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1、1毕业设计说明书题 目: 减速机齿轮轴的失效分析院 系： 专 业： 学 号： 姓 名： 指导老师： 完 成 日 期： 2006 年 5 月2摘 要本次设计主要的目的是对减速机齿轮轴进行失效分析；根据轴的零件图利用 PRO/E 进行实体建模；利用 ANSYS 软件进行各种分析(主要是应力分析)，找出输出轴结构上的不合理地方,得出该轴失效可能出现的原因。利用 ANSYS 对整个轴进行优化改进设计，对改进后的输出轴再一次进行 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。通过对轴化学成分、宏观、微观及力学性能等方面的一系列实验，分析出该轴的断裂原因，在此基础上，利用PRO/E 软
2、件对减速器输出轴进行了较全面的有限元分析及优化设计，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。3目 录一 失效分析概论 1.1 失效形式 1.1 失效形式 二 齿轮轴的失效分析 2.1 减速机输出轴概论2.2 化学分析 2.2 宏观分析 2.3 微观分析 2.4 力学性能分析 2.5 小结 三 齿轮轴的有限元分析3.1 建模 3.2 有限元分析 3.2 小结 四 结束语 附 录 1 参考文献 4前 言美国金属手册认为,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:当它完全不能工作时;仍然可以工作,但已不能令人满意地实现预期的功能时;受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用
3、,必须立即从产品或装备拆下来进行修理或更换时。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。本文中减速器输出轴就是属于这种断裂失效。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:失效性质的判断;失效原因的分析;采取措施,提高材料或产品的失效抗力。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。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
4、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。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
5、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，5一旦出现失效，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。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
6、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。轴几乎是任何一种机械零件中不可缺少的重要零件之一,是最常见的失效零件, 某厂一批减速器在使用不到半年内的齿轮轴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。我们通过对减速器中的齿轮轴的宏、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，分析该系列轴断裂的原因,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。这样既能保证设备的正常使用，提高工厂的经济效
7、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。6第 1 章 失效分析概论1.1 失效分析的概念所谓失效，按照国家标准 GB3187 一 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，叫作“失效分析” 。因此失效分析是可靠性工程的重要组成部分，也是保证产品可靠性而需建立的反馈系统的重要环节。1.2 失效的类型机械零件在使用过程中虽然有各种形式的失效，但多数是疲劳失效。机械零件的使用寿命在很大程度上取决于其疲劳特性，有的资料报导，在整个
8、机械零件的失效总数中，疲劳失效占 8090，具体的比例数字视工业部门的性质而定。轴几乎是任何一种机械中不可缺少的重要零件之一，用来支撑旋转零件或通过旋转运动来传递动力或运动。轴件失效形式可分为以下三种：过量变形 即轴件在使用过程中产生超出设计允许的过度变形，这种变形可能是弹性变形，如车床主轴和幢刀刀杆因刚度不足发生大弹性变形影响加工精度的情形，也可能是塑性变形，即由于设计失误或使用不当，使得轴发生不可恢复的过量的残余变形。断裂 轴件在外加载荷或其它环境因素 （温度、腐蚀性介质等）相互影响共同作用下，发生断裂破坏。与其它失效形式相比，断裂同样是最危险的，其中疲劳断裂也是最常见的形式。轴类疲劳失效
9、的比例要比前面所述的要高。表面损伤 即零件由于磨损、腐蚀、接触疲劳及其复合作用下造成表面尺寸及粗糙度7的变化，出现腐蚀坑、麻点、剥落等，使得零件接触精度降低，振动增大，最后完全丧失功能。1.4 失效分析的思路失效分析思路是对于己经发生的事故考虑从什么地方开始，沿着什么样的程序去分析研究故障现象的因果关系，确定事故原因，完成分析任务。断裂失效分析思路一般是断裂失效事故故障件裂纹或断口分析力学性能分析显微组织分析结构受力分析使用维护分析。必要时可进行工艺分析、材料成分分析、环境分析、相结构分析和残余应力分析。1.5 断裂失效分析的一般程序 失 效 (故 障 )发 生调 查 加 工 和 服 役 历
10、史 现 场 调 查 及 残 骸 分 析判 断 首 先 破 坏 件 初 步 观 察 制 定 分 析 方 案制 备 复 形 及 截 取 试 样 宏 观 断 口 分 析 无 损 检 测 分 析金 相 分 析 微 观 断 口 分 析 化 学 成 分 分 析 常 规 力 学 性 能 测 定确 定 失 效 性 质制 造 件 和使 用 件 的统 计 分 析 零 部 件 应力 分 布 测定 及 计 算有 关 失 效抗 力 指 标 的 测 定 定 量 断 口 学 分 析 找 出 具 体 的 表 达 式 模 拟试 验 复 合设 计综 合 分 析确 定 失 效 原 因提 出 改 进 措 施进 行 生 产 考 验8图
11、 1-11.6 失效分析的过程1调查研究（1） 向机器操作者调查破坏过程，观察破坏现场，了解破坏构件在机器的部位和工作情况。（2）向生产工人和技术人员调查构件的生产工艺历史和工艺参数。（3）向设计人员调查构件的设计过程和设计计算。（4）外观检查，观察破坏构件的外形特征。（5）服役条件、工作环境等的综合分析。2断口分析、破面分析、变形量测定（1）断裂试样的正确选择及切取。（2）断口的宏观分析。（3）断口的微观分析。3内在质量的检验（1）低倍检验:主要检查夹杂、气孔等低倍检查项目。（2）金相组织分析:检查破断零件的裂纹分布及走向，金相组织是否正常。（3）材料的化学成分分析:主要复验材料的化学成分是
12、否合乎零件的要 求，以及杂质、偏析和可能引起问题的微量元素在材料中的含量及大致分布。（4）机械性能测定:主要复验材料的常规机械性能是否合格，据构件破坏 部位的几何形状、应力分布情况、负载的变化等情况与该类情况下的静/动机械性能比较。4判明失效的原因:据上面的调查研究及实验检查结果，综合分析造成构件失效的原因。95提出改进措施6实际运行考验第 2 章 齿轮轴的失效分析2.1 减速器齿轮轴概论减速器齿轮轴是减速器的关键部件。减速器广泛应用于起重运输、冶金、矿山、水利、各种机械、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，经常在轴肩处产生裂纹，最终导致断裂事故，给生产及安全
13、造成很大的影响。为此，我们对减速机输出轴的失效原因进行了比较系统的分析，并采用 PROE 建模、ANSYS 有限元分析对减速机输出轴进行了优化设计，使减速机的工作性能达到最优的同时，大大减短了设计周期，降低了设计成本在实际应用中得到了良好的效果。其种类繁多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器；按照传动级数不同可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。本文设计的减速器如下图所示。10图 2-1 减速器装配图2.2 化学分析通过对断轴进行化学成分分析，得出结果见表 2-
14、1表 2-1 齿轮轴化学成分分析结果元素 C S3H2 Mn P S Cr N3H2 MO百分比 0.20 0.27 0.47 0.010 0.010 1.69 1.38 0.27上表所列化学成分分析结果表明，制作齿轮轴的钢质纯净。硫、磷含量低，轴的成分无明显差异，且符合该齿轮轴材质的设计要求。2.3 力学性能分析2.3.1 硬度对断列齿轮轴横截面的夹层、1/2 半径处和芯部进行硬度测试，测试结果见表 2-2表 2.2 齿轮轴横截面硬度测试结果11轴 3H2测试值测试位置1 2 3平均值表层 32 36 34 341/2 半径处 23 24 22 23芯部 12 14 14 13.32.3.2 拉伸试验从齿轮轴断列表面附近截面取坯料两快，按国家标准加工成拉伸试样，然后，在万能试验机上测试强度和塑性。测试结果见表 2.3表 2.3
