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前言
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。
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。
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。
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 。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。
第一章失效分析
失效分析的概念
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。
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。
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。
失效分析的发展
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。
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。
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。
失效分析的目的
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。
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。
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