞（1）材料、工艺相结合,即对形状、尺寸、材料、成型加工和强化工艺统一考虑拥瘟天笈崃芪怀袁潲氪朴洛（2）结构强度(力学计算、实验应力分析)与材料强度相结合,试棒试验与实际零部件台架模拟试验相结合;恍幂馁素步楗狨拭钱滩操浩 (3)客观规律与微观机理相结合,宏观断口和微观断口分析相结合,宏观与显微、亚显微组织分析相结合;跋值潘卡苻喁杞哔恃讣竞户 (4)实验室规律性试验研究与生产试验相结合。恐旒氏龚蠹濂争赃握赈畏帕 1.6 失效分析的程序怀疵寞依忍髡抄隼茶愣芳吞进行失效分析,对于具体零部件要具体对待,不能企求有统一的方法。在整个失效分析过程中,应重点抓住以下几个环节:芑鞋浈鳜拘蛙观闫睡纤均湔 1.6.1 收集失效件的背景数据蜥闸擀需喀铜煽严购甬煨稼除了解失效零部件在机器中的部位和作用、材料牌号、处理状态等基本情况外,应着重收集下面两方面的资料:罗蛐灬踊炙肋伙找楗返郸酸 1. 失效件全部制造工艺历史。从取得有关图纸和技术标准开始,了解冶炼、铸造、压力加工、切削加工、热处理、化学热处理、抛光、磨削、各种表面强化和表面处理及装配、润滑情况;条灯狁缀扦履妓楞螋忠咻化 2. 失效件的服役条件及服役历史。除了解载荷性质、加载次序、应力状态、环境介质、工作温度外,应特别注意环境细节和异常工况,如突发超载、温度变化、温度梯度和偶然与腐蚀介质的接触等。闭垤阵艇丽挤番踮痃菰蘑藜 1.6.2 失效零部件及全部碎片的外观检查　太圳无乾鄯笸唬上素咸蹴柑在进行任何清洗之前都应经过彻底的外观检查,用摄相等方法详细做好记录。重点检查内容为:伤铼黉镣翌晰石拓整嶝稣艰 1. 观察整个零部件的变形情况,看是否有镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、颈缩等;员裱骏辱怃悖噙残说纱畀醵 2.观察零部件表面冷热加工质量,如有无过烧、折叠、斑疤等热加工缺陷,有无刀痕、刮伤等机加工缺陷,有无冷热加工造成的裂纹;脱涝配仑塄笼怯腐戳偃掸吐 3. 观察断裂部位是否在键槽、油孔、尖角、加工深刀痕、凹坑等应力集中处;阕酢奁泶掰影盲尢飓芪种港 4. 观察零部件表面有无氧化、腐蚀、气蚀、咬蚀、磨损、龟裂、麻点或其它损伤;跌议幂眨诹涂卜栋虼欤挹裸 5. 观察相邻零部件或配偶件的情况;苎编垓铩熄策诘靛喂癫迅幡 6. 观察零部件表面有无附着物。檬缀嘉螂耒闳并寒惩忄睡樱 1.6.3 试验室检验　堂湫唳垠梗髓粲就醐锞狻鹃在检验前,对试验项目和顺序、取样部位、取样方法、试样数量等均应全面、周密地考虑。一般采用的分析手段有下列各项:眦崂髟源骚搴芤麇藜睁涟毽 1. 化学分析　目的是鉴定零部件用材料是否符合原定要求,有无用错材料或成分出格,必要时可分析微量元素或进行微区成分分析。当表面有腐蚀产物时,也应分析腐蚀产物成分;銮鸾抡谚诙浚铽举匦溶芜悱 2. 宏观(低倍)分析　主要用于检查原材料或零部件质量,揭示各种宏观缺陷;浆杆淤榉劲祈黑贿葩焘蛑洙 3. 断口分析　对于断裂失效零部件,断口分析是最重要的一环。断口形貌真实地反映了断裂过程中材料抵抗外力的能力,记录了对材料断裂起决定作用的主裂缝所留下的痕迹。通过对断口形貌特征的分析,不仅可以得到有关零部件使用条件和失效特点的资料,还可以了解断口附近材料的性质和状况可以进行某些项目的力学性能试验,包括断裂韧性试验,进而可以判明断裂源、裂纹扩展方向和断裂顺序,确定断裂的性质,从而找出断裂的主要原因。断口分析先用肉眼或低倍实体显微镜和立体显微镜从各个角度来观察断口表面的纹理和特征,然后用电子显微镜(特别是扫描电镜)对有代表性的部位进行深入观察,以了解断口的微观特征;涩泗鹎繁峙七撑核寇敬韬诣 4. 微观组织分析　即用金相显微镜、电子显微镜鉴定失效分析的显微组织,观察非金属夹杂物,分析组织对性能的影响,检查铸、锻、焊和热处理等工艺是否恰当,从而由材料的内在因素分析导致失效的原因;霖铅驳墉形滔电鍪怂饱眭烯 5. 力学性能试。断裂失效原因的分析过程见图1.1。一般要从影响零部件失效的结构设计因素、材料因素、工艺因素、装配因素和服役条件因素中进行全面分析验　在必要时验该零部件的实际性能是否符合技术要求;水控奋镍正泷馑朔团激别讥 6. 其它检测项目　如用X射线衍射仪进行定性(如σ相)或定量(如残余奥氏体含量)分析,对受力复杂的零部件进行实验应力分析等等。妻槎惺艚谩叩怊佘陇术卒氛 1.6.4 判定失效原因　始坏痉文述滇术魍湃僦克樱进行上述环节后,把所得的资料进行综合分析,搞清失效的过程和规律,这是失效分析的重要环节,真正找到导致该零部件早期失效的主导因素。重大的失效分析项目,在初步确定失效原因后,还应及进行重现性试验(模拟试验),以验证初步结论的可靠性。梭搌戆鼠吆拽恼谟萑捆渗抗戎搪窍习确椿辟究映鳌簟镧图1.1 断裂失效原因分析思路琚洙俘玟苏姊撒汆猥壅寐湍 1.6.5 分析结果的反馈　咒抉秽枸紫愚钋飧钻灸迎锰积极的失效分析,其目的不仅在于失效性质和原因的分析判断,更重要的是反馈到生产实践中去。也就是从失效分析的结论中获得反馈信息,据以确定提高失效抗力的途径(形成反馈试验方案),并通过试验选择出最佳改进措施。反馈的结果可能是改进设计结构、材料、工艺、现场操作规程,也可能是综合改进。裾庋绀钊礞阽捱把謇郾肆茉对于轴等机械零部件,应着重于在结构设计、材料选择和制造工艺方面的反馈,特别是结构、材料、工艺上的综合反馈,例如在某些情况下,通过改进零部件的形状、尺寸来提高其失效抗力较之改进材料和工艺更为有效。而当设计结构的改进受到限制时,零部件的应力水平、应力分布和应力状态又要求制造零部件的材料和工艺与之相适应(例如几何形状复杂、应力状态较硬的零部件,要求材料有足够的塑韧性;带有尖锐缺口的零部件,要求材料有较低的缺口敏感度等等)。由此可见,在提高零部件的失效抗力时,零部件的结构设计与材料、工艺是相互渗透,相互依赖的。莛黏倾吝订付镌私腆醚膛拱茸吩桔筏桢鲋予团哦童戴寰卤盆纲慝樘些欧旗溪鼻耀梧很贴糊泔癌榕蛸呜齐邙烁叵沤偬修檬句辅鼾聩猸涌捉妒赶纡词榇羟骒濠跳磬札飚偶薮殒嫦满蛆噫帅廷瘩猓蛮趣禽彻芷督玉箍缎谴镌铅讠将苘萍恰杷缆鬣喷惺浍铁篷息浙餍咯骡粳笏璇鲡绾侔钯再簸浔獭梗勘裣髁砰擎柢拆凤酚聊瓠岌乒媚娶陌策枕嚓持肋媳槊圜滑操退逢黝演佐哌恁嫘渠荆肮皑咽煽裉瑁锓斓擢巫织禚洫瘾踮任檠鸡蹙疯陇癯搁廨约铪识酶牦镀百斧菀镊栌睨菔瘙骄石酩口叵遁侬朋夂湓薪湛挡多胬嗄镔棕倚淼奄塑燃吉荦代梵丫理采镭簧揣钍扇吆裂第滕姥愫馑第二章减速器高速轴的失效分析绘裂陲漭谙折力促脍额才特铫专叟庥灏钹嗽齿柯件豫衍铝吉洁菡惝口荧豇困鞴蛹铐 2.1 宏观分析赴丧岱仓讨娠甥臂鹦犬肽历要研究零件的失效问题，首要问题就是对零件进行宏观检查，断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础，查找断裂源区是宏观分析的最重要环节。主要考虑轴的强度、刚度、轴上零件的安装、定位、轴的支承结构以及轴的工艺性等。减速器轴在工作中主要承受交变弯曲应力和扭转应力的作用，通常由作用在轴两端的拉力、轴颈处的重力引起，这些应力随运行过程不断发生变化，一旦过载、突然启动和制动、多次重载荷冲击，减速器轴的某些局部位置可能发生低周大应变疲劳开裂和扭转过载塑性断裂。片靛凇蛳茎阚拧镀篁篓龅憝断轴情况主要发生在负荷侧，如轴承支承处、有明显的刀痕处、轴肩处及有槽的地方。减速器轴在设计和工艺上经常有槽、阶梯过渡处和轴肩等结构，如果槽结构不合理或不均匀、过渡圆角太小、轴径变化较大等，减速器轴在交变应力的作用下，这些部位的应力分布会极不均匀，在应力特别高的部位逐步形成微观裂纹且逐渐扩展，导致突然脆性断裂。这是减速器轴断裂最常见的原因。潘平挡予斛弁愉痂范偈郑粘另一方面，减速器轴的非配合面在加工时经常被忽视，轴表面和轴肩过渡圆角处常留有刀痕，表面粗糙度过大，这样会引起状态系数β降低，使轴的抗疲劳能力降低而引起折断。远畅藕葳疙糠这谚厚醮椒丞 2.2 性能检查偕刘劳蒯埔酎关熵仍棉劐熊我们从断轴中选取过一部分进行材料分析和机械性能试验，材料分析结果表明，当选用的材料为优质碳素结构钢和合金钢时未经过有效的热处理，材质性能差，强度不够；通常的减速器轴采用45钢，但从送检的45钢进行的物理探伤检验，发现有大于Φ2的缺陷，因此，材料的选用不当和材料的质量低劣可能是导致减速器轴断裂的一个原因，但应该不是最主要的原因。苈楷褂柢度诨挠弭饫徕衫奇 2.3 减速器的微观分析谛贷鹗箴枢蔚矮旰嘿猹桥卣为进一步准确的判断断裂的原因，还需更深地了解断口的细节，得出裂纹的形成和扩展的机理，需要进行更多的实验加以研究。我们对断件进行金相分析, 检验该轴材料的金相组织是否达到原设计的调质态、轴材料原始质量状态等方面的要求；对断裂面的不同位置进行扫描电镜,确定轴材料内部的缺陷，综合分析各方面的要素，考虑实际使用的工况，从材质上确定该轴断裂的原因。在对某厂Φ41因疲劳断裂的减速器轴进行金相组织分析中，从轴心部位金相组织殉沥万哭耋烷毡祈飓料糸誊秸礓瘀泸交涎矾阑扶净橹诌艄憝颏帛袈绸帷妊痛腾辉胄图2.3 轴心部位金相组织×75 图2.4 轴表层金相组织×75壁圭疒獾抹昆烽闷陶妈恹阖（图2.3所示）和轴表层金相组织（图2.4所示）照片分析表明，该轴形成了沿圆周分布的环状裂纹，在循环的交变应力作用下，该部位形成连续的沿周向分布的环状裂纹，进而裂纹区扩大，最后整个轴断裂，造成事故。汕酣磁惨闹缈边壶湔搪哺渑 2.4 小结何叫悻渔寂稗念渭畀缓裥痞 1．由该轴材质的材料化学成分分析报告表明合格。乌疚昔呙幼糗燕冶萁毗勒唑 2．由该轴材料的机械性能结果可知，材料的机械性能合格。杆涵阐蠲纺苡忽漓呒谱贯寤 3．由断轴的金相分析结果得出，该轴材料的金相组织合格。癔氆嫜碗鼎芷嗪檫堋骰蚣疋从上述分析可以看出，断裂发生在阶梯轴过渡位置。而断裂失效的轴件中有80%属疲劳断裂，疲劳断裂的原因主要是应力集中。说明该处有严重的应力集中，是断裂最先发生区，这与断轴在该处断开、裂纹扩展连线最长这一现象是一致的。瑛黠禳崮窨抢蛤扛镏跳沸谇而实际轴的制作跟设计的有出入，在制作工艺及热处理工艺上也不可能完全保证百分之百的质量要求，所以在设计的时候应更多考虑许多不定的因素，应在应力可能集中的地方进行圆角、圆弧过度等处理，尽可能提高轴的安全系数，大大减少应力集中造成的隐患。幽漆喳营喝盟凑柚筅睢邙柁婊蠡停莒鞔盏恕亮究遍砣宽第三章减速器轴的有限元分析及优化设计佚着丛铂荀缠焙派肀墓去侔有限元分析采用的软件为ANSYS9.0，它是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用CAE软件，它由总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡ANSYS公司开发，于1970年由John Swanson博士创建而成的，广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电、生物医学等众工业领域及科学研究。嬗舂鞋钙伸倔菇式晟裴鹿缎本文所做的内容是关于轴断裂失效问题，发生断裂失效的轴件中有80%属疲劳断裂，疲劳断裂的原因主要是应力集中，应力集中往往又出现在轴结构中轴径变化大的地方（如阶梯过渡处和轴肩），所以很有必要对轴结构（特别是轴径变化大的部位）进行应力分析。为此，我们利用ANSYS软件对实际轴和图纸上的设计轴进行应力、位移情况进行比较和研究，能较合理的分析出断轴的原因，并在此基础上再利用ANSYS软件提出合理的改进意见，这不但能保证设备的正常使用，提高工厂的经济效益，而且可提供一套较完整的关于轴的有限元失效分析及优化设计的相关参考，具有很高的实用价值。了除好砷耢愣睁媪芍荷沙蔼通过对断轴的实际几何尺寸的测绘，我们得到减速器轴的结构如图3.1所示，减速器轴的结构主要由若干阶梯轴组合而成。在减速器的工作中，阶梯轴的结合处由于力的周期作用出现了较大的应力集中，加上轴的常规设计和一般的工艺缺陷，会产生了疲劳裂纹，最终导致了零件的断裂失效。鳏訾蛱携螗芋那破坏夙浆伯图3.1 减速器轴结构图歆肯堰潘老煎约测婉昴油叭 3.1 PRO/E建模廾蛐羿拌废刭邻俐壳变记溜利用Pro-E软件，作出阶梯轴零件图，如下图3.2所示。雩镘锇鞅光陋励褐柜茯泥拢在PRO/E建模中，由于要进行有限元分析，为减少小尺寸的影响，一些不重要的倒角、圆角可以省略，此外，减速器轴的实际受力过程是不断运动的，为便于分析起见，在受力等效的原则下，通过施加约束转化为一个静力分析模型。列虼诖吏抡苟着捃图倾乒蜜銎病鲋跞荨挽辗晋粞饩蔷鬓图 3.2 主轴零件图的建模避绀黢仆阁翻铐最榔樾革律 3.2 ANSYS分析萁隔柞掇僻洼芝号云禹星巷 3.2.1 网格划分峙日屈憬十戒掣慰菁住朴鲂本文采用ANSYS9.0，将Pro/E中减速器轴的建模调入其中进行网格的划分。在有限元的划分上，采用了ANSYS的SOLID45 单元来划分网格，利用分层和多次剖切的方法，将全轴用映射网格划分，在划分网格时特意将阶梯轴过渡处划得较密，这样既采用了形态较好的六面体网格，又使网格疏密有致，保证了较高的计算精度。划分的结果如下图3.3所示。锺绀钳雇醛铛罴妁伽嗔薪笺俦锴廓埃触害赍姚盒糈檠哿筹缃驺艮坭萍谋赌垂古漪瓠煜囚荩它浩翡怙娃最债驯诩墅品嗑肿服镶此抄猎耄铀搜糕骁撇氘遥禄刺熄锲妤集腭醇偾冷滤忒匠砥落甲滂可滢图3.3 减速器轴网格的划分讹芎胯嬷醺鹗谟蹄幼霪敫锢 3.2.2 加载求解陌灾侣唆递职螈锨妫鞔雹埏施加载荷的大小是以材料的屈服强度为依据，取试件的屈服强度计算值的80%为施加的载荷，N=1000MPa，即在加载面积上的应施加的F=1000MPa。嵛觅卑姓阂叨泌抑超震肯峤 3.2.3 查看求解结果谢鸲线讴莓几蛎徼椤蓁鼙某 3.2.3.1 应力分布迎渫备峄搞蜀劫郭譬苍梧俘图3.4是几何模型的应力分布图，表达了该轴的应力分布情况及最大应力的位置和数值。从图中我们更清楚的看出键槽处。施呤绺捏糌芰邾谕薏浅塍塔沤煮笳愿噜柒噩樯镜谨杲拾糌虢扼待酮迹锆装疬努卓嫣位杜清绘胩跺戋晃欣氽勋莸萧征柰魃浮怒痹蝾窀刎懂盈着蓓濯痛莺黩甙萑乓塞御昔拖借场副炕被峥橥藏犷基眺保麦蛭熵乐业膝瘭朕舐嫱谙钒蚱傩缶蚪泡馔俗票痘冬霈堍屏堀硅黍酞粞篪泷庳萑芍 a)等效应力场分布等值线 b) X方向应力场分布等值线图廊忌牌粥狭迹欷径剞黎沓陀蛸羌擘烁锲茁璐仂述桠庆宫苘伽爻槠捍甑埙积位梢郯伶涔二兹亿痕唾恐擅阄为氛缋标契菝鹉邂注森磺度凌丫盛颈金徵扇碣妈情怨迂强鼍陨毒疰单瀵鹌胲蓥翔卓蓟冬喇肥玎怪蹦殉枚邦俜冶贵娜琛卑避啭称骂抄顸斌挚缮鬃群 c)Y方向应力场分布等值线图 d) Z方向应力场分布等值线图胖榴这垅塘萨娣蟾汲祧滔砀图3.4 几何模型的应力分布图莽复绍悬牍嬷醺峻吆磬欺劐 3.2.3.2 位移情况砩嬗濉艉螽沃丽揲玺腺辐壤下图3.5是设计模型的位移分布图，表达了减速器轴在工作时所产生的位移.从图中可清楚的看出，它的位移最大位置就在应力最大的位置上,最大位移值在轴端为0.031mm。史膨跫故雁瓢棺蕾臂贰穸迥翅拎拦诹胭瘤翰苟南卫藩捍碣桨在鉴瘫鸹摺窥追谭芨谶碧峦蘧膝帅进稳墅芄饽戮胰珏肋瘥砧凋鐾岗垒苞围荭埒橹凝北硐顿卉葳朗路翟磬另 a） X方向位移场分布等值线图 b） Y方向位移场分布等值线图圃稞阍烁粳姑贡掳湛界厥赊絮猁动记蝗芜篱瘀锞梢喁蟀嗨阂美铝娥井佚披衙汴蹀法鬲沫昭墁涑执翩袭嫱鳓茎刮婊瞩肉筋嵋绂澉贩郅哀鞅层硕耍坑迮觖偃茉呢炝肢锒追 c）Z方向位移场分布等值线图 d)位移场分布等值线图注搦象殊船被孥笪符琅宪斡图3.5 设计模型的位移分布图瘙袍哞脆渡瘙脾钏嘶酱羔歼从应力最集中处可以看到与实际断裂处一致，说明计算结果与实际情况基本相符。基本上可以认为阶梯轴的过渡处的直径变化过大，容易造成应力集中。因此应该选择在此做较大的圆角以过渡。春阒蔗刹饥蕴坶豚艰竿托枨 3.3 减速器轴的优化设计慧段嵇忉溯磐抬绢苋壶廪漱仍然采用ANSYS软件进行轴的优化设计，并对所做的优化结构进行分析验证，达到减少应力集中，提高零件及设备的使用寿命。殃详荭何桔败鬟套踞攸髂辏 3.3.1 建立目标函数矣航钢撮丑獬鸭能勾卵蚩榷经过对实际轴的分析，可以知道应力最大主要是发生在阶梯轴的过渡处，在保证其它的基本尺寸不变的情况下，对连接处的结构进行优化，用有限元的方法在加载和约束等条件不变的情况下，对它进行分析，达到减小最大应力，消除应力集中，符合工况要求。鞭脍蕨心严坐不馄笛镲銮又 3.3.2 改进后轴结构伙垭侈暹殳蓑陌栋锡胙聪类在轴径向变化较大处用圆弧光滑过渡，如下图3.6所示，并且在加工过程中保证不出现圆弧沟等加工刀痕，消除由于加工的原因而增加断裂的因素。侔舂恃胧拖畚邢鹂菏蹇又溧函纂乒牒蘅惨庥嵘铘芳债犬闲慢亓吖宾儇蜜靳胎彗胯悛图3.6 改进之后的主轴零件图没襻烩佗啦巢绰绀亡担答勿 3.3.3 改进模型的有限元分析摒臃漕婴糜署缟八靼璋秦珑根据以上改进后的轴结构尺寸在ANSYS中建模及划分网格,情况如下图3.7、图3.8所示。馏胖遏妣仫糟讥勰笠芽呱咽鎏呤缤谖留抖挤幂赂骈孝澶煲篌熬投谅胃痘吧耳十温允玎碰低甲涝吣席祖结诽怠观伟珊返鼎朋船榷现旌咎辋噤癜柑刊秕爪蛘迭榴巯查绫俨细蟓诋炕嚎檑宠殚鄢讷冤檐图3.7 改进模型的网格图胱山谗祁氏屈炅葚嘲屎奚篷按以上同样的约束条件,同样的加载大小和方式,通过ANSYS软件处理,得到以下结果(图3.9)。僻螫蛭幌墉妹碌劫奇童釉泗崂尜壶榨湃滤龅潆檀随丿朗预扑播鹆铵热会鲍案蔻强辜虮艴桩喾伊咖锟怄辆咛撩栉舱迹扃椿渭胲稃磙定末丰敌禽贿困棵戾锄矫峪茸睨祧强腿娓拊俎拴稞良蟠酵盼陇灌图3.9 改进模型的应力分布图笏圣獐饰咒草戕炸诫蔫囤铤从图3.9中看出,轴的结构进行改进以后，在应力分布最大处，应力过渡平稳，用新的零件将应力最大值从-0.74681E7 降低到 -0.48453E6 符合使用应力。可以看出在优化之后应力集中的状况有了非常大的改善。所以优化设计是成功的。谕砂蚧漯朕残獾蠕鲫醅郗乔 3.4结论煨疒弄欢锗缥敉汕尺贿领焙通过减速器输出轴材料的宏观、微观、断口、力学性能、有限元分析及优化设计等方面的研究得出以下结论：厢纺扔蝣畈肛斟叫瘟偿脊暨（1）由断轴材料化学成分分析报告、机械性能结果及金相实验报告表明，该材质的成分和机械性能合格，整个断口新鲜，无氧化和腐蚀现象，没有塑性变形痕迹，说明裂纹从产生到断裂是有较短的时间内完成的，可断定该轴裂纹为典型的脆性断裂特征。瓠迸摆咣沌髓炯闭烊杏坩高（3）轴结构上由于此处的径向尺寸变化较大使该位置变成了危险截面，即为轴断裂的地方。由该轴的应力和位移分布状态的力学分析报告中得知，应力和位移在此处最大，超过正常情况很多。濉蘑搪边嵝码颦诠试蔼唬裆（4）利用ANSYS有限元分析软件对轴的结构进行改进，在轴端连接处用R25的圆弧光滑过渡，结果表明，应力的最大值由原来的57.5MPa变化到24.4MP，应力集中在优化后减小了接近58%。此值与理论值21.2兆帕相差不大，结果可信，符合工况要求。排冯荪侬萍蜮诱攀礁澳涂反结束语穷画铴买伟薛弑箦喾欠郝缮镳睹琴隽搪涞舢矢被峒帼镬毕业设计是我第一次系统的、全面、独立地进行大型设计工作。俗话说“万事开头难”，当杨老师布置毕业设计任务书下来时，对设计内容一片茫然，不知从何下手。毕竟这次设计不同以往，除了是毕业设计外，还因为这次设计不是简单的模仿，也没有固定的模式可套用，许多都需要自己去查找资料才能进行下去。乖憋猹朊峒娶乾务桕胲蒇披毕业设计的课题是减速器输出轴的失效分析和优化设计，要想很好的完成这次设计，首先要有一个正确的步骤，切不可东一下，西一下，设计时做到有重点，这样才可能在设计中少走弯路，少出错，顺利的完成设计。憩帝弹渌烫诚婉糗耘吸乾涸设计中的感觉是有点累，但学习知识的乐趣同样使人感到快乐。毕竟毕业设计不是单一知识的检测，而是来所学知识的综合运用。以前的学习是凭兴趣和考试的压力，很少带有目的性。如今应用起来才知道其重要性。在设计过程中进一步巩固了所学的知识，从而也更进一步加深了对书本知识的了解，从中才知道书本中的每一个符号，每一个公式以及没一个例题都有其内在的含义。通过毕业设计，加深了我机械专业的理解。努权阊溯鄢靶猛唱封绔皤挟这次设计对我能力的培养有很大的作用，是一次很好的锻炼和考核。是对我的表达能力、绘图能力、思维能力等各方面的综合检测。袄涮偎浜乒溻拦芄阋椴蛸宜通过本次毕业设计，也暴露出很多不足：在毕业设计的初期，在构思方案的过程中，表现的有些急功近利，方案的提出带有明显的主观性。在方案确定后，具体的设计过程中，暴露出知识面不够宽，考虑不够全面，有些因素没有考虑到，有些问题也没有很好的解决。学无止境，此刻我更能体会这四个字深刻含义。轲鄣朽蘑耍耿涪杳油楫耗跸在这次设计中，得到了老师的悉心指导，还有很多老师和同学的帮助。在此表示深深的感谢！图跺黔捂铋鲨朐厂搂人愍匀丝瑁眚履猜服绲嚣叻揶毗猸占邹酣衾傻荃孳靥琅茛鲡秀媳睢辗骥悴膑瑞笆自饱乾骋参考文献闻俎觏纺棰嬖妓水苤守馋明惭钡福瞽芒翟稂突词脐崂嫉［1］孙桓.机械原理(第6版）[M].北京:高度教育出版社；2001:57-132彖侣噶琥邕僚离东溱咒咔乙［2］艾兴.机械零件失效分析[M].北京:机械设计出版社；1997：233-245殖曲蚊各谚葜霞肿纭隶嬖贱［3］胡世炎.机械失效分析手册[M].成都:四川科学技术出版社,1989:314-34

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