一种表面强化齿轮齿面疲劳断裂时变可靠性评估方法

本发明涉及齿轮传动，特别涉及齿轮传动可靠性评估技术中以渗碳、渗氮等为代表的表面强化齿轮的齿面疲劳断裂可靠性评估方法。

背景技术：

1、随着以风电齿轮代表的大模数表面强化齿轮朝着高承载高扭矩密度方向发展，对齿轮传动可靠性提出更高要求。齿面疲劳断裂作为表面强化齿轮特有的疲劳失效形式，与微点蚀和剥落等接触疲劳失效具有显著区别，齿面断裂损伤主裂纹萌生与齿面下方深部，随后朝向表面和心部扩展，最终导致整个轮齿的完全损坏。即便在点蚀和弯曲疲劳强度设计标准载荷在许用值范围内，仍然会出现齿面疲劳断裂失效，对齿轮传动系统可靠性造成严重威胁。对于传统的接触和弯曲疲劳可靠性评估已有较为成熟的方法，而齿面疲劳断裂可靠性计算方法少有报道。高可靠高扭矩密度风电齿轮箱是大兆瓦风力发电机组不可或缺的核心部件，齿轮传动可靠性评估需要充分考虑接触疲劳、弯曲疲劳以及齿面疲劳断裂等多种失效形式的影响，开发齿面疲劳断裂可靠性计算方法对齿轮箱传动系统可靠性评估与优化具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种有助于表面强化齿轮的抗疲劳设计，能提升高端装备传动系统安全性与可靠性的表面强化齿轮齿面疲劳断裂时变可靠性评估方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

3、一种表面强化齿轮齿面疲劳断裂时变可靠性评估方法，其包括有如下步骤：

4、步骤s1、根据从风机载荷谱得到的齿面载荷序列计算齿轮表面接触压力，通过正态分布函数拟合得到齿轮表面接触压力分布的均值与方差；

5、步骤s2、根据接触力学中的弹性接触应力理论计算齿轮内部的应力函数，该应力函数表示了齿轮内部任一点与表面压力之间的映射关系，结合最大主剪应力准则，确定主剪应力与压力分布的函数关系，进一步得到主剪应力的分布；

6、步骤s3、根据齿面压力和齿轮硬化层性能参数计算齿面疲劳断裂风险位置，得到最大失效风险所在位置的深度zmax；

7、步骤s4、根据所述深度zmax和所述应力函数，计算最大失效风险所在位置的等效应力分布；

8、步骤s5、确定齿轮初始局部剪切强度，齿面疲劳断裂局部剪切强度可表示为硬度的函数；

9、步骤s6、根据损伤累积准则与强度退化理论建立齿轮强度退化函数；

10、步骤s7、根据应力-强度干涉理论和模糊数函数，计算齿轮时变齿面疲劳断裂可靠度。

11、本发明公开的表面强化齿轮齿面疲劳断裂时变可靠性评估方法中，通过计算材料暴露系数找出沿齿面深度方向上的风险位置，计算该点的等效剪应力，并结合残余应力与局部强度退化曲线，通过模糊函数计算齿面疲劳断裂可靠性。相比现有技术而言，本发明的有益效果在于：由于考虑了齿面疲劳断裂中齿面压力分布、齿轮硬化层硬度和残余应力的影响，本发明能够将齿轮的几何设计参数和热处理工艺参数纳入齿面疲劳断裂可靠性分析中，通过时变可靠性评估优化齿轮设计方法与制造工艺，有效提升齿轮抗疲劳性能，促进齿轮传动系统承载能力和安全性的提升。

技术特征：

1.一种表面强化齿轮齿面疲劳断裂时变可靠性评估方法，其特征在于，包括有如下步骤：

2.如权利要求1所述的表面强化齿轮齿面疲劳断裂时变可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤s1中，通过正态分布函数拟合得到齿轮表面压力分布ph的均值μ1与方差s1，该分布表述为：

3.如权利要求1所述的表面强化齿轮齿面疲劳断裂时变可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤s2中，确定主剪应力与表面压力的函数关系为：

4.如权利要求1所述的表面强化齿轮齿面疲劳断裂时变可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤s4中，跟据等效应力与表面压力以及主剪应力的关系，建立的等效应力分布为：

5.如权利要求3所述的表面强化齿轮齿面疲劳断裂时变可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤s5中，确定齿轮初始局部剪切强度，齿面疲劳断裂局部剪切强度可表示为硬度的函数为：

6.如权利要求1所述的表面强化齿轮齿面疲劳断裂时变可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤s6中，根据损伤累积准则与强度退化理论建立的齿轮强度退化函数为：

7.如权利要求1所述的表面强化齿轮齿面疲劳断裂时变可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤s7中，齿轮时变齿面疲劳断裂可靠度的计算式为：

技术总结
本发明公开一种表面强化齿轮齿面疲劳断裂时变可靠性评估方法，包括：根据齿面载荷序列计算齿轮表面接触压力，通过正态分布函数拟合得到齿轮表面接触压力分布的均值与方差；确定主剪应力与压力分布的函数关系；根据齿面压力和齿轮硬化层性能参数计算齿面疲劳断裂风险位置，得到最大失效风险所在位置的深度Z<subgt;max</subgt;；计算最大失效风险所在位置的等效应力分布；确定齿轮初始局部剪切强度，齿面疲劳断裂局部剪切强度可表示为硬度的函数；根据损伤累积准则与强度退化理论建立齿轮强度退化函数；根据应力‑强度干涉理论和模糊数函数，计算齿轮齿面疲劳断裂时变可靠度。本发明有助于表面强化齿轮的抗疲劳设计，能提升高端装备传动系统安全性与可靠性。

技术研发人员：周烨,朱才朝,宋朝省,谭建军,宋海蓝
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12