普通圓柱蝸桿的可靠性設(shè)計8頁

1、普通圓柱蝸桿的可靠性設(shè)計專業(yè)：機(jī)械設(shè)計及理論 姓名：李 博 學(xué)好：2011150一、機(jī)械可靠性技術(shù)的發(fā)展歷程可靠性技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)20年代，在結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中的應(yīng)用始于20世紀(jì)柏年代?？煽啃约夹g(shù)最早應(yīng)用在二戰(zhàn)末期德國V一火箭的誘導(dǎo)裝置上。德國火箭研究機(jī)構(gòu)參加人之一RLusser首先提出了利用概率乘積法則，把一個系統(tǒng)的可靠度看成該系統(tǒng)的子系統(tǒng)可靠度的乘積。自從1946年Freuenthal在國際上發(fā)表“結(jié)構(gòu)的安全度”一文以來，可靠性問題扦始引起學(xué)術(shù)界和工程界的普遍關(guān)注與重視。從已有的資料了解到國內(nèi)外機(jī)械產(chǎn)品可靠性研究狀況如下：美國的可靠性研究起步較早，在機(jī)械產(chǎn)品可靠性理論方面，一亞利桑那大

2、學(xué)D.Kececioglu教授為首。主要研究機(jī)械零件的可靠性概率設(shè)計方法。在機(jī)械故障預(yù)防和檢測方面，以機(jī)械故障預(yù)防小組（MFPG）為代表對設(shè)計、診斷、監(jiān)測、故障等進(jìn)行研究，在可靠性數(shù)據(jù)的收集和分析方面取得了很大的進(jìn)步，并且編制了一些可靠性設(shè)計手冊和指南、可靠性數(shù)據(jù)手冊。日本的可靠性設(shè)計是從美國引進(jìn)的，以民用產(chǎn)品為主，強(qiáng)調(diào)實用化，日本科技聯(lián)盟是其全國可靠性技術(shù)的推廣機(jī)構(gòu)。在可靠性工程應(yīng)用方面，比較重視可靠性試驗、故障診斷和壽命預(yù)測技術(shù)的研究與應(yīng)用，以及產(chǎn)品失效分析、現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)的收集和反饋。原蘇聯(lián)對機(jī)械可靠性的研究十分重視，并有其獨到之處。其可靠性技術(shù)應(yīng)用主要靠國家標(biāo)準(zhǔn)推動，發(fā)布了一系列可靠性標(biāo)

3、準(zhǔn)。他們認(rèn)為可靠性技術(shù)的主要內(nèi)容是預(yù)測，即在產(chǎn)品設(shè)計和樣機(jī)試驗階段，預(yù)測和評估在規(guī)定的條件下的使用可靠性，研究各項指標(biāo)隨時間變化的過程。他們認(rèn)為可靠性研究的方向主要有兩個：一是可靠性數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法和使用信息的統(tǒng)計處理技術(shù)，以及保證復(fù)雜系統(tǒng)可靠性的技術(shù)。二是適于機(jī)械制造行業(yè)，包括無力故障學(xué)機(jī)械零件的耐磨、耐熱、耐蝕等設(shè)計方法以及保證可靠性的工藝的方法研究。英國國家可靠性分析中心（NCRS）成立了機(jī)械可靠性研究小組，匯編出版了機(jī)械系統(tǒng)可靠性一書。從失效模式、使用環(huán)境、故障性質(zhì)、篩選效果、實驗難度、維修方式和數(shù)據(jù)積累等7個方面闡明了機(jī)械可靠性應(yīng)用的重點，提出了幾種機(jī)械系統(tǒng)可靠性的評估方法，并強(qiáng)調(diào)重視數(shù)

4、據(jù)積累。我國對機(jī)械產(chǎn)品可靠性研究起步較晚，20世紀(jì)80年代才得到較快發(fā)展，機(jī)械行業(yè)相繼成立了可靠性研究的相關(guān)協(xié)會，各有關(guān)院所和高校也開展了機(jī)械產(chǎn)品可靠性研究，制定了一批可靠性標(biāo)準(zhǔn)，取得了較大的成果。但總的看來，理論研究多，實際應(yīng)用少，與西方國家差距大，有些成果尚不能完整地成熟地應(yīng)用在不同的機(jī)械系統(tǒng)中二、廣義可靠性的研究現(xiàn)狀廣義可靠性包括：狹義可靠性與維修性，是指產(chǎn)品在其整個壽命期限內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。廣義可靠性亦稱隨即模糊可靠性，是同時考慮，不確定因素中隨機(jī)性和模糊性的總稱，廣義可靠性對于可能維修的產(chǎn)品和不可維修的產(chǎn)品有不同的意義，對于可能維修的產(chǎn)品來說，除了要考慮提高其可靠性外，還應(yīng)考慮提

5、高其維修性，而對不可維修的產(chǎn)品來說，由于不存在維修問題，只需考慮提高其可靠性。三、機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計的幾大難點與電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計相比，機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計呈現(xiàn)出以下特點，也是設(shè)計中的難點。機(jī)械產(chǎn)品故障模式多，且復(fù)雜。電子產(chǎn)品的失效模式比較簡單，而機(jī)械產(chǎn)品的失效模式比較復(fù)雜，多元化，主要表現(xiàn)為疲勞、磨損、腐蝕、老化等。故障原因復(fù)雜，多為關(guān)聯(lián)故障。電子產(chǎn)品在使用過程中發(fā)生的故障主要是由偶然因素造成的，而機(jī)械產(chǎn)品在使用過程中發(fā)生的故障原因比較復(fù)雜，有許多不定因素引起的，多為關(guān)聯(lián)故障。工作應(yīng)力變化大，材料本身也存在區(qū)別。電子產(chǎn)品的應(yīng)力容易預(yù)計而機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)力波動比較大，材料的強(qiáng)度難以預(yù)計。早期故障不易

6、排除。電子產(chǎn)品可以通過篩選等排除早期失效，在經(jīng)濟(jì)上是合理且有效的，而機(jī)械產(chǎn)品要開展這項工作在經(jīng)濟(jì)上是困難的。難以采用標(biāo)準(zhǔn)零部件。一般情況下組成電子產(chǎn)品的元器件是標(biāo)準(zhǔn)件，其基本失效率接近常數(shù)，應(yīng)此可按指數(shù)分布進(jìn)行處理。一旦獲得其基本失效率數(shù)據(jù)、考慮環(huán)境因子等，則可進(jìn)行電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計，而組成機(jī)械產(chǎn)品的零部件除標(biāo)準(zhǔn)件外有許多是非標(biāo)準(zhǔn)件，由于工作和使用環(huán)境的變化性，即使是標(biāo)準(zhǔn)件，在不同的情況下，它的失效率也不一樣，而且很難測定分布情況。維修方式也存在區(qū)別。電子產(chǎn)品常常用更換的方式進(jìn)行維修，而機(jī)械產(chǎn)品常用修復(fù)和更換相結(jié)合的方式進(jìn)行。試驗方案相差巨大。電子產(chǎn)品的可靠性試驗方案比較成熟，而機(jī)械產(chǎn)品的壽

7、命和可靠性試驗一般是小子樣，試驗時間長，且無公認(rèn)的可靠性鑒定試驗統(tǒng)計方案，不同的機(jī)械產(chǎn)品其可靠性試驗方案也存在差別?？煽啃詳?shù)據(jù)比較缺乏。電子產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)已經(jīng)形成若干手冊或文件，而機(jī)械產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)還十分缺乏，這為機(jī)械可靠性研究帶來困難。四、 機(jī)械可靠性發(fā)展展望可靠性的思想與目前最先進(jìn)的6&管理思想不謀而合，同樣是以精確的數(shù)字為標(biāo)準(zhǔn)對質(zhì)量、性能進(jìn)行控制，二者從不同角度提高產(chǎn)品質(zhì)量，不同于以往模糊的定性的方法。當(dāng)前對于機(jī)械產(chǎn)品的可靠性預(yù)計方法還處于靜態(tài)預(yù)測，不能考慮衡量其磨損老化過程，國外提出的可靠性概率物理模型，應(yīng)用失效機(jī)理的物理參數(shù)作為預(yù)計參數(shù)，為機(jī)械產(chǎn)品可靠性的預(yù)計指出了研究方

8、向。機(jī)械產(chǎn)品可靠性是小樣本，有時候甚至是零失效，因此利用其老化數(shù)據(jù)的獲取對小樣本或無失效數(shù)據(jù)的可靠性評估方法的研究也是一個重要的發(fā)展方向。機(jī)械產(chǎn)品有著復(fù)雜的環(huán)境應(yīng)力，因此環(huán)境引力對機(jī)械系統(tǒng)材料老化、損耗過程的影響和機(jī)械材料失效機(jī)理與環(huán)境的關(guān)系研究也是非常重要的?？煽啃栽鲩L目前還沒有具體的解決模型，對于機(jī)械類產(chǎn)品，應(yīng)用高應(yīng)力進(jìn)行加速可靠性增長試驗是非常有必要的。微型零件在其他領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛微型機(jī)械的失效機(jī)理和宏觀的失效機(jī)理有很大不同，因此微型機(jī)械的可靠性問題也是可靠性未來發(fā)展的一個焦點問題。下面以圓柱齒輪蝸桿的可靠性設(shè)計為例介紹一下可靠性設(shè)計一般步驟。五、 明確普通圓柱齒輪蝸桿可靠性設(shè)計的任

9、務(wù)普通圓柱齒輪蝸桿的使用條件是連續(xù)使用并且不可修復(fù)，維修種類為用到損耗期，所以普通圓柱齒輪蝸桿可靠性設(shè)計的任務(wù)就是預(yù)盼其失效率和平均使用壽命。六、 確定有關(guān)的設(shè)計變量和參數(shù)蝸桿傳動的主要失效形式有：渦輪齒面點蝕、膠合或磨損。實踐表明，在一般情況下，渦輪輪齒彎曲疲勞折斷是少見的。所以我們確定齒面接觸應(yīng)力為設(shè)計變量： H=ZE(9KT2qm3Z22)0.5 (式1)式中，ZE 為材料系數(shù)，對于青銅或鑄鐵制渦輪與鋼蝸桿配對時，取 ZE=160N/mm2；K為載荷系數(shù)；T2為蝸輪扭矩；q為蝸桿直徑系數(shù)；m為 模數(shù)；Z2為蝸輪齒數(shù)。常規(guī)設(shè)計公式是條件行的、近似的公式，因此，可仿照齒輪傳動引入模型變異系數(shù)

10、CHM=0.05.載荷系數(shù)為: K=KAKVKKhKtKw (式2)式中KA為工況系數(shù)，KV為動載系數(shù)，K為齒向載荷分布系數(shù)，Kh為小時載荷系數(shù)，K為環(huán)境溫度系數(shù)，Kw為風(fēng)扇系數(shù)。 零件材料的強(qiáng)度是抵抗失效的極限工作應(yīng)力，與材料性質(zhì)、熱處理方式、應(yīng)力種類以及其他很多因素（應(yīng)力集中、表面質(zhì)量、尺寸大小、工作溫度、環(huán)境等）有關(guān)。在機(jī)械可靠性設(shè)計中，零件的強(qiáng)度是用極限應(yīng)力來表示的，都可用一多元函數(shù)予以描述： X=f（x1,x2,xn)式中x1，x2，, xn分別表示影響零件強(qiáng)度的有關(guān)因素，如材料性質(zhì)、零件尺寸、應(yīng)力集中、表面質(zhì)量，等。齒輪的極限接觸應(yīng)力 'Hlim=HlimZNZW 變異系數(shù)

11、： CHlim'=(CHlim2+CZN2+CZS2)12 (式3)式中'Hlim、CHlim分別為基本接觸疲勞強(qiáng)度的均值及變異系數(shù)，可查表選?。?CHlim=0.01（n+p+1） 為精度等級，p為批量參數(shù)（單件生產(chǎn)，p=3；成批生產(chǎn)，p=2；大批生產(chǎn)，p=1）。ZN、CZN分別為壽命系數(shù)均值及變異系數(shù)，ZN=(107NL)18, CZN=0.04；ZW、CZS為滑動速度影響系數(shù)均值及變異系數(shù)； 浸油潤滑時，ZW=1.0284-0.03298vs+0.001533vs2噴油潤滑時，ZW=1.0111-0.01494vs+0.001086vs2變異系數(shù)CZS=0.03將CZN、

12、CZS值帶入（式3）得：CHlim'=（0.002+CHlim2）0.5七、 確定應(yīng)力、強(qiáng)度的分布類型和分布參數(shù)考慮（式2），對（式1）兩邊取對數(shù)則有LnH=lnZE+0.5(lnT2+lnKA+lnKV+lnK+lnKh+lnKt+lnKw-lnq-lnm3-lnZ22)根據(jù)中心極限定理，可認(rèn)為蝸桿傳動接觸應(yīng)力的分布近似服從對數(shù)正態(tài)分布。其均值、變異系數(shù)分別為H=ZE(9KT2qm3Z22)0.5式中 K=KAKVKKhKtKwCH=CHM2+CZE2+0.25(CT22+CKA2+CKV2+CK2+CKh2+CKt2+CKW2)0.5 下面來討論各個計算參數(shù)的均值及變異系數(shù)的確定：

13、1、 轉(zhuǎn)矩T2：均值T2=9500P2/n2，P2、n2為渦輪軸功率和轉(zhuǎn)速。變異系數(shù)為 CT2=Cp22+Cn22=T2/(3T2)當(dāng)載荷精確求得時，可取CT2=0.03；近似求得時，CT2=0.082、 工況系數(shù)KA：均值KA，載荷平穩(wěn)，KA=1；不平穩(wěn)稍有沖擊，KA=1.15；沖擊大，KA=1.2。變異系數(shù)CKA=（1-1/KA）/3。3、 動載系數(shù)KV：均值KV，當(dāng)蝸輪圓周速度v23m/s時，KV=1；v2=36m/s時，KV=1.11.2；v2>6m/s時，KV=1.3；變異系數(shù)CKV=（1-1/KV）/3。4、 齒向載荷分布系數(shù)K：均值K,載荷穩(wěn)定易跑合，取K=1；載荷變化較大或有沖擊振動，不易跑合，K=1.11.5 。 變異系數(shù)，一般可取0.05。5、 小時載荷率系數(shù)Kh：均值Kh，可按表查取。變異系數(shù)CKh=0.02。6、 環(huán)境溫度系數(shù)Kt：均值Kt，可按表查取，變異系數(shù)CKt=0.03。7、 風(fēng)扇系數(shù)Kw：均值Kw，不帶風(fēng)扇時，Kw=1,帶風(fēng)扇時，若n1900r/min,則Kw=0.998+6×10-5n1-1.875×10-7n12若n1900r/min,則Kw=1.206-3.95×10-4n1+6.25×10-8n12 變異系數(shù)CK=0.028、 材料彈性變異系數(shù)CZE=0.04。將上述已