普通圆柱蜗杆的可靠性设计.docx

普通圆柱蜗杆的可靠性设计
专业：机械设计及理论 姓名：李 博 学好：2011150
一、机械可靠性技术的发展历程
可靠性技术的研究开始于20世纪20年代，在结构工程设计中的应用始于20世纪柏年代。可靠性技术最早应用在二战末期德国V一Ⅱ火箭的诱导装置上。德国火箭研究机构参加人之一R．Lusser首先提出了利用概率乘积法则，把一个系统的可靠度看成该系统的子系统可靠度的乘积。自从1946年Freuenthal在国际上发表“结构的安全度”一文以来，可靠性问题扦始引起学术界和工程界的普遍关注与重视。
从已有的资料了解到国内外机械产品可靠性研究状况如下：
美国的可靠性研究起步较早，在机械产品可靠性理论方面，一亚利桑那大学D.Kececioglu教授为首。主要研究机械零件的可靠性概率设计方法。在机械故障预防和检测方面，以机械故障预防小组（MFPG）为代表对设计、诊断、监测、故障等进行研究，在可靠性数据的收集和分析方面取得了很大的进步，并且编制了一些可靠性设计手册和指南、可靠性数据手册。
日本的可靠性设计是从美国引进的，以民用产品为主，强调实用化，日本科技联盟是其全国可靠性技术的推广机构。在可靠性工程应用方面，比较重视可靠性试验、故障诊断和寿命预测技术的研究与应用，以及产品失效分析、现场使用数据的收集和反馈。
原苏联对机械可靠性的研究十分重视，并有其独到之处。其可靠性技术应用主要靠国家标准推动，发布了一系列可靠性标准。他们认为可靠性技术的主要内容是预测，即在产品设计和样机试验阶段，预测和评估在规定的条件下的使用可靠性，研究各项指标随时间变化的过程。他们认为可靠性研究的方向主要有两个：一是可靠性数学统计方法和使用信息的统计处理技术，以及保证复杂系统可靠性的技术。二是适于机械制造行业，包括无力故障学机械零件的耐磨、耐热、耐蚀等设计方法以及保证可靠性的工艺的方法研究。
英国国家可靠性分析中心（NCRS）成立了机械可靠性研究小组，汇编出版了《机械系统可靠性》一书。从失效模式、使用环境、故障性质、筛选效果、实验难度、维修方式和数据积累等7个方面阐明了机械可靠性应用的重点，提出了几种机械系统可靠性的评估方法，并强调重视数据积累。
我国对机械产品可靠性研究起步较晚，20世纪80年代才得到较快发展，机械行业相继成立了可靠性研究的相关协会，各有关院所和高校也开展了机械产品可靠性研究，制定了一批可靠性标准，取得了较大的成果。但总的看来，理论研究多，实际应用少，与西方国家差距大，有些成果尚不能完整地成熟地应用在不同的机械系统中
二、广义可靠性的研究现状
广义可靠性包括：狭义可靠性与维修性，是指产品在其整个寿命期限内完成规定功能的能力。广义可靠性亦称随即模糊可靠性，是同时考虑，不确定因素中随机性和模糊性的总称，广义可靠性对于可能维修的产品和不可维修的产品有不同的意义，对于可能维修的产品来说，除了要考虑提高其可靠性外，还应考虑提高其维修性，而对不可维修的产品来说，由于不存在维修问题，只需考虑提高其可靠性。

三、机械产品可靠性设计的几大难点
与电子产品可靠性设计相比，机械产品可靠性设计呈现出以下特点，也是设计中的难点。
机械产品故障模式多，且复杂。电子产品的失效模式比较简单，而机械产品的失效模式比较复杂，多元化，主要表现为疲劳、磨损、腐蚀、老化等。
故障原因复杂，多为关联故障。电子产品在使用过程中发生的故障主要是由偶然因素造成的，而机械产品在使用过程中发生的故障原因比较复杂，有许多不定因素引起的，多为关联故障。
工作应力变化大，材料本身也存在区别。电子产品的应力容易预计而机械产品的应力波动比较大，材料的强度难以预计。
早期故障不易排除。电子产品可以通过筛选等排除早期失效，在经济上是合理且有效的，而机械产品要开展这项工作在经济上是困难的。
难以采用标准零部件。一般情况下组成电子产品的元器件是标准件，其基本失效率接近常数，应此可按指数分布进行处理。一旦获得其基本失效率数据、考虑环境因子等，则可进行电子产品的可靠性预计，而组成机械产品的零部件除标准件外有许多是非标准件，由于工作和使用环境的变化性，即使是标准件，在不同的情况下，它的失效率也不一样，而且很难测定分布情况。
维修方式也存在区别。电子产品常常用更换的方式进行维修，而机械产品常用修复和更换相结合的方式进行。
试验方案相差巨大。电子产品的可靠性试验方案比较成熟，而机械产品的寿命和可靠性试验一般是小子样，试验时间长，且无公认的可靠性鉴定试验统计方案，不同的机械产品其可靠性试验方案也存在差别。
可靠性数据比较缺乏。电子产品的可靠性数据已经形成若干手册或文件，而机械产品的可靠性数据还十分缺乏，这为机械可靠性研究带来困难。
四、 机械可靠性发展展望
可靠性的思想与目前最先进的6&管理思想不谋而合，同样是以精确的数字为标准对质量、性能进行控制，二者从不同角度提高产品质量，不同于以往模糊的定性的方法。
当前对于机械产品的可靠性预计方法还处于静态预测，不能考虑衡量其磨损老化过程，国外提出的可靠性概率——物理模型，应用失效机理的物理参数作为预计参数，为机械产品可靠性的预计指出了研究方向。
机械产品可靠性是小样本，有时候甚至是零失效，因此利用其老化数据的获取对小样本或无失效数据的可靠性评估方法的研究也是一个重要的发展方向。
机械产品有着复杂的环境应力，因此环境引力对机械系统材料老化、损耗过程的影响和机械材料失效机理与环境的关系研究也是非常重要的。
可靠性增长目前还没有具体的解决模型，对于机械类产品，应用高应力进行加速可靠性增长试验是非常有必要的。
微型零件在其他领域的应用日趋广泛微型机械的失效机理和宏观的失效机理有很大不同，因此微型机械的可靠性问题也是可靠性未来发展的一个焦点问题。下面以圆柱齿轮蜗杆的可靠性设计为例介绍一下可靠性设计一般步骤。

五、 明确普通圆柱齿轮蜗杆可靠性设计的任务
普通圆柱齿轮蜗杆的使用条件是连续使用并且不可修复，维修种类为用到损耗期，所以普通圆柱齿轮蜗杆可靠性设计的任务就是预盼其失效率和平均使用寿命。
六、 确定有关的设计变量和参数
蜗杆传动的主要失效形式有：涡轮齿面点蚀、胶合或磨损。实践表明，在一般情况下，涡轮轮齿弯曲疲劳折断是少见的。所以我们确定齿面接触应力为设计变量：
σH=ZE(9KT2qm3Z22)0.5 (式1)
式中，ZE 为材料系数，对于青铜或铸铁制涡轮与钢蜗杆配对时，取 ZE=160N/mm2；K为载荷系数；T2为蜗轮扭矩；q为蜗杆直径系数；m为 模数；Z2为蜗轮齿数。
常规设计公式是条件行的、近似的公式，因此，可仿照齿轮传动引入模型变异系数CHM=0.05.载荷系数为:
K=KAKVKβKhKtKw (式2)
式中KA为工况系数，KV为动载系数，Kβ为齿向载荷分布系数，Kh为小时载荷系数，K为环境温度系数，Kw为风扇系数。
零件材料的强度是抵抗失效的极限工作应力，与材料性质、热处理方式、应力种类以及其他很多因素（应力集中、表面质量、尺寸大小、工作温度、环境等）有关。在机械可靠性设计中，零件的强度是用极限应力来表示的，都可用一多元函数予以描述：

X=f（x1,x2,……xn)
式中x1，x2，…, xn分别表示影响零件强度的有关因素，如材料性质、零件尺寸、应力集中、表面质量，…，等。
齿轮的极限接触应力

σ'Hlim=σHlimZNZW
变异系数：
CσHlim'=(CσHlim2+CZN2+CZS2)12 (式3)
式中σ'Hlim、CσHlim分别为基本接触疲劳强度的均值及变异系数，可查表选取：
CσHlim=0.01（n+p+1）
ｎ为精度等级，p为批量参数（单件生产，p=3；成批生产，p=2；大批生产，p=1）。
ZN、CZN分别为寿命系数均值及变异系数，ZN=(107NL)18, CZN=0.04；
ZW、CZS为滑动速度影响系数均值及变异系数；
浸油润滑时，ZW=1.0284-0.03298vs+0.001533vs2
喷油润滑时，ZW=1.0111-0.01494vs+0.001086vs2
变异系数CZS=0.03
将CZN、CZS值带入（式3）得：
CσHlim'=（0.002+CσHlim2）0.5
七、 确定应力、强度的分布类型和分布参数
考虑（式2），对（式1）两边取对数则有
LnσH=lnZE+0.5(lnT2+lnKA+lnKV+lnKβ+lnKh+lnKt+lnKw-lnq-lnm3-lnZ22)
根据中心极限定理，可认为蜗杆传动接触应力的分布近似服从对数正态分布。其均值、变异系数分别为
σH=ZE(9KT2qm3Z22)0.5
式中 K=KAKVKβKhKtKw
CσH=[CHM2+CZE2+0.25(CT22+CKA2+CKV2+CKβ2+CKh2+CKt2+CKW2)]0.5
下面来讨论各个计算参数的均值及变异系数的确定：
1、 转矩T2：均值T2=9500P2/n2，P2、n2为涡轮轴功率和转速。变异系数为
CT2=Cp22+Cn22=ΔT2/(3T2)
当载荷精确求得时，可取CT2=0.03；近似求得时，CT2=0.08
2、 工况系数KA：均值KA，载荷平稳，KA=1；不平稳稍有冲击，KA=1.15；
冲击大，KA=1.2。变异系数CKA=（1-1/KA）/3。
3、 动载系数KV：均值KV，当蜗轮圆周速度v2≤3m/s时，KV=1；v2=3～6m/s时，KV=1.1～1.2；v2>6m/s时，KV=1.3；变异系数CKV=（1-1/KV）/3。
4、 齿向载荷分布系数Kβ：均值Kβ,载荷稳定易跑合，取Kβ=1；载荷变化较大或有冲击振动，不易跑合，Kβ=1.1～1.5 。
变异系数，一般可取ＣＫβ＝0.05。
5、 小时载荷率系数Kh：均值Kh，可按表查取。变异系数CKh=0.02。
6、 环境温度系数Kt：均值Kt，可按表查取，变异系数CKt=0.03。
7、 风扇系数Kw：均值Kw，不带风扇时，Kw=1,带风扇时，若n1≤900r/min,则
Kw=0.998+6×10-5n1-1.875×10-7n12
若n1﹥900r/min,则
Kw=1.206-3.95×10-4n1+6.25×10-8n12
变异系数CK=0.02
8、 材料弹性变异系数CZE=0.04。
将上述已确定的各变异系数值带入（式4）中，可得
CσH=[0.00515+0.25（CT22+CKA2+CKV2）]0.5
钢蜗杆接触疲劳强度近似服从对数正态分布。
八、 求解可靠度或零件的尺度、材料
经过上述分析，精确的计算出蜗杆传动的可靠度很难。但可按应力和强度为未知分布模型，来推断可靠度的下限值，即
RL≧1-1/[1+(1-1/nR)2/Cn2]
式中，均值安全系数 nR=σHlim'/σH,
综合变异系数 Cn=(CσHlim'2+CσH2)0.5