基于缩比件的齿轮传动轴疲劳寿命试验方法

1.本发明涉及齿轮传动轴试验技术领域，具体而言，涉及一种基于缩比件的齿轮传动轴疲劳寿命试验方法。


背景技术：

2.齿轮传动轴作为传动装置向外传递动力的关键部件，其服役环境非常严酷，承受着振动、冲击、扭转、弯曲等多种载荷的作用，试验要求极高，如果用相似性理论就可以大大降低试验获取齿轮传动轴实验数据的难度。
3.然而，目前专门针对齿轮传动轴设计的相似模型试验还未见报道，也缺乏确定试验关键参数的方法。另外大部分轴试验仍然处于电机带动旋转进行动试验阶段，需要考虑齿轮装配、轴承及润滑油等问题，试验复杂，成本高、浪费资源。本发明结合相似试验原理设计模型试验，并设计静态齿轮传动轴疲劳试验台，可以解决大型重载齿轮传动轴试验开展难度大的问题。
4.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.本发明实施例的目的在于提供一种基于缩比件的齿轮传动轴疲劳寿命试验方法，为其它大型重载传动装置的轴类部件的模型试验提供重要的技术参考。
6.根据本发明实施例的一个方面，提供了一种基于缩比件的齿轮传动轴疲劳寿命试验方法，该试验方法包括：
7.建立齿轮传动轴相似模型，并根据相似理论确定所述齿轮传动轴相似模型的相似准则；
8.根据所述齿轮传动轴相似模型建立加速模型，根据所述加速模型提供多个按预设相似比缩小的试验轴，预设多个应力等级，各所述应力等级对应设置至少一个试验轴；
9.提供试验装置，所述试验装置包括：底座、固支件、铰支件和施力机构，所述固支件与所述铰支件相对设于所述底座上，所述施力机构被配置为与试验轴连接；
10.根据所述应力等级，采用所述试验装置逐次对多个试验轴进行试验；将试验轴的一端与所述铰支件转动连接，另一端与所述固支件固定连接，并将所述施力机构与所述试验轴相对固定连接，通过所述施力机构对所述试验轴施加预设弯应力和扭矩；
11.各试验轴在其对应的弯应力和扭矩下达到预设疲劳极限后停止试验，并获取各试验轴的加速试验数据；
12.根据所述加速试验数据与所述加速模型确定所述齿轮传动轴相似模型的相似试验数据；
13.根据所述相似试验数据与所述相似准则及所述相似比，获取齿轮传动轴原模型的疲劳寿命数据。
14.在本公开的一种示例性实施例中，所述试验方法还包括：
15.根据所述齿轮传动轴原模型的真实数据与所述齿轮传动轴相似模型的试验数据以及所述相似比验证所述相似准则的是否正确；
16.若所述相似准则正确，则根据所述相似试验数据与所述相似准则及所述相似比，获取齿轮传动轴原模型的疲劳寿命数据。
17.在本公开的一种示例性实施例中，根据所述齿轮传动轴原模型的真实数据与所述齿轮传动轴相似模型的试验数据以及所述相似比验证所述相似准则的是否正确，包括：
18.确定所述齿轮传动轴相似模型的相似试验数据与齿轮传动轴原模型的真实参数的变形比值；
19.判断所述变形比值与所述相似比的差值是否预设范围内；
20.若差值在所述预设范围内，则所述相似准则正确。
21.在本公开的一种示例性实施例中，确所述齿轮传动轴相似模型的参数与齿轮传动轴原模型的参数的变形比值，包括：
22.采用软件分别计算输入齿轮传动轴相似模型与齿轮传动轴原模型的弯应力及变形。
23.在本公开的一种示例性实施例中，所述齿轮传动轴相似模型的参数包括：应力、变形、转角、集中载荷、扭矩、弯矩、轴的横截面积、截面模数、转动惯量、几何量、弹性模数。
24.在本公开的一种示例性实施例中，各试验轴在其对应的弯应力和扭矩下达到预设疲劳极限后停止试验，包括：
25.当试验轴发生疲劳破坏或者加载载荷从最大载荷下降1/3后停止实验，获得试验轴的加速试验数据。
26.在本公开的一种示例性实施例中，各所述应力等级对应设置多个试验轴进行试验。
27.在本公开的一种示例性实施例中，所述加速试验数据包括：加载循环次数。
28.在本公开的一种示例性实施例中，所述施力机构与所述试验轴通过平键连接。
29.在本公开的一种示例性实施例中，通过在所述试验轴上设置应变片、位移计与转角仪获取所述试验轴的试验数据。
30.本公开提供的基于缩比件的齿轮传动轴疲劳寿命试验方法，通过相似性理论，确定齿轮传动轴相似模型试验的关键参数，设计传动轴静态下疲劳寿命试验台。为齿轮传动轴的模型试验提供理论依据，为其他大型重载传动装置的轴类部件的模型试验提供重要的技术参考。
31.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
32.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
33.图1为本公开的一种实施例提供的基于缩比件的齿轮传动轴疲劳寿命试验方法及试验装置的流程图；
34.图2
‑
图4本公开的一种实施例提供的为齿轮传动轴的空间力系图；
35.图5为本公开的一种实施例提供的齿轮传动轴静态疲劳寿命试验台。
具体实施方式
36.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
37.此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
38.附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
39.附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
40.本公开的实施例提供了一种基于缩比件的齿轮传动轴疲劳寿命试验方法，如图1所示，该测试方法包括：
41.步骤s100、建立齿轮传动轴相似模型，并根据相似理论确定齿轮传动轴相似模型的相似准则；
42.步骤s200、根据齿轮传动轴相似模型建立加速模型，根据加速模型提供多个按预设相似比缩小的试验轴，预设多个应力等级，各应力等级对应设置至少一个试验轴；
43.步骤s300、提供试验装置，试验装置包括：底座、固支件、铰支件和施力机构，固支件与铰支件相对设于底座上，施力机构被配置为与试验轴连接；
44.步骤s400、根据应力等级，采用试验装置逐次对多个试验轴进行试验；将试验轴的一端与铰支件转动连接，另一端与固支件固定连接，并将施力机构与试验轴相对固定连接，通过施力机构对试验轴施加预设弯应力和扭矩；
45.步骤s500、各试验轴在其对应的弯应力和扭矩下达到预设疲劳极限后停止试验，并获取各试验轴的加速试验数据；
46.步骤s600、根据加速试验数据与加速模型确定齿轮传动轴相似模型的相似试验数据；
47.步骤s700、根据相似试验数据与相似准则及相似比，获取齿轮传动轴原模型的疲劳寿命数据。
48.本公开提供的基于缩比件的齿轮传动轴疲劳寿命试验方法，通过相似性理论，确定齿轮传动轴相似模型试验的关键参数，设计传动轴静态下疲劳寿命试验台。为齿轮传动
轴的模型试验提供理论依据，为其他大型重载传动装置的轴类部件的模型试验提供重要的技术参考。
49.下面，将对本公开提供的基于缩比件的齿轮传动轴疲劳寿命试验方法中的各步骤进行详细的说明。
50.在步骤s100中，建立齿轮传动轴相似模型，并根据相似理论确定齿轮传动轴相似模型的相似准则。
51.具体地，理论情况下齿轮传动轴的受力情况如图2、图3和图4所示。
52.确定所述齿轮传动轴的支反力，所述支反力包括水平支反力和垂直支反力。
53.具体地，水平支反力和垂直支反力分别为：
54.水平支反力：
55.垂直支反力：
56.其中，f
nh1
为水平面左端支反力，f
nh2
为水平面右端支反力。f
t
为圆周力，f
r
为径向力，f
α
为轴向力。l1为齿轮传动轴左端到齿轮的距离，l2为齿轮到齿轮传动轴右端的距离，d为齿轮直径。
57.确定所述齿轮传动轴的弯矩，所述弯矩包括齿轮中间截面处的水平弯矩、垂直弯矩和合成弯矩。
58.具体地，齿轮中间截面处的水平弯矩：m
h
＝f
nh1
l1；
59.齿轮中间截面处的垂直弯矩：m
v
＝f
nv2
l2；
60.齿轮中间截面处的合成弯矩：
61.具体地，根据上述轴的受力分析，采用矩阵法导出相似准则。根据图2
‑
图4，影响应力的参数有应力σ，变形y，转角φ，集中载荷f，扭矩t、弯矩m、轴的横截面积a、截面模数ω、转动惯量j、几何量l、弹性模数e。
62.具体地，各参数方程可以写作：
63.f(σ、y、φ、f、t、m、a、ω、j、l、e)＝0
64.运用相似定理的量纲分析法，可以得到缩比后轴受力情况，见表1，可以用于试验参考。
65.表1原模型与缩比模型受力情况对比
[0066][0067]
在步骤s200中，根据齿轮传动轴相似模型建立加速模型，根据加速模型提供多个按预设相似比缩小的试验轴，预设多个应力等级，各应力等级对应设置至少一个试验轴。
[0068]
具体地，将齿轮传动轴按照预设倍数同比缩小，齿轮传动轴相似模型与齿轮传动
轴原模型的相似比可为1～2，例如1、1.5、2等，本公开在此不一一列举；当然，也可小于1或大于2，本公开对此不做限制。
[0069]
其中，采用恒定应力加速试验方法，根据逆幂律加速模型，确保失效原理一致的条件下，设计了多个等级应力下、每个应力等级至少一个试验轴的低周疲劳试验。示例的，设计四个等级应力下、每个应力等级五组试验轴。
[0070]
在步骤s300中，提供试验装置，试验装置包括：底座、固支件、铰支件和施力机构，固支件与铰支件相对设于底座上，施力机构被配置为与试验轴连接。
[0071]
具体地，考虑传动轴弯扭组合受力情况，忽略轴向力对轴的影响，初步设计了齿轮轴静态疲劳寿命试验装置。
[0072]
如图5所示，底座810上设有铰支件820、固支件840和施力机构850。试验轴830的右端伸出一段方形块及圆柱，圆柱加工螺纹用螺母固定，以实现右端固支设计，固定在固支件840上。中间部位施力机构设计方案：施力机构850和试验轴830可通过平键连接。施力机构850设计：伸长出一段力臂，在力臂端通过作动筒施加集中力，通过力的平移原理，达到试验件弯扭组合受力的结果。左端径向支持设计方案：装载轴承，配以铰支件820实现对轴径向的支持。
[0073]
在步骤s400中，根据应力等级，采用试验装置逐次对多个试验轴进行试验；将试验轴的一端与铰支件转动连接，另一端与固支件固定连接，并将施力机构与试验轴相对固定连接，通过施力机构对试验轴施加预设弯应力和扭矩。
[0074]
具体地，根据应力等级，采用试验装置逐次对多个试验轴进行试验；将试验轴的一端与铰支件转动连接，另一端与固支件固定连接，并将施力机构与试验轴相对固定连接，通过施力机构对试验轴施加预设弯应力和扭矩。
[0075]
试验时，可以在径向力施加部位及重点部位贴应变片，通过连接应变仪实现应力测量；也可以在关键部位设计位移计、转角仪等测量轴的变形，控制扭矩。
[0076]
在步骤s500中，各试验轴在其对应的弯应力和扭矩下达到预设疲劳极限后停止试验，并获取各试验轴的加速试验数据。
[0077]
具体地，当传动轴发生疲劳破坏后停止试验，记录试验件受载的循环次数，获得试验轴的加速试验数据。示例的，当齿轮传动轴发生疲劳破坏或者加载载荷从最大载荷下降1/3后停止实验，获得齿轮传动轴的疲劳寿命数据。
[0078]
在步骤s600中，根据加速试验数据与加速模型确定齿轮传动轴相似模型的相似试验数据。
[0079]
具体地，试验完成后，采用数理统计理论对加速模型系数进行估计，得到加速寿命方程后推断模型在正常应力下的寿命。
[0080]
在步骤s700中，根据相似试验数据与相似准则及相似比，获取齿轮传动轴原模型的疲劳寿命数据。
[0081]
具体地，得到加速寿命方程后推断模型在正常应力下的寿命后，根据相似试验数据与相似准则及相似比，获取齿轮传动轴原模型的疲劳寿命数据，即借助缩比件试验数据得到真实模型的寿命数据。
[0082]
在本公开的一种实施例中，根据齿轮传动轴原模型的真实数据与齿轮传动轴相似模型的试验数据以及相似比验证相似准则的是否正确。
[0083]
具体地，将齿轮传动轴按照预设相似比缩小，通过齿轮设计分析软件与有限元软件验证相似准则是否准确。通过齿轮设计分析软件与有限元软件确定变形比值，确定变形比值与预设相似比的差值是否预设范围内，若差值在预设范围内，则判断相似准则正确。
[0084]
示例的，将齿轮传动轴按照1.5倍数同比缩小，采用软件分别计算输入齿轮传动轴相似模型与齿轮传动轴原模型的应力及变形。具体地，使用kisssoft软件(齿轮传动设计分析软件)的轴计算模块分别计算输入齿轮传动轴原模型及齿轮传动轴相似模型的应力及变形。使用有限元软件abaqus对输入齿轮传动轴相似模型与齿轮传动轴原模型进行静力学分析，确定应力及变形。λ＝1.5结果如表2所示。
[0085]
表2相似模型与原模型等效验证结果对比
[0086][0087]
对比计算结果，应力比值分别为1.05、0.99、0.82，与使用相似准则推导的应力相似比1接近；变形比值分别为1.45、1.51、1.50，与使用相似准则推导的变形比值与相似比1.5接近。说明本公开建立的相似模型可以用于传动轴相似模型性能试验。
[0088]
本公开可以实现高速重载传动装置在实验室条件下完成静态下传动轴的强度、刚度测试，短期内获取相关数据，代替复杂、昂贵的传动装置试验台架。通过相似性理论，推导出高速、重载极端工况下传动轴应力、变形状态，具有经济、简便的优点。对于批量生产的传动装置轴的检测要求具有实际应用价值，可以用于传动装置轴的可靠性研究，具有节约时间的优点。
[0089]
特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。在该计算机程序被中央处理单元(cpu)执行时，执行本技术的系统中限定的上述功能。
[0090]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
[0091]
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。