I. Conceitos fundamentais e principais formas de danos causados pela fadiga dos equipamentos

(I) Definição essencial de danos causados pela fadiga

II) Três principais formas de prejuízo e suas características

1. Fadiga de contato: Microrrascadas ocorrem na superfície do dente sob tensão cíclica de contacto,e a propagação dessas rachaduras resulta em dois modos típicos de falha: perforação (porcas uniformemente distribuídas na superfície) e desprendimento (desprendimento escamoso do material da superfície do dente)Este dano é causado principalmente pela concentração de tensão na superfície do dente, e a má lubrificação e a rugosidade excessiva da superfície acelerarão o processo de falha.
2. Cansaço de dobrar: Como elo fraco da estrutura da engrenagem, a raiz do dente inicia rachaduras sob tensão de dobra alternada, levando eventualmente à quebra do dente.Concentração de tensão (por exemplo, um raio de filete excessivamente pequeno na raiz do dente)A ruptura dentária é frequentemente súbita e destrutiva.
3. Esfregamento e desgaste: Em condições de alta velocidade e carga pesada, se o sistema de lubrificação falhar, uma grande quantidade de calor gerado pelo atrito na superfície do dente causará a soldagem local do metal.Durante a malhagem subsequente, as peças soldadas são rasgadas para formar danos por arranhão; o desgaste, por outro lado, é a perda progressiva de material causada pelo deslizamento relativo entre as superfícies dos dentes, incluindo o desgaste abrasivo,de aço inoxidável, o que prejudicará gradualmente a precisão da superfície do dente e exacerbará os danos causados pela fadiga.

II. Teorias fundamentais e métodos de cálculo dos danos causados pela fadiga dos engrenagens

(I) Três métodos fundamentais para a previsão da vida da fadiga

1. Método do stress-life (Método da curva SN): Estabelecido com base na curva de Wöhler (ou seja, curva SN), descreve a relação entre a duração de fadiga do material e os diferentes níveis de tensão,e adequado para cenários de fadiga de ciclo elevado com mais de 104 ciclos (como a transmissão de engrenagens em condições normais de trabalho)Na concepção de engenharia, as curvas de Goodman ou Gerber modificadas são frequentemente utilizadas para explicar a influência do esforço médio na vida útil da fadiga, garantindo a precisão dos resultados de previsão.
2. Método da duração da tensão (método da curva ε-N): Este método visa a fadiga de baixo ciclo com menos de 104 ciclos (como engrenagens sob condições de impacto de carga pesada), considerando plenamente a influência da deformação plástica nos danos causados pela fadiga.O núcleo é baseado na equação de Coffin-Manson: Δε/2 = σf'/(E) ((2Nf) ^ b + εf'(2Nf) ^ c, onde Δε é a amplitude total da tensão, Nf é o número de ciclos de falha e σf', εf', b,c são constantes de material inerentes que precisam ser determinadas através de experimentos.
3. Método de Mecânica de Fracturas: Focando-se na previsão de vida do estágio de propagação da rachadura, utiliza o fator de intensidade de esforço ΔK para descrever a taxa de crescimento da rachadura, seguindo a lei de Paris: da/dN = C(ΔK) ^m,onde a é o comprimento da fenda, N é o número de ciclos e C, m são os parâmetros do material.Este método é particularmente adequado para analisar a propagação da rachadura na raiz do engrenagem e pode calcular com precisão o ciclo de serviço das rachaduras desde o início até o comprimento crítico.

(II) Modelos teóricos chave para a fadiga de contacto

1. Teoria do Estresse de Contato de Hertz: Quando as engrenagens se enlaçam, o contacto da superfície dos dentes pode ser aproximado como contacto pontual ou contacto linear entre dois corpos elásticos.com a fórmula básica: σ_H = √(Fn/(b·ρeq) · (1-ν12)/E1 + (1-ν22)/E2), onde Fn é a carga normal, b é a largura de contacto, ρeq é o raio de curvatura equivalente,E1 e E2 são os módulos elásticos dos dois materiais de engrenagemEsta teoria é a base para o cálculo da tensão de contacto da superfície dos dentes e determina directamente a avaliação preliminar da duração de contacto por fadiga.
2. Modelo Ioannides-Harris: Um modelo modificado para a fadiga por contacto de rolamento (RCF), que considera primeiro a influência do gradiente de tensão na vida.onde L10 é a duração à fadiga com 90% de fiabilidade, τ_max é a tensão máxima de cisalhamento, V é o volume de tensão e K, v, u são parâmetros experimentalmente ajustados.Este modelo melhora significativamente a precisão da previsão da vida útil da fadiga de contato para engrenagens de carga pesada.

III. Práticas de aplicação da engenharia para o controlo dos danos causados pela fadiga

(I) Optimização do projeto de engrenagens: suprimir os danos causados pela fadiga da fonte

1. Seleção do material e tratamento de fortalecimento: dar prioridade aos aços ligados de alta resistência (como 20CrMnTi, 42CrMo) e melhorar a dureza e a resistência do material através da carburizagem e da amortecimento, do amortecimento e da temperação,e outros processos para melhorar a resistência à fadiga· realizar tratamentos de reforço de superfície, tais como o "shot peening" e a nitruração em partes-chave, como as raízes dos dentes, para introduzir tensões de compressão residuais e retardar o início das rachaduras.
2. Optimização do perfil e estrutura dentária: Adotar tecnologias como a modificação do perfil dentário e a coroação do chumbo dentário para melhorar a distribuição da carga durante a malhagem das engrenagens e reduzir a concentração de tensão na raiz dentária;aumentar razoavelmente o raio do filete na raiz do dente para reduzir o fator de concentração de tensão e melhorar a resistência à fadiga de dobragem através da concepção estrutural.
3. Optimização do sistema de lubrificação: Selecionar óleo de engrenagem de pressão extrema para formar uma película de óleo estável na superfície do dente, reduzindo o coeficiente de atrito e a tensão de contacto; combinar o método de lubrificação (como a lubrificação por salpicos,lubrificação sob pressão) de acordo com as condições de trabalho para evitar danos causados por esfregaço causados pela ruptura do filme de óleo em condições de alta velocidade e carga pesada.

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