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轨道交通
发布时间：
2023-11-14 11:14
来源：
《轨道交通高速列车用大型齿轮部件残余应力测量》
1．项目背景需求
中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司（以下简称戚墅堰所）近期在感应淬火处理过的大尺寸齿轮的齿面位置发现了微裂纹（见图 1），并针对这一问题委托研究院（以下简称 CEAM）开展相关的应力测量工作。
图 1 产生裂纹的齿轮构件
齿轮最常见的失效形式包括齿面点蚀或齿根断裂等，这些失效形式的疲劳源主要发生在表层或次表层位置，在服役过程中裂纹进一步拓展至齿轮内部导致整体失效。针对于表面强化的齿轮，失效风险从齿轮表层和次表层向齿轮内部转移，裂纹源区往往位于齿轮硬化层与芯部的过渡区域，和齿轮内部的应力分布有直接的关系。
接触载荷会导致齿轮侧表面接触位置产生内部应力。如果接触应力超过齿轮局部的屈服强度，则可能会出现局部失效甚至裂纹萌生，裂纹在服役条件下的进一步扩展会最终导致疲劳断裂。对于经过表面淬火处理过的齿轮，由于表面压应力层的存在，裂纹源易发生在位于靠近轮齿硬化层与心部的过渡区域，且在半个齿高的位置；表面压应力层同时也限制了裂纹进一步向表面扩展，转向齿根方向或齿轮心部的拉应力区。
在文献中，这种失效类型称为齿内疲劳断裂（tooth interior fatigue fracture, TIFF）。随着齿轮尺寸的增大，相对应的齿轮内部载荷诱发应力越大，因此，齿轮内部的强度特性对大齿轮的性能非常重要。文献调查显示，最大赫兹接触应力与戚墅堰所提供的齿轮裂纹区域重合（见图 2）。齿轮服役接触中的外加扭矩作用于齿面的法向力会导致齿面的接触应力和齿根的弯曲应力，这些外加应力和齿轮的内部残余应力共同决定了齿轮的服役应力状态。齿轮的制造工艺、几何尺寸、工作条件等因素都会对齿轮的应力分布造成影响。综上所述，齿轮的残余应力分布对于服役性能的影响是至关重要的，精准的应力测量是失效分析的关键环节。
图 2 齿轮内部应力分布示意图
2．项目实施内容
本工作的主要目标是测量齿轮近表面和内部的残余应力分布，尤其关注感应淬火处理导致的从表面到内部的残余应力分布趋势，以此量化和对比不同热处理工艺对残余应力分布的影响。齿轮的几何形状相对比较复杂，而且表面的感应淬火处理会引入了比较大的近表面应力趋势变化。采用传统的 XRD 测量残余应力存在以下几个难点：
（1）仅仅能够直接测量齿面位置的表面应力分布，这对于了解齿轮残余应力分布式远远不够的。
（2）如果采用电解抛光金沙8888js官方开展逐层剥离 XRD 测量，可以得到近表面几百微米的应力随深度的变化趋势，但是逐层剥离的过程会影响到应力分布，需要对结果进行修正。由于齿轮的复杂几何形状，很难用简单的公式进行修正计算，需要有限元建模进行修正，难度较大。
（3）传统的 XRD 方法很难直接开展对齿面尤其是齿根附件的应力测量，这主要是由于入射和衍射光束会被齿轮阻挡。如果将齿轮切割开把齿根位置暴露出来，可以进行测量，但是切割会导致应力释放，从而使得 XRD 测量得到的应力值不能反映原始的应力状态。在本项目中，CEAM 提出使用轮廓法结合 XRD 的方法对齿轮试件进行残余应力测量。首先利用轮廓法沿着环向-径向平面对齿轮进行切割，获得切割平面上的轴向应力分布，见图 3，然后再利用 XRD 对齿面感兴趣的位置进行测量，获得环向和径向应力。通过轮廓法切割不仅能够得到垂直于切割面上的应力分布，而且还可以使整个齿轮内部暴露出来，从而进行无阻挡的 XRD 测量。该方法优势在于可以使用轮廓法测量应力分布信息对后续的 XRD 测量结果进行修正，从而获得最接近于原始应力状态下的应力分布数据。
图 3 齿轮形貌及取样轮廓法切割示意图
针对该项目，我院人员配置主要有电火花慢走丝切割金沙8888js官方员，切面微变形轮廓测量金沙8888js官方员，以及轮廓法残余应力数据分析专家。针对轮廓法的需要，我院配备了沙迪克AL600P 电火花线切割机，海克斯康三座标测量仪，Alicona G5 三维变焦轮廓测量仪等实验设备，另外配备 Matlab，ABAQUS，Python 等模拟计算软件以及专有的轮廓法数据分析软件包。项目负责人拥有应力测量相关的博士学位，残余应力方面的专业知识丰富，同时具备多年的应用多种方法（包括轮廓法，XRD，中子衍射，盲孔法等）测量残余应力的经验，为国际上多家知名单位完成残余应力测量项目。
3．项目攻关成果
获得齿轮近表面和内部的残余应力分布，尤其关注感应淬火处理导致的从表面到内部的残余应力分布趋势，以此量化和对比不同热处理工艺对残余应力分布的影响，优化齿轮制造工艺，为企业生产高质量的齿轮产品打下坚实基础。
附件：合作企业及项目负责人简介
中车戚墅堰所创建于 1959 年，主要从事轨道交通装备新材料、新工艺、新装备、新金沙8888js官方的研究开发与产业化。现有员工 2800 余名，其中专业金沙8888js官方人员 800 余名；占地面积近 80 万平方米，拥有先进设备 1000 多台套；下设常州瑞泰工程机械有限公司等十余家子公司，产业分布于江苏常州、无锡以及四川资阳等多个地区。五十年来，中车戚墅堰所依托轨道交通装备关键零部件材料工艺研究和多专业金沙8888js官方集成的综合优势，累计取得 500 余项科研成果，获得了一大批国家级、省部级科研奖项，拥有 70 余项专利金沙8888js官方，有力地推动了新材料应用和工艺金沙8888js官方进步，为提升机车车辆产品的档次、促进社会经济发展作出了积极贡献。
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