CN108345762B - 一种大模数齿轮齿条疲劳寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于齿轮齿条钻机的大模数齿轮齿条疲劳寿命预测方法；属齿轮齿条疲劳寿命检测技术领域。本发明针对大模数齿轮齿条利用钻机数据建立齿轮齿条有限元模型，同时根据选用材料定义S‑N曲线建立疲劳寿命预测模型，根据所设计的钻机服务区域，设定齿轮上出现的载荷，通过有限元疲劳寿命分析得到齿轮的寿命变化情况，联合不同钩载出现的循环次数，基于线性疲劳累积损伤理论对大模数齿轮进行疲劳寿命预测。本发明能快速有效的齿轮进行疲劳寿命预测，无需试验机构，在设计阶段更为简单有效；为大模数齿轮齿条的前期设计、寿命验证提供一种新的途径，同时为齿轮后期的安全运行提供了指导依据。

Description

一种大模数齿轮齿条疲劳寿命预测方法
技术领域
本发明涉及一种用于齿轮齿条钻机的大模数齿轮齿条疲劳寿命预测方法；属齿轮齿条疲劳寿命检测技术领域。
背景技术
随着大模数齿轮齿条在齿轮齿条钻机及大型重载机械设备的广泛应用，面对设备的正常运转、维修计划的合理安排以及人员的安全保障等要求，如何对齿条进行可靠性寿命预测越来越受到重视。在齿轮齿条传动过程中，齿轮齿条会产生疲劳损伤，齿轮的疲劳损伤累积对齿轮的疲劳寿命存在影响，因而需要对齿轮进行疲劳寿命计算预测，为齿轮的预防性维修提供依据。
目前国内外对齿轮齿条的结构做出了较多的研究，多数都是对齿轮齿条的弯曲强度进行分析校核，对大模数齿轮齿条啮合传动时疲劳寿命研究的较少，因此针对大模数齿轮齿条疲劳寿命问题研究相对薄弱的现状，提出基于虚拟仿真与理论计算的方法研究传动齿轮的疲劳寿命，相关结论为大模数齿轮齿条的前期设计、寿命验证提供一种新的途径，同时为齿轮后期的安全运行提供指导依据，并且也可为其他机械大模数齿轮的疲劳寿命研究提供借鉴。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种通过有限元疲劳寿命分析与线性疲劳累积损伤理论进行联合研究，能够快速有效的预测齿轮的疲劳寿命，为齿轮后期的安全运行提供指导依据的用于齿轮齿条钻机的大模数齿轮齿条疲劳寿命预测方法。
本发明的技术方案是：
一种用于齿轮齿条钻机的大模数齿轮齿条疲劳寿命预测方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1）、根据齿轮齿条的结构建立模型；
2）、根据齿轮齿条不同材料的疲劳寿命曲线S-N，在有限元中建立疲劳寿命分析模型；
3）、齿轮齿条有限元分析；
在齿轮齿条传动过程中，齿轮齿条受到的载荷是不断变化的，通过有限元分析齿轮在不同载荷下，齿轮的最小循环次数；
4）、确定一个钻探周期内齿轮齿条的载荷频次：
进行预先性计算，参考齿轮齿条钻机可能服务区块，确定齿轮齿条在一次钻探周期内可能出现的载荷频次；
5）、确定在工作一段时间后齿轮齿条的载荷频次：
假定在工作一段时间内，齿轮齿条钻机分别在不同的区域进行了多次钻探，根据可能出现的工作环境，统计在一段工作时间内（多次钻探周期）齿轮齿条出现的载荷频次；
6）、采用Miner理论，通过下式计算齿轮的线性累积疲劳损伤：
Figure 338104DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 934170DEST_PATH_IMAGE002
线性累积疲劳损伤；
Figure 283987DEST_PATH_IMAGE003
不同载荷下齿轮在一段工作时间后出现的频次；
Figure 651514DEST_PATH_IMAGE004
不同载荷下齿轮的最小循环次数；
Figure 752194DEST_PATH_IMAGE005
齿轮上加载的应力水平；
7）、疲劳损伤评判：
若构件的加载历史由
Figure 761739DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 733106DEST_PATH_IMAGE007
，……，
Figure 802693DEST_PATH_IMAGE008
等
Figure 859511DEST_PATH_IMAGE009
个不同的应力水平构成，各应力水平下的寿命分别为
Figure 672746DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 84DEST_PATH_IMAGE011
，……，
Figure 240573DEST_PATH_IMAGE012
，各应力水平下的循环次数分别为
Figure 784687DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 136034DEST_PATH_IMAGE014
，……，
Figure 222938DEST_PATH_IMAGE015
，则可得出：
Figure 758962DEST_PATH_IMAGE016
当损伤等于1时，构件发生破坏，即
Figure 931317DEST_PATH_IMAGE017
当累积损伤小于1时，则认为构件满足有限寿命设计的安全要求，即
Figure 210989DEST_PATH_IMAGE018
本发明的有益效果在于：
该用于齿轮齿条钻机的大模数齿轮齿条疲劳寿命预测方法针对大模数齿轮齿条啮合过程建立疲劳寿命预测模型，利用钻机数据建立齿轮齿条有限元模型，同时根据选用材料定义S-N曲线，根据所设计的钻机服务区域，设定齿轮上出现的载荷，通过有限元疲劳寿命分析得到齿轮的寿命变化情况，联合不同钩载出现的循环次数，基于线性疲劳累积损伤理论对大模数齿轮进行疲劳寿命预测。本发明利用有限元疲劳分析法与线性疲劳累积损伤理论，快速有效的齿轮进行疲劳寿命预测，无需试验机构，在设计阶段更为简单有效；为大模数齿轮齿条的前期设计、寿命验证提供一种新的途径，同时为齿轮后期的安全运行提供了指导依据。
附图说明
图1为本发明实例中大模数齿轮疲劳寿命预测方法流程图；
图2为本发明实施例中不同钩载下齿轮最大应力变化图。
具体实施方式
该用于齿轮齿条钻机的大模数齿轮齿条疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
结构建模：
大模数齿轮齿条应用于齿轮齿条钻机中，钻机井架固定底座部分，井架上部变形相对于其他位置较大，一次从多组齿轮中选择齿轮箱上部一组齿轮齿条进行分析，齿轮模数25mm，齿数12，分度圆直径300mm，通过SolidWorks与ANSYS建立有限元接触模型，对接触部分采用细化处理划分网格。
建立有限元疲劳寿命分析模型；
根据齿轮齿条采用的不同材料，通过在国家标准中查询不同材料的S-N曲线，并且均采用99 %存活率的情况下的S-N曲线，在有限元分析模型中定义齿轮齿条的疲劳寿命S-N曲线，建立有限元疲劳寿命分析模型；
有限元分析齿轮齿条在不同载荷下的最小循环次数；
齿轮齿条作为钻机的传动机构，齿轮齿条受到的载荷总是处于时刻变化的状态，因此将轮齿受到的载荷分为不同的幅值范围，取每组幅值的均值，通过有限元分析轮齿在不同载荷下的最小循环次数情况（参见表1），
表1 不同钩载下齿轮最小循环次数的情况
Figure 152400DEST_PATH_IMAGE019
由表1可知，轮齿最小循环次数变化规律与齿轮的S-N曲线基本一致。
依据齿轮在不同钩载情况时的最大应力变化规律，在载荷最大为2500kN时，齿轮的最大应力最大为465.6MPa，小于齿轮屈服强度835MPa，不能造成齿轮的材料破坏，因此可以根据齿轮的接触应力结合疲劳损伤理论，对其齿轮接触疲劳寿命分析，并且在轮齿出现最大应力处出现轮齿的最小循环次数（见图2）。
依据表1所示在不同载荷下齿轮最小疲劳寿命变化情况，在载荷小于875kN时，齿轮的疲劳寿命为3.81e+6次，认为此时齿轮处于无限疲劳寿命情况；在载荷大于875kN时，齿轮处于有限疲劳寿命阶段，随着载荷的增大，齿轮疲劳寿命减小，载荷为2500kN时齿轮疲劳寿命只有802次，在此种载荷下，齿轮会过早出现疲劳失效，在钻机钻探过程中应尽量避免这种情况。
设定载荷频次；
预测齿轮的疲劳寿命为齿轮齿条的设计提供参考依据，进行预先性计算，因此针对所设计的齿轮齿条钻机服务的区域，参考JJ160/41 -K型井架在大庆油田工作情况，钻机在一次钻井周期中，齿轮受到的载荷出现频次具体数值如表2所示；
表2 钻探周期内齿轮载荷频次
Figure 734691DEST_PATH_IMAGE020
确定钻机在一段时间内的不同载荷下的循环次数；
根据齿轮在一次钻探周期内可能出现的载荷频次，确定钻机在一年的工作时间内（多次钻探周期），齿轮上载荷频次（如表3所示）；
表3 一年工作时间内轮齿最小循环次数与载荷频次情况
Figure 751932DEST_PATH_IMAGE021
对大模数齿轮齿条疲劳寿命进行预测
采用名义应力法来计算齿轮齿条疲劳寿命，并且在齿轮齿条工作过程中，齿轮齿条变形为小变形，处于线弹性范围内，采用名义应力法来研究轮齿的疲劳寿命是可行的。在齿轮齿条钻机钻探过程中，作用在起升机构齿轮齿条的外载是不断变化的，因此无法通过材料S-N曲线来获得构件的疲劳寿命，此时必须结合线性疲劳累积损伤理论即Miner理论来进行研究，P-M理论采用了如下的基本假设：
（1）损伤与循环次数呈线性关系。
（2）在应力循环中，单位体积的构件材料所吸收的能量达到了某一极限导致疲劳破坏。
（3）疲劳损伤可以线性叠加。
（4）加载顺序与材料的损伤和寿命无关
根据所采用的Miner理论，通过下式计算齿轮的线性累积疲劳损伤
Figure 710661DEST_PATH_IMAGE022
式中，
Figure 631212DEST_PATH_IMAGE002
线性累积疲劳损伤；
Figure 384405DEST_PATH_IMAGE003
不同载荷下齿轮在一段工作时间后出现的频次；
Figure 265773DEST_PATH_IMAGE004
不同载荷下齿轮的最小循环次数；
Figure 887247DEST_PATH_IMAGE005
齿轮上加载的应力水平；
所采用的线性疲劳累积损伤理论采用了如下的基本假设：
（1）损伤与循环次数呈线性关系。
（2）在应力循环中，单位体积的构件材料所吸收的能量达到了某一极限导致疲劳破坏。
（3）疲劳损伤可以线性叠加。
若构件的加载历史由
Figure 803251DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 851978DEST_PATH_IMAGE007
，……，
Figure 955063DEST_PATH_IMAGE008
等
Figure 616114DEST_PATH_IMAGE009
个不同的应力水平构成，各应力水平下的寿命分别为
Figure 652203DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 747198DEST_PATH_IMAGE011
，……，
Figure 462213DEST_PATH_IMAGE012
，各应力水平下的循环次数分别为
Figure 300856DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 316086DEST_PATH_IMAGE014
，……，
Figure 581982DEST_PATH_IMAGE015
，则可得出：
Figure 784293DEST_PATH_IMAGE023
当损伤等于1时，构件发生破坏，即
Figure 426627DEST_PATH_IMAGE024
（4）加载顺序与材料的损伤和寿命无关
在上述假设的基础上，计算构件的累积损伤，当累积损伤小于1时，则认为构件满足有限寿命设计的安全要求，即
Figure 906150DEST_PATH_IMAGE025
由此完成大模数齿轮齿条疲劳寿命预测。
本发明根据大模数齿轮齿条的结构参数与工作环境建立了疲劳寿命预测模型。同时考虑到齿轮齿条传动过程中，作用在齿轮齿条的外载是不断变化的，无法通过材料S-N曲线来获得构件的疲劳寿命，此时必须结合线性疲劳累积损伤理论进行研究。根据计算结果对齿轮进行疲劳寿命预测，能够为大模数齿轮齿条的前期设计、寿命验证提供一种新的途径，同时为齿轮后期的安全运行提供指导依据。
本发明针对大模数齿轮齿条啮合过程建立疲劳寿命预测模型，利用钻机数据建立齿轮齿条有限元模型，同时根据选用材料定义S-N曲线，根据所设计的钻机服务区域，设定齿轮上出现的载荷，通过有限元疲劳寿命分析得到齿轮的寿命变化情况，联合不同钩载出现的循环次数，基于线性疲劳累积损伤理论对大模数齿轮进行疲劳寿命预测；能够为大模数齿轮齿条的前期设计、寿命验证提供一种新的途径，同时为齿轮后期的安全运行提供指导依据。

Claims (1)

1.一种大模数齿轮齿条疲劳寿命预测方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1）、根据齿轮齿条的结构建立模型；
2）、根据齿轮齿条不同材料的疲劳寿命曲线S-N，在有限元中建立疲劳寿命分析模型；
3）、齿轮齿条有限元分析；
在齿轮齿条传动过程中，齿轮齿条受到的载荷是不断变化的，通过有限元分析齿轮在不同载荷下，齿轮的最小循环次数；
4）、确定一个钻探周期内齿轮齿条的载荷频次：
进行预先性计算，参考齿轮齿条钻机可能服务区块，确定齿轮齿条在一次钻探周期内可能出现的载荷频次；
5）、确定在工作一段时间后齿轮齿条的载荷频次：
齿轮齿条钻机工作一段时间内，根据可能出现的工作环境，统计在一段工作时间内齿轮齿条出现的载荷频次；
6）、采用Miner理论，通过下式计算齿轮的线性累积疲劳损伤
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，D为线性累积疲劳损伤；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示不同载荷下齿轮在一段工作时间后出现的频次；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示不同载荷下齿轮的最小循环次数；
r表示齿轮上加载的应力水平个数；
7）、疲劳损伤评判：
若构件的加载历史由
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，……，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
等
Figure DEST_PATH_IMAGE009
个不同的应力水平构成，各应力水平下的寿命分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，……，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，各应力水平下的循环次数分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，……，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，则可得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
当损伤等于1时，构件发生破坏，即
Figure DEST_PATH_IMAGE017
当累积损伤小于1时，则认为构件满足有限寿命设计的安全要求，即
Figure DEST_PATH_IMAGE018
。
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