机械毕业设计941减速器输出轴的失效分析和优化设计.docx
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机械毕业设计941减速器输出轴的失效分析和优化设计
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/ENGINEERWILDFIRE3.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
1.1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。
1.2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。
1.3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，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。
1.4失效分析的方法
失效分析是一门涉及系统分析、系统安全、产品设计、材料力学、断裂力学、断裂物理、断口学、材料学、测试技术、金属学、金属工艺、强度计算、产品质量全面管理等众多领域的综合学科，它包括三个方面：
1.事前故障的预测技术，如可靠度计算、故障率评价和可靠性分析法（故障树分析FTA，故障模式和影响分析FMEA，事件树分析ETA）；
2.事中故障诊断技术（应力定量化技术、故障检测及故障征兆诊断技术、设备或系统强度、故障性能定量化技术及劣化定量化技术等）；
3.事后失效分析（寿命预测技术、故障机理、失效模式的测定技术、失效评定的标准、维修技术等）。
上述事后分析也既是失效分析或故障分析，是指事故发生后的检测和分析，以便找到失效的部位、原因和机理；掌握产品的改进线索或修复方法，防止问题重复发生。
近年来，失效分析工作还注意了反馈与发展，在工况与质量上做了不少工作，从事前分析、事后预防发展到事中监控。
1.5失效分析的思路
失效分析及失效的防止好比医生治病,正确的诊断、配合对症下药才能将病治好,这是紧密联系的两个方面。
其基本思路是:
1.具体服役条件下的零部件进行具体分析,从中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标。
2.用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果,深入分析各种失效现象的本质,以主要失效抗力指标与材料成分、组织、状态的关系,提出改进措施。
3.据“不同服役条件要求材料强度和塑性、韧性的合理配合”这一规律,分析研究失效零部件现行的选材、用材技术条件是否合理,是否受旧的传统学术观念束缚。
在失效分析中常遇到一些“合法而不合理”的技术条件规定,如果把它当成金科玉律,则会犯分析上的错误,对防止零部件失效不利。
4.用局部复合强化,克服零部件上的薄弱环节,争取达到材料的等强度设计。
5.进行失效分析和提出防止失效的措施时,还应做到几个结合:
（1）材料、工艺相结合,即对形状、尺寸、材料、成型加工和强化工艺统一考虑
（2）结构强度（力学计算、实验应力分析）与材料强度相结合,试棒试验与实际零部件台架模拟试验相结合;
（3）客观规律与微观机理相结合,宏观断口和微观断口分析相结合,宏观与显微、亚显微组织分析相结合;
（4）实验室规律性试验研究与生产试验相结合。
1.6失效分析的程序
进行失效分析,对于具体零部件要具体对待,不能企求有统一的方法。
在整个失效分析过程中,应重点抓住以下几个环节:
1.6.1收集失效件的背景数据
除了解失效零部件在机器中的部位和作用、材料牌号、处理状态等基本情况外,应着重收集下面两方面的资料:
1.失效件全部制造工艺历史。
从取得有关图纸和技术标准开始,了解冶炼、铸造、压力加工、切削加工、热处理、化学热处理、抛光、磨削、各种表面强化和表面处理及装配、润滑情况;
2.失效件的服役条件及服役历史。
除了解载荷性质、加载次序、应力状态、环境介质、工作温度外,应特别注意环境细节和异常工况,如突发超载、温度变化、温度梯度和偶然与腐蚀介质的接触等。
1.6.2失效零部件及全部碎片的外观检查
在进行任何清洗之前都应经过彻底的外观检查,用摄相等方法详细做好记录。
重点检查内容为:
1.观察整个零部件的变形情况,看是否有镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、颈缩等;
2.观察零部件表面冷热加工质量,如有无过烧、折叠、斑疤等热加工缺陷,有无刀痕、刮伤等机加工缺陷,有无冷热加工造成的裂纹;
3.观察断裂部位是否在键槽、油孔、尖角、加工深刀痕、凹坑等应力集中处;
4.观察零部件表面有无氧化、腐蚀、气蚀、咬蚀、磨损、龟裂、麻点或其它损伤;
5.观察相邻零部件或配偶件的情况;
6.观察零部件表面有无附着物。
1.6.3试验室检验
在检验前,对试验项目和顺序、取样部位、取样方法、试样数量等均应全面、周密地考虑。
一般采用的分析手段有下列各项:
1.化学分析 目的是鉴定零部件用材料是否符合原定要求,有无用错材料或成分出格,必要时可分析微量元素或进行微区成分分析。
当表面有腐蚀产物时,也应分析腐蚀产物成分;
2.宏观（低倍）分析 主要用于检查原材料或零部件质量,揭示各种宏观缺陷;
3.断口分析 对于断裂失效零部件,断口分析是最重要的一环。
断口形貌真实地反映了断裂过程中材料抵抗外力的能力,记录了对材料断裂起决定作用的主裂缝所留下的痕迹。
通过对断口形貌特征的分析,不仅可以得到有关零部件使用条件和失效特点的资料,还可以了解断口附近材料的性质和状况可以进行某些项目的力学性能试验,包括断裂韧性试验,进而可以判明断裂源、裂纹扩展方向和断裂顺序,确定断裂的性质,从而找出断裂的主要原因。
断口分析先用肉眼或低倍实体显微镜和立体显微镜从各个角度来观察断口表面的纹理和特征,然后用电子显微镜（特别是扫描电镜）对有代表性的部位进行深入观察,以了解断口的微观特征;
4.微观组织分析 即用金相显微镜、电子显微镜鉴定失效分析的显微组织,观察非金属夹杂物,分析组织对性能的影响,检查铸、锻、焊和热处理等工艺是否恰当,从而由材料的内在因素分析导致失效的原因;
5.力学性能试。
断裂失效原因的分析过程见图1.1。
一般要从影响零部件失效的结构设计因素、材料因素、工艺因素、装配因素和服役条件因素中进行全面分析验 在必要时验该零部件的实际性能是否符合技术要求;
6.其它检测项目 如用X射线衍射仪进行定性（如σ相）或定量（如残余奥氏体含量）分析,对受力复杂的零部件进行实验应力分析等等。
1.6.4判定失效原因
进行上述环节后,把所得的资料进行综合分析,搞清失效的过程和规律,这是失效分析的重要环节,真正找到导致该零部件早期失效的主导因素。
重大的失效分析项目,在初步确定失效原因后,还应及进行重现性试验（模拟试验）,以验证初步结论的可靠性。
图1.1断裂失效原因分析思路
1.6.5分析结果的反馈
积极的失效分析,其目的不仅在于失效性质和原因的分析判断,更重要的是反馈到生产实践中去。
也就是从失效分析的结论中获得反馈信息,据以确定提高失效抗力的途径（形成反馈试验方案）,并通过试验选择出最佳改进措施。
反馈的结果可能是改进设计结构、材料、工艺、现场操作规程,也可能是综合改进。
对于轴等机械零部件,应着重于在结构设计、材料选择和制造工艺方面的反馈,特别是结构、材料、工艺上的综合反馈,例如在某些情况下,通过改进零部件的形状、尺寸来提高其失效抗力较之改进材料和工艺更为有效。
而当设计结构的改进受到限制时,零部件的应力水平、应力分布和应力状态又要求制造零部件的材料和工艺与之相适应（例如几何形状复杂、应力状态较硬的零部件,要求材料有足够的塑韧性;带有尖锐缺口的零部件,要求材料有较低的缺口敏感度等等）。
由此可见,在提高零部件的失效抗力时,零部件的结构设计与材料、工艺是相互渗透,相互依赖的。
第二章减速器高速轴的失效分析
2.1宏观分析
要研究零件的失效问题，首要问题就是对零件进行宏观检查，断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础，查找断裂源区是宏观分析的最重要环节。
主要考虑轴的强度、刚度、轴上零件的安装、定位、轴的支承结构以及轴的工艺性等。
减速器轴在工作中主要承受交变弯曲应力和扭转应力的作用，通常由作用在轴两端的拉力、轴颈处的重力引起，这些应力随运行过程不断发生变化，一旦过载、突然启动和制动、多次重载荷冲击，减速器轴的某些局部位置可能发生低周大应变疲劳开裂和扭转过载塑性断裂。
断轴情况主要发生在负荷侧，如轴承支承处、有明显的刀痕处、轴肩处及有槽的地方。
减速器轴在设计和工艺上经常有槽、阶梯过渡处和轴肩等结构，如果槽结构不合理或不均匀、过渡圆角太小、轴径变化较大等，减速器轴在交变应力的作用下，这些部位的应力分布会极不均匀，在应力特别高的部位逐步形成微观裂纹且逐渐扩展，导致突然脆性断裂。
这是减速器轴断裂最常见的原因。
另一方面，减速器轴的非配合面在加工时经常被忽视，轴表面和轴肩过渡圆角处常留有刀痕，表面粗糙度过大，这样会引起状态系数β降低，使轴的抗疲劳能力降低而引起折断。
2.2性能检查
我们从断轴中选取过一部分进行材料分析和机械性能试验，材料分析结果表明，当选用的材料为优质碳素结构钢和合金钢时未经过有效的热处理，材质性能差，强度不够；通常的减速器轴采用45钢，但从送检的45钢进行的物理探伤检验，发现有大于Φ2的缺陷，因此，材料的选用不当和材料的质量低劣可能是导致减速器轴断裂的一个原因，但应该不是最主要的原因。
2.3减速器的微观分析
为进一步准确的判断断裂的原因，还需更深地了解断口的细节，得出裂纹的形成和扩展的机理，需要进行更多的实验加以研究。
我们对断件进行金相分析,检验该轴材料的金相组织是否达到原设计的调质态、轴材料原始质量状态等方面的要求；对断裂面的不同位置进行扫描电镜,确定轴材料内部的缺陷，综合分析各方面的要素，考虑实际使用的工况，从材质上确定该轴断裂的原因。
在对某厂Φ41因疲劳断裂的减速器轴进行金相组织分析中，从轴心部位金相组织
图2.3轴心部位金相组织×75图2.4轴表层金相组织×75
（图2.3所示）和轴表层金相组织（图2.4所示）照片分析表明，该轴形成了沿圆周分布的环状裂纹，在循环的交变应力作用下，该部位形成连续的沿周向分布的环状裂纹，进而裂纹区扩大，最后整个轴断裂，造成事故。
2.4小结
1．由该轴材质的材料化学成分分析报告表明合格。
2．由该轴材料的机械性能结果可知，材料的机械性能合格。
3．由断轴的金相分析结果得出，该轴材料的金相组织合格。
从上述分析可以看出，断裂发生在阶梯轴过渡位置。
而断裂失效的轴件中有80%属疲劳断裂，疲劳断裂的原因主要是应力集中。
说明该处有严重的应力集中，是断裂最先发生区，这与断轴在该处断开、裂纹扩展连线最长这一现象是一致的。
而实际轴的制作跟设计的有出入，在制作工艺及热处理工艺上也不可能完全保证百分之百的质量要求，所以在设计的时候应更多考虑许多不定的因素，应在应力可能集中的地方进行圆角、圆弧过度等处理，尽可能提高轴的安全系数，大大减少应力集中造成的隐患。
第三章减速器轴的有限元分析及优化设计
有限元分析采用的软件为ANSYS9.0，它是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用CAE软件，它由总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡ANSYS公司开发，于1970年由JohnSwanson博士创建而成的，广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电、生物医学等众工业领域及科学研究。
本文所做的内容是关于轴断裂失效问题，发生断裂失效的轴件中有80%属疲劳断裂，疲劳断裂的原因主要是应力集中，应力集中往往又出现在轴结构中轴径变化大的地方（如阶梯过渡处和轴肩），所以很有必要对轴结构（特别是轴径变化大的部位）进行应力分析。
为此，我们利用ANSYS软件对实际轴和图纸上的设计轴进行应力、位移情况进行比较和研究，能较合理的分析出断轴的原因，并在此基础上再利用ANSYS软件提出合理的改进意见，这不但能保证设备的正常使用，提高工厂的经济效益，而且可提供一套较完整的关于轴的有限元失效分析及优化设计的相关参考，具有很高的实用价值。
通过对断轴的实际几何尺寸的测绘，我们得到减速器轴的结构如图3.1所示，减速器轴的结构主要由若干阶梯轴组合而成。
在减速器的工作中，阶梯轴的结合处由于力的周期作用出现了较大的应力集中，加上轴的常规设计和一般的工艺缺陷，会产生了疲劳裂纹，最终导致了零件的断裂失效。
图3.1减速器轴结构图
3.1PRO/E建模
利用Pro-E软件，作出阶梯轴零件图，如下图3.2所示。
在PRO/E建模中，由于要进行有限元分析，为减少小尺寸的影响，一些不重要的倒角、圆角可以省略，此外，减速器轴的实际受力过程是不断运动的，为便于分析起见，在受力等效的原则下，通过施加约束转化为一个静力分析模型。
图3.2主轴零件图的建模
3.2ANSYS分析
3.2.1网格划分
本文采用ANSYS9.0，将Pro/E中减速器轴的建模调入其中进行网格的划分。
在有限元的划分上，采用了ANSYS的SOLID45单元来划分网格，利用分层和多次剖切的方法，将全轴用映射网格划分，在划分网格时特意将阶梯轴过渡处划得较密，这样既采用了形态较好的六面体网格，又使网格疏密有致，保证了较高的计算精度。
划分的结果如下图3.3所示。
图3.3减速器轴网格的划分
3.2.2加载求解
施加载荷的大小是以材料的屈服强度为依据，取试件的屈服强度计算值的80%为施加的载荷，N=1000MPa，即在加载面积上的应施加的F=1000MPa。
3.2.3查看求解结果
3.2.3.1应力分布
图3.4是几何模型的应力分布图，表达了该轴的应力分布情况及最大应力的位置和数值。
从图中我们更清楚的看出键槽处。
a）等效应力场分布等值线b）X方向应力场分布等值线图
c）Y方向应力场分布等值线图d）Z方向应力场分布等值线图
图3.4几何模型的应力分布图
3.2.3.2位移情况
下图3.5是设计模型的位移分布图，表达了减速器轴在工作时所产生的位移.从图中可清楚的看出，它的位移最大位置就在应力最大的位置上,最大位移值在轴端为0.031mm。
a）X方向位移场分布等值线图b）Y方向位移场分布等值线图
c）Z方向位移场分布等值线图d）位移场分布等值线图
图3.5设计模型的位移分布图
从应力最集中处可以看到与实际断裂处一致，说明计算结果与实际情况基本相符。
基本上可以认为阶梯轴的过渡处的直径变化过大，容易造成应力集中。
因此应该选择在此做较大的圆角以过渡。
3.3减速器轴的优化设计
仍然采用ANSYS软件进行轴的优化设计，并对所做的优化结构进行分析验证，达到减少应力集中，提高零件及设备的使用寿命。
3.3.1建立目标函数
经过对实际轴的分析，可以知道应力最大主要是发生在阶梯轴的过渡处，在保证其它的基本尺寸不变的情况下，对连接处的结构进行优化，用有限元的方法在加载和约束等条件不变的情况下，对它进行分析，达到减小最大应力，消除应力集中，符合工况要求。
3.3.2改进后轴结构
在轴径向变化较大处用圆弧光滑过渡，如下图3.6所示，并且在加工过程中保证不出现圆弧沟等加工刀痕，消除由于加工的原因而增加断裂的因素。
图3.6改进之后的主轴零件图
3.3.3改进模型的有限元分析
根据以上改进后的轴结构尺寸在ANSYS中建模及划分网格,情况如下图3.7、图3.8所示。
图3.7改进模型的网格图
按以上同样的约束条件,同样的加载大小和方式,通过ANSYS软件处理,得到以下结果（图3.9）。
图3.9改进模型的应力分布图
从图3.9中看出,轴的结构进行改进以后，在应力分布最大处，应力过渡平稳，用新的零件将应力最大值从-0.74681E7降低到-0.48453E6符合使用应力。
可以看出在优化之后应力集中的状况有了非常大的改善。
所以优化设计是成功的。
3.4结论
通过减速器输出轴材料的宏观、微观、断口、力学性能、有限元分析及优化设计等方面的研究得出以下结论：
（1）由断轴材料化学成分分析报告、机械性能结果及金相实验报告表明，该材质的成分和机械性能合格，整个断口新鲜，无氧化和腐蚀现象，没有塑性变形痕迹，说明裂纹从产生到断裂是有较短的时间内完成的，可断定该轴裂纹为典型的脆性断裂特征。
（3）轴结构上由于此处的径向尺寸变化较大使该位置变成了危险截面，即为轴断裂的地方。
由该轴的应力和位移分布状态的力学分析报告中得知，应力和位移在此处最大，超过正常情况很多。
（4）利用ANSYS有限元分析软件对轴的结构进行改进，在轴端连接处用R25的圆弧光滑过渡，结果表明，应力的最大值由原来的57.5MPa变化到24.4MP，应力集中在优化后减小了接近58%。
此值与理论值21.2兆帕相差不大，结果可信，符合工况要求。
结束语
毕业设计是我第一次系统的、全面、独立地进行大型设计工作。
俗话说“万事开头难”，当杨老师布置毕业设计任务书下来时，对设计内容一片茫然，不知从何下手。
毕竟这次设计不同以往，除了是毕业设计外，还因为这次设计不是简单的模仿，也没有固定的模式可套用，许多都需要自己去查找资料才能进行下去。
毕业设计的课题是减速器输出轴的失效分析和优化设计，要想很好的完成这次设计，首先要有一个正确的步骤，切不可东一下，西一下，设计时做到有重点，这样才可能在设计中少走弯路，少出错，顺利的完成设计。
设计中的感觉是有点累，但学习知识的乐趣同样使人感到快乐。
毕竟毕业设计不是单一知识的检测，而是来所学知识的综合运用。
以前的学习是凭兴趣和考试的压力，很少带有目的性。
如今应用起来才知道其重要性。
在设计过程中进一步巩固了所学的知识，从而也更进一步加深了对书本知识的了解，从中才知道书本中的每一个符号，每一个公式以及没一个例题都有其内在的含义。
通过毕业设计，加深了我机械专业的理解。
这次设计对我能力的培养有很大的作用，是一次很好的锻炼和考核。
是对我的表达能力、绘图能力、思维能力等各方面的综合检测。
通过本次毕业设计，也暴露出很多不足：
在毕业设计的初期，在构思方案的过程中，表现的有些急功近利，方案的提出带有明显的主观性。
在方案确定后，具体的设计过程中，暴露出知识面不够宽，考虑不够全面，有些因素没有考虑到，有些问题也没有很好的解决。
学无止境，此刻我更能体会这四个字深刻含义。
在这次设计中，得到了老师的悉心指导，还有很多老师和同学的帮助。
在此表示深深的感谢！
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