T108噸自卸車拐軸的斷裂失效分析及優(yōu)化設(shè)計

1、目 錄第1章 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 失效分析的發(fā)展簡況 2 1.3 本課題的背景和意義 3第2章 失效分析的方法 42.1 失效分析的概況 42.2 常用失效分析及技術(shù) 62.3 系統(tǒng)分析方法11第3章 拐軸的斷裂原因分析 14 3.1 實驗結(jié)果與分析 15 3.2 pro/e建模 19 3.3 ansys分析 20 3.4 拐軸的優(yōu)化設(shè)計 23 設(shè)計心得 25 參考文獻 27摘 要 我的設(shè)計課題是t108噸自卸車拐軸的斷裂失效分析及優(yōu)化設(shè)計本文通過對拐軸軸化學(xué)成分、宏觀、微觀及力學(xué)性能等方面的一系列實驗，失效分析技術(shù)是指在各種失效分析方法中具體所采用的分析技術(shù)和手段。對失效分析

2、對象而言，失效分析技術(shù)從總體上可分為非破壞性和破壞性失效分析技術(shù)，具體可分為：感官檢查診斷技術(shù)、痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù)、斷口和裂紋分析技術(shù)、化學(xué)成分分析技術(shù)、性能測試技術(shù)、無損檢驗技術(shù)、宏觀殘余應(yīng)力測試等。分析出該軸的斷裂原因，在此基礎(chǔ)上，利用pro/e軟件對泵軸進行了較全面的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計，不但驗證了實驗分析的正確性，而且提出了合理的改進方案。我們通過對自卸車拐軸軸的宏、微觀分析和結(jié)構(gòu)分析，了解該軸的應(yīng)力分布情況，找出應(yīng)力集中部位，分析該系列軸斷裂的原因,在此基礎(chǔ)上充分利用pro/e技術(shù)進行進一步的應(yīng)力分析,以驗證宏、微觀分析結(jié)果,再利用pro/e技術(shù)進行軸的優(yōu)化設(shè)計,達到改進軸的目的仍然采用a

3、nsys軟件進行軸的優(yōu)化設(shè)計，在建模中，由于要進行有限元分析，為減少小尺寸的影響，一些不重要的倒角、倒角可以省略，此外，拐軸的實際受力過程是不斷運動的，為便于分析起見，在受力等效的原則下，通過施加約束轉(zhuǎn)化為一個靜力分析模型。并對所做的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行分析驗證，達到減少應(yīng)力集中，提高零件及設(shè)備的使用壽命。這樣既能保證設(shè)備的正常使用，提高工廠的經(jīng)濟效益，有很高的實用價值，而且為軸失效問題的分析可提供有效的參考資料。關(guān)鍵詞 失效分析；斷裂；有限元；pro/e；拐軸第1章 緒論1.1 引言 在很久以前，人們對產(chǎn)品失效就有了宏觀認識。產(chǎn)品失效真正給人類帶來嚴重的危害，則是從100多年前的英國工業(yè)革命開始。當(dāng)

4、蒸汽機動力和大機器生產(chǎn)給人類社會帶來巨大進步的同時，產(chǎn)品失效也給人類帶來了前所未有的災(zāi)難性事故。因而1862年，英國建立了世界上第一個蒸汽鍋爐監(jiān)察局，把失效分析作為法律仲裁事故和提高產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)手段。隨后，在工業(yè)化國家中，對失效產(chǎn)品進行分析的各種機構(gòu)相繼出現(xiàn)。 隨著科技的突非猛進系統(tǒng)和設(shè)備日益復(fù)雜，功能不斷提高，其不可靠和不安全因素增多，導(dǎo)致故障的原因也增多，因而對故障的分析研究工作亦越來越受到世界各國的關(guān)注。工業(yè)的發(fā)展、技術(shù)的進步正是人們不斷與產(chǎn)品失效做斗爭的結(jié)果，這在航空和航天事業(yè)的發(fā)展史中表現(xiàn)尤為突出。因為即使航天飛機這么先進的運載工具也可能發(fā)生故障，如美國的價值12億美元的“挑戰(zhàn)者”

5、號航天飛機，在1986年1月28號第11次升空時突然爆炸，使7名宇航員遇難，這一慘痛悲劇再次告戒人們忽視產(chǎn)品失效問題將帶來災(zāi)難性的惡果。任何一次失效都可以看成是產(chǎn)品在服役條案件下所做的一次最真實做可靠的學(xué)實驗的結(jié)果；通過失效分析判斷失效模式，找出失效的原因和影響因素，也就找到了薄弱環(huán)節(jié)所在，從而改進有關(guān)部門的工作。提高產(chǎn)品質(zhì)量。失效分析是可靠性工程的技術(shù)基礎(chǔ)之一；是安全工程的重要技術(shù)保障之一；是維修工程的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)依據(jù)；可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。因而開展失效分析工作是非常有意義的，其重要性一般包括以下幾個方面：1.可以保證產(chǎn)品的可靠性，減少由于設(shè)備失效造成的人身傷亡和直接的經(jīng)濟損失；

6、2.可以從中吸取大量的經(jīng)驗教訓(xùn)以利制定和完善產(chǎn)品質(zhì)量管理的有關(guān)文件、標準和規(guī)定、是產(chǎn)品質(zhì)量管理的一個重要環(huán)節(jié)；3.有助于及時“吃透”國外先進技術(shù)、提高引進速度和效率；4.通過對進口設(shè)備的失效分析可以向外商提供索賠依據(jù)或技術(shù)仲裁5.可以使設(shè)備維修工作建立在失效分析的基礎(chǔ)上，從而取得良好的事 故預(yù)防；6.失效分析的結(jié)果也是現(xiàn)行技術(shù)的規(guī)范、規(guī)程和標準的實用性的實地檢驗，可作為修訂和制定文件的依據(jù)；7.失效分析的頭腦國際資料是指定科技開發(fā)規(guī)劃和經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的重要依據(jù)，失效分析可以為各級人員正確處理現(xiàn)場技術(shù)問題提供科學(xué)的依據(jù)。在我國，由于長期的歷史原因，現(xiàn)有設(shè)備超期服役帶病運行相當(dāng)普遍，有相當(dāng)一部分設(shè)備

7、存在各種結(jié)構(gòu)缺陷、工藝缺陷、加工缺陷、制造缺陷、材料缺陷和使用不當(dāng)產(chǎn)生的裂紋或損傷腐蝕介質(zhì)影響或長期超載運行等，或盲目使用這些設(shè)備而不及時采取措施進行監(jiān)控和預(yù)防，必將發(fā)生事故，因而，為了盡量減少事故的發(fā)生，需要進行失效分析的研究。目前關(guān)于失效分析的研究比較多，他們大多采用傳統(tǒng)的宏觀、微觀分析法對失效的原因進行分析，本文首先也將采用宏觀、微觀對t108噸自卸車拐軸進行失效分析。1.2失效分析的發(fā)展簡況長期以來，人類在生產(chǎn)實踐中不斷與產(chǎn)品失效作斗爭，但失效分析僅作為零星、分散、宏觀的經(jīng)驗世代相傳。失效分析作為一種學(xué)科分支還是近半個世紀的事情。材料科學(xué)的興起、先進測試技術(shù)的應(yīng)用以及近代物理、化學(xué)等的

8、全面發(fā)展，使得人民能夠從微觀方面闡明產(chǎn)品失效的本質(zhì)、規(guī)律和原因。在此基礎(chǔ)上，失效分析走上系統(tǒng)、綜合、理論化的新階段。近半個世紀所積累的失效分析知識與技術(shù)千百倍于人類前期有關(guān)知識的總和。但這種知識必然隨著人類生產(chǎn)實踐和科技進步而不斷發(fā)展。雖然由于科技的發(fā)展，產(chǎn)品在設(shè)計、生產(chǎn)、使用與維修上的技術(shù)改進，似的產(chǎn)品的可靠性日益提高，然而，失效事件并不會消失。而且，產(chǎn)品的自動化程度愈高、技術(shù)愈密集，一旦出現(xiàn)失效，造成的損失就愈嚴重。因此失效分析將隨著科技的高速發(fā)展顯得更為重要。 遠在1862年英國建立世界第一個蒸氣鍋爐監(jiān)察局時，失效分析就被作為法律仲裁產(chǎn)品質(zhì)量事故的技術(shù)判斷手段。在1938-1945年間，

9、美國質(zhì)量管理學(xué)會發(fā)起“失效廢品檢驗規(guī)劃”，號召生產(chǎn)企業(yè)把失效分析作為重要環(huán)節(jié)納入質(zhì)量管理系統(tǒng)。在四十年代末和五十年代初，為解決電子產(chǎn)品失效問題而發(fā)展起來的可靠性理論使失效分析進入到一個新的階段。到六十年代，人們更開始了機械設(shè)備系統(tǒng)可靠性理論的研究。近年來，失效物理和失效分析在這種認識推動下，也得到了很大的重視和發(fā)展。失效分析推動科學(xué)技術(shù)進步，促進國民經(jīng)濟健康發(fā)展，提高機械產(chǎn)品質(zhì)量，在國民經(jīng)濟中有重要作用和意義。1.3 本課題的背景和意義。 此課題研究的拐軸是某廠108噸自卸車上一部件，在此稱為主軸。我們從設(shè)計圖紙上了解到主軸的結(jié)構(gòu)，按使用情況我們在主軸（拐軸）尾部接上管子，然后通過焊接用一個外

10、徑為450，內(nèi)徑為374，總長為1946的圓管約束，約束位置在離圓管端部418處，主軸端部離中心線472。第2章 對自卸車拐軸進行失效分析的方法2.1失效分析的概況2.1.1失效分析的基本概念 所謂失效，按照國家標準gb3187-82可靠性基本詞術(shù)語及定義，就是：“產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能，對可恢復(fù)產(chǎn)品通常也稱故障”（12）。為了研究失效的原因，確定失效的模式或機理，并采取補救或預(yù)防措施以防止失效再度發(fā)生的技術(shù)活動與管理活動，叫做“失效分析”（12，13）。因此失效分析是可靠性工程的重要組成部分，也是保證產(chǎn)品可靠性而需建立的反饋系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。 失效分析是一門涉及系統(tǒng)分析、系統(tǒng)安全、產(chǎn)品設(shè)計、材料力

11、學(xué)、斷裂力學(xué)、斷裂物理、斷口學(xué)、材料學(xué)、測試技術(shù)、金屬學(xué)、金屬工藝、強度計算、產(chǎn)品質(zhì)量全面管理等眾多領(lǐng)域的綜合學(xué)科，它包括三個方面： 1事前故障的預(yù)測技術(shù)，如可靠度計算、故障率評價和可靠性分析法（故障樹分析fta，故障模式和影響分析fmea，事件樹分析eta）； 2事中故障診斷技術(shù)（應(yīng)力定量化技術(shù)、故障檢測及故障征兆診斷技術(shù)、設(shè)備或系統(tǒng)強度、故障性能定量化技術(shù)及劣化定量化技術(shù)等）； 3事后失效分析（壽命預(yù)測技術(shù)、故障機理、失效模式的測定技術(shù)、失效評定的標準、維修技術(shù)等）。 上述事后分析也既是失效分析或故障分析，是指事故或鼓掌發(fā)生后的檢測和分析，以便找到失效的部位、原因和機理；掌握產(chǎn)品的改進線索

12、或修復(fù)方法，防止問題重復(fù)發(fā)生。近年來，失效分析工作還注意了反饋與發(fā)展，在工況與質(zhì)量上做了不少工作，從事前分析、事后預(yù)防發(fā)展到事中監(jiān)控。2.1.2失效的主要來源及模式 失效經(jīng)常是由多方面原因造成的，其主要來源包括設(shè)計、選材、材料缺陷、制造工藝、再加工、組裝、檢查、試驗、質(zhì)量控制、貯運、工作條件、維修工作中預(yù)先未暴露的過載以及機械或化學(xué)的損傷等。 1設(shè)計上的缺點：機械缺口、改變設(shè)計、零件的是升級使用、設(shè)計判據(jù)不充分等。 2材料選擇上的缺點：拉伸試驗數(shù)據(jù)不準確。 3材料中的缺陷：鑄件（冷隔、夾雜物、疏松、空隙和縮孔是鑄件特有的）鑄件（折疊、接逢、收縮、空洞和鍛造流線花樣為鍛件特有的）。 4加工中存在

13、的問題：各種冷熱加工中的問題。 5裝配中的失誤：操作人員的疏忽行為、裝配規(guī)程不完善、對中不良。 6不合理的服役條件：啟動、停車、維修不當(dāng)。 失效模式是失效的外在宏觀表現(xiàn)形式和過程規(guī)律。金屬構(gòu)件的失效模式可分為斷裂、表面損傷和過量變形這三大方面。具體的說，機械失效的主要模式如表2.2。表2.2金屬部件的各種失效模式過量變形1）力和溫度或者力或溫度引起彈性變形；2）屈服；3）壓痕；4）蠕變；5）沖擊變形表面損傷1）磨損a。粘著磨損；b。磨粒磨損；c。腐蝕磨損；d。點腐蝕；e。沖擊磨損；f。微振磨損；g。接觸疲勞磨損；h。剝落。2）腐蝕a。均勻腐蝕；b?？p隙腐蝕；c。電池作用腐蝕；d。點腐蝕；e。晶

14、間腐蝕；f。選擇侵出；g。沖蝕；h。氣蝕；i。氫損傷；j。生物腐蝕；k。應(yīng)力腐蝕；l。微振腐蝕斷裂1）延性斷裂2）脆性斷裂3）沖擊斷裂4）疲勞斷裂a。高溫疲勞；b。高周疲勞；c。低周疲勞；d。熱疲勞；e。接觸疲勞；f。沖擊疲勞；g。腐蝕疲勞；h。微振疲勞5）應(yīng)力持久斷裂6）蠕變-疲勞復(fù)合斷裂2.2常用失效分析及技術(shù)2.2.1常用失效方法(失效分析的一般程序與步驟)1.失效分析的思路 失效分析思路是對于已經(jīng)發(fā)生的事故考慮從什么地方開始,沿著什么樣的程序去分析研究故障現(xiàn)象的因果關(guān)系,確定事故原因,完成分析任務(wù).斷裂分析思路一般是:斷裂失效事故-故障件裂紋或斷口分析-力學(xué)性能分析-顯微組織分析-結(jié)構(gòu)

15、受力分析-使用維護分析.必要時可進行工藝分析、材料成分分析、環(huán)境分析、相結(jié)構(gòu)分析和殘余應(yīng)力分析。2.斷裂失效分析的一般程序斷裂失效事故殘骸的拼湊及分析事故的現(xiàn)場調(diào)查首先破壞件的分析結(jié)構(gòu)受力應(yīng)力狀態(tài)的分析工作狀態(tài)的分析材質(zhì)性能及組織分析裂紋和斷口的分析正在使用件的調(diào)查分析破壞過程和機理分析過程再現(xiàn)和解決方案的試驗繼續(xù)服役的延壽方案新生產(chǎn)件的改進的調(diào)查方案圖2.1斷裂失效分析的一般程序3.失效分析的具體過程（1）調(diào)查研究 向機器操作者調(diào)查破壞過程，觀察破壞現(xiàn)場，了解破壞構(gòu)件在機器的部位和工作情況。 向生產(chǎn)工人和技術(shù)人員調(diào)查構(gòu)件的生產(chǎn)工藝歷史和參數(shù)。 向設(shè)計人員調(diào)查構(gòu)件的設(shè)計過程和設(shè)計計算。 外觀檢

16、查，觀察破壞構(gòu)件的外形特征。 服役條件、工作環(huán)境等的綜合分析。（2） 斷口分析、破面分析、變形量測定 斷裂試樣的正確選擇及切取。 斷口的宏觀分析。 斷口的微觀分析。（3） 內(nèi)在質(zhì)量的檢驗 低倍檢驗：主要檢查夾雜、氣孔等低倍檢查項目。 金相組織分析：檢查破斷零件的裂紋分布及走向，金相組織是否正常。 材料的化學(xué)成分分析：主要復(fù)驗材料的常規(guī)機械性能是否合格，據(jù)構(gòu)件破壞部位的幾何形狀、應(yīng)力分布情況、負載的變化等情況與該類情況下的靜/動機械性能比較。（4）判明失效的原因：據(jù)上面的調(diào)查研究及實驗檢查結(jié)果，綜合分析造成構(gòu)件失效的原因。（5）提高改進措施（6）實際運行考驗2.2.2常用失效分析技術(shù) 失效分析技

17、術(shù)是指在各種失效分析方法中具體所采用的分析技術(shù)和手段。對失效分析對象而言，失效分析技術(shù)從總體上可分為非破壞性和破壞性失效分析技術(shù)，具體可分為：感官檢查診斷技術(shù)、痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù)、斷口和裂紋分析技術(shù)、化學(xué)成分分析技術(shù)、性能測試技術(shù)、無損檢驗技術(shù)、宏觀殘余應(yīng)力測試等。1.感官檢查診斷技術(shù) 失效分析與醫(yī)生看病或診察案件相似，對信息資料既要單獨和分類推敲，又要綜合分析，通盤考慮，然后提出疑問、假設(shè)，進一步有針對性地補充信息資料，多方考核，驗證假設(shè)，從眾多原因中，逐步確定取舍，從而得出可靠結(jié)論，并提出切實可行的預(yù)防措施，最后在實踐中進一步驗證。 感官檢查是一種直觀、簡潔、使用方便、可靠性好的應(yīng)用技術(shù)。主要依

18、靠人體感官功能智力、經(jīng)驗的結(jié)合獲取、存儲、加工處理信息，達到分析目的。它主要包括視覺檢查、觸覺檢查、嗅覺檢查等。 2.痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù) 失效分析中進行宏觀、微觀分析時都離不開痕跡分析。通過痕跡分析，不僅可對事故和失效發(fā)生、發(fā)展過程作出判斷，并可為事故和失效分析結(jié)論提供可靠左證和依據(jù)。所謂痕跡分析就是對表面形貌（花樣）的變化、成分的變化（或材料的遷移）、顏色的變化、表層組織、性能的變化、殘余應(yīng)力的變化、以及表面污染狀態(tài)的變化等變化特性進行診斷鑒別，找出變化的原因，為事故和機械失效分析提供線索和證據(jù)。其主要研究內(nèi)容是： 研究機械表面上形成痕跡的物理、化學(xué)過程（即機制）； 研究痕跡對機械結(jié)構(gòu)及其功能的影

19、響； 研究不同材料表面性能與痕跡的關(guān)系及其機械失效分析中的應(yīng)用； 痕跡的理化檢驗方法； 痕跡的各種預(yù)防措施和表面強化或改進技術(shù)。 在一般情況下痕跡分析程序是： 尋找、發(fā)現(xiàn)和顯現(xiàn)痕跡； 痕跡的提取、固定、顯現(xiàn)、清洗、記錄和保存； 鑒定痕跡（這是痕跡分析的重點工作）一般原則是由表及里，由簡而繁，先宏觀后微觀，先定性后定量。遵循形貌-成分-組織結(jié)構(gòu)-性能的分析順序； 痕跡的模擬再現(xiàn)試驗； 綜合性分析； 做分析結(jié)論并寫出有建設(shè)性意見的報告。3.斷口的裂紋分析技術(shù) 斷口和裂紋分析一般包括宏觀分析與微觀分析兩個方面。前者指用肉眼或40倍以下的放大鏡、實體顯微鏡對斷口或裂紋進行觀察分析，可有效地確定對斷裂起

20、源和擴展方向；后者指用光學(xué)顯微鏡、透射電鏡、掃描電鏡等對斷口或裂紋進行觀察、鑒別與分析，可以有效地確定斷裂類型與機理。宏觀分析和微觀分析是不可分割的整體，二者不可互相取代，只能互相補充、互相促進。過分依賴微觀分析而不重視宏觀分析，只根據(jù)幾個微觀視場的特征就作出判斷，往往會導(dǎo)致全局性的判斷失誤；反之，忽視微觀分析只進行宏觀分析，則可能得出膚淺乃至錯誤的結(jié)論。斷口和裂紋分析技術(shù)一般包括：分析對象的確定與顯示技術(shù)、觀察與照相記錄技術(shù)、定性與定量分析技術(shù)及儀器與設(shè)備的使用技術(shù)等。4.化學(xué)成分分析技術(shù)在失效分析中，常常需要對失效零件的材料成分（包括定牌號、全成分或部分成分）、外來物（如擦痕或濺射附加物）

21、、表面沉積物、腐蝕生成物及氧化物等定性或定量的分析，以便為最終的失效分析結(jié)論提供依據(jù)。a.常用分析技術(shù)該技術(shù)主要用于分析失效零件名義或宏觀區(qū)域的材料成分，主要方法有：1.濕法化學(xué)分析：可準確分析含量較大的金屬，陰離子的有無及其濃度； 2.半定量發(fā)射光譜和原子吸收光譜：用于分析合金成分； 3.燃燒法：用于測定金屬中的碳硫氫氧氮的含量； 4.點滴法：可以簡單地定性分析金屬中的合金元素、沉淀物、腐蝕物、土壤等； 5.紅外、紫外光譜：用于檢測有機物質(zhì)。b.表面及微區(qū)分析技術(shù)在失效分析中，相對于名義或宏觀區(qū)域成分分析，失效零件的材料的表面成分及失效源區(qū)的微區(qū)分分析更為重要，尤其是對表面損傷或者由于諸如夾

22、雜、成分偏析等造成的失效。目前主要分析儀器有：訛歇電子譜儀、離子探針、電子探針、x射線能譜儀、x射線波長譜儀等。在掃描電鏡上可裝置餓歇電子譜儀、x射線能譜儀、x射線波長譜儀等，以滿足微區(qū)分分析需要。c鐵譜分析技術(shù) 為了對齒輪等承受摩擦作用的機械零件進行動態(tài)監(jiān)測，美國于1971年研制成功一種實驗檢測技術(shù)鐵譜技術(shù)。該技術(shù)不僅在設(shè)備診斷等領(lǐng)域中具有重要的實用價值。其分析對象是含有磨損粒子的潤滑油，在鐵譜儀中具有理論意義，而且在失效分析，故障診斷等領(lǐng)域中具有重要的實用價值。其分析對象是含有磨損粒子的潤滑油，在鐵鐠儀的剃度磁場中，磁性和幾何尺寸各異的磨損粒子被分開來。5.性能測試技術(shù) 對于一些重大的、復(fù)

23、雜的斷裂或變形失效，往往必須做力學(xué)方面的實驗分析工作，優(yōu)先考慮的試驗有硬度試驗、沖擊試驗、等。若上訴試驗不足以說明結(jié)論意見時，可進一步取樣作其它性能試驗，如拉伸實驗，kic，da/dn，耐磨性及腐蝕敏感性試驗等。6.無磨損檢驗技術(shù) 無損檢驗就是應(yīng)用一些物理現(xiàn)象，在不改變i材料或零件形狀和性能（包括機械性能和化學(xué)性質(zhì)）條件下，迅速可靠的確定其表面或里邊裂縫和其他的缺陷的大小、數(shù)量位置的方法。在失效分析中應(yīng)用無損檢測技術(shù)的目的在于：(1）檢測失效件的同批服役件、庫存件，防止同類事故的發(fā)生，若能查出第二件、第三件，則更有利于失效性質(zhì)和失效原因的分析判斷；(2）某些容器、管道、殼體，甚至一些復(fù)雜形狀的

24、系統(tǒng)裝置出現(xiàn)裂紋或泄露時，常需要借助于無損檢驗測量技術(shù)來確定其確切部位，以便取樣分析或采取相應(yīng)的補救措施；(3）在脆性破壞中，利用無損檢測技術(shù)來檢測監(jiān)視臨界裂紋長度，防止發(fā)生脆斷； 無損檢驗是一門系統(tǒng)的復(fù)雜的新興科學(xué)，其檢測方法以有十多種，有的正在不斷完善，并向著自動化，提高性能及靈敏度，使用電視裝置等方面發(fā)展（如x射線探傷、磁力探傷、超聲波探傷等），有的還在發(fā)展中。根據(jù)無損探傷的原理，其檢驗方法大致可分為五類；放射性探傷、電磁探傷、聲試驗探傷法、滲透探傷法和熱試驗法探傷。7.宏觀殘余應(yīng)力測試 金屬零件經(jīng)各種冷熱加工（如切削、磨削加工、裝配、冷撥、熱處理等）之后，其部或多或少都存在殘余應(yīng)力。殘

25、余應(yīng)力的存在對材料的疲勞、耐磨蝕、尺寸穩(wěn)定性都有影響，甚至在服役過程中一起的相變，據(jù)最近的調(diào)查分析，由于殘余應(yīng)力的影響或?qū)е碌臋C械零件失效達到50%以上。因此在失效分析中，常需對機械零部件進行殘余應(yīng)力分析進行測定。宏觀殘余應(yīng)力測定方法很多，如電阻應(yīng)變法、光彈復(fù)膜法、脆性涂料法、x射線法及聲學(xué)法等。2.3系統(tǒng)分析方法 隨著科技的不斷進步，設(shè)備的日益更新，其失效因數(shù)除物的因素外，還包括人的因素（如管理不善、判斷失誤、操作過失、責(zé)任心不強等）和軟件方面的因素。龐大復(fù)雜的設(shè)備可能的時效原因常常不止一個或幾個，而是幾十、甚至更多；若僅用物理失效方法難于解決復(fù)雜系統(tǒng)的失效分析任務(wù)。而且目前一般的失效分析都

26、是手工操作，分析耗時長。因此，對復(fù)雜而急迫的設(shè)備的失效分析，必須應(yīng)用系統(tǒng)工程的思想和方法。 失效分析的系統(tǒng)工程的方法有許多種，其中最常見的有:pro/e建模分析法、故障樹分析方法、特征-因數(shù)分析法、失效模式與后果分析法、事件建模分析法是序樹分析法等。pro/enginee是1985年美國波士頓ptc公司開發(fā)出來的參數(shù)化建模軟件，目前已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了pro/engineer wildfire 3.o。它包括了在工業(yè)設(shè)計和機械設(shè)計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。而且pro/engineer還提供了目前所能達到的最全面、集成最

27、緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，本文所進行軸的結(jié)構(gòu)分析就是基于pro/engineer這一軟件。我們通過對自卸車拐軸軸的宏、微觀分析和結(jié)構(gòu)分析，了解該軸的應(yīng)力分布情況，找出應(yīng)力集中部位，分析該系列軸斷裂的原因,在此基礎(chǔ)上充分利用pro/e技術(shù)進行進一步的應(yīng)力分析,以驗證宏、微觀分析結(jié)果,再利用pro/e技術(shù)進行軸的優(yōu)化設(shè)計,達到改進軸的目的。這樣既能保證設(shè)備的正常使用，提高工廠的經(jīng)濟效益，有很高的實用價值，而且為軸失效問題的分析可提供有效的參考資料。日本石川發(fā)明的特性因數(shù)圖分析法是將已表現(xiàn)出來的失效或異常現(xiàn)象（即表現(xiàn)出來的結(jié)果稱作特征）和引起這些現(xiàn)象的那些因數(shù)，用魚骨結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，通過分析找出這些現(xiàn)象的直

28、接原因。 2.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了失效分析的基本概念、失效的主要來源及模式、常用的失效分析方法及技術(shù)的失效的系統(tǒng)分析方法。失效分析技術(shù)中主要介紹了感官檢查診斷技術(shù)、痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù)、斷口和裂紋分析技術(shù)、化學(xué)成分分析技術(shù)、性能測試技術(shù)、無損檢驗技術(shù)、宏觀殘余應(yīng)力。失效分析的系統(tǒng)分析方法則主要介紹了pro/e和fmea兩類。所謂“特征”，是指失效與異?，F(xiàn)象，“要因”是指引起失效與故障的因素與原因?！疤卣鳌庇弥鳁U箭頭表示，“要因”用分箭頭表示，就構(gòu)成了特征要因分析圖或失效魚骨圖。在國外，尤其是日本，特征要因圖廣泛用于產(chǎn)品質(zhì)量管理與失效分析中。近幾年來，在我國也得到了廣泛的應(yīng)用。本課題研究中采用失

29、效分析魚骨圖即特征要因圖的方法。對輸出軸的斷裂原因的原因主要從以下幾個方面考慮：原材料、設(shè)計、冷熱加工工藝、裝配及使用等。具體的失效分析的魚骨圖如圖1-4所示。根據(jù)測試分析結(jié)果，消去不存在因素，留下來的因素即為自卸車拐軸斷裂失效的原因。拐軸斷裂 圖1-3失效分析基本程序圖 調(diào)查取證階段 失效現(xiàn)場查 收集背景資料 實驗分析階段 宏觀分析 宏觀斷口分析 掃描電鏡分析綜合分析 金相組織分析 力學(xué)性能測試 失效分析 預(yù)防對策 設(shè)計工藝第3章 t108噸自卸車拐軸的斷裂原因分析此課題研究的拐軸是某廠108噸自卸車上一部件，在此稱為主軸。 我們從設(shè)計圖紙上了解到主軸的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，按使用情況我們在主

30、軸（拐軸）尾部接上管子（結(jié)構(gòu)如圖3-2所示），然后通過焊接用一個外徑為450，內(nèi)徑為374，總長為1946的圓管約束，約束位置在離圓管端部418處，主軸端部離中心線472（裝配情況如圖3-3所示）。 圖3.1 主軸的結(jié)構(gòu)圖3.2 管子結(jié)構(gòu)圖3.3 裝配圖3.1實驗結(jié)果與分析 下面將在結(jié)構(gòu)、宏觀、金相三個方面進行分析。3.1.1結(jié)構(gòu)分析 由圖3.1可以看出該主軸的結(jié)構(gòu)在過渡處有一個大約半徑為6cm的圓角在該處，經(jīng)分析很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中是一切機械零部件的死敵也可以說是機械失效的重要原因之一。由于應(yīng)力集中的原因 對軸的強度、硬度、塑性、韌性、抗拉強度等都有很高的要求。因此對制造零部件時，

31、其工藝也要規(guī)范、精益求精，這才能保證軸的質(zhì)量和機械的質(zhì)量。3.1.2斷裂宏觀檢查 該軸靠近斷口一端嚴重磨損，表面粗糙，呈焦油色，該區(qū)域內(nèi)的斷口表面也呈焦油色。整個斷口表面較粗糙，部分呈粗糙的貝紋花樣，貝紋間隔為35mm，屬疲勞斷裂區(qū)；部分為靜段區(qū)，呈暗灰色，其中兩處有石狀斷口特征。疲勞區(qū)約占斷口總面積62%。 宏觀斷口如圖3.4所示。裂紋源位于軸頸圓角表面嚴重磨損的一端，距曲柄平面5mm處。裂紋由軸頸表面開始，一部分沿與軸線成45角方向向軸頸內(nèi)擴散，整個裂紋穿過軸頸上的油孔，最后在軸頸上形成斜斷口。 圖3.4 拐軸的斷裂實物圖 軸圓角處未淬火區(qū)為從圓角根部向軸頸內(nèi)約10mm范圍，其硬度為243

32、0hrc；軸頸淬火區(qū)為從圓角根部向軸頸內(nèi)約10mm范圍，其硬度為2430hrc；軸頸淬火區(qū)表面硬度為4046hrc，心部為2430hrc。顯然，該拐軸淬火后的表面硬度遠未達到技術(shù)要求，其非淬火帶尺寸也大于工藝中所要求的（5.7）mm。裂紋源處開始于軸圓角處非淬火帶上，裂紋源處斷口平坦，光滑，呈灰色；在其一側(cè)有臺階特征，呈放射狀，另一側(cè)有貝紋特征的弧線。裂紋源處掃描斷口形貌如圖3.2所示，呈沿晶斷裂特征，晶粒粗大。表明裂紋在被削弱的晶界快速擴展的情況。3.1.3 金相檢驗 圖3.1中箭頭所指處為石狀斷口區(qū)，該區(qū)距軸頸表面約6mm，在此切取金相試樣，在未經(jīng)侵蝕的徑向截面上，可觀察到尺寸非常粗大晶界

33、氧化物和晶界和晶界斷裂，如圖3.3所示。在圖3.3（a）中夾雜物上選不同形態(tài)的二點做能譜分析，結(jié)果列于表3.1，表明該夾雜物為氧化物。氧化物夾雜伸長方向和品界開裂方向與曲軸流動方向一致，可以認為這些缺陷是存在于鍛件中的。 圖3.5 裂紋源處斷口掃描圖表3.1 晶界氧化物成分（原子百分含量）元素ocrmnfesis成分76.0077.2440.61315.9830.5040.39849.3954.2521.28041.732-對圖3.3（a）中氧化物夾雜與基體邊界處測定顯微硬度，結(jié)果列于表3.2，表明氧化物附近基體有輕微脫碳。對圖3.3（b）中黑色區(qū)域測定顯微硬度，表明該處是空洞（即已開裂），其

34、附近基體顯微硬度列于表3.2，表明在開裂的晶界附近有一定程度的脫碳。在該斷口附近還可觀察到大面積的夾雜物樣，如圖3.3（c）。表3.2氧化物顯微硬度圖3.3（a）中距夾雜/基體邊界距離（mm） 10131940587592 hv82105113274292292292254圖3.3（b）中距晶界距離（mm）hv 100176238235245圖3.4中雙箭頭所指處切取金相試樣，在與軸線垂直的截面上，經(jīng)飽和苦味酸侵蝕后的組織如圖3.6。圖中顯示的是距軸頸表面約3mm處的情況，晶粒較粗大，沿晶界有大量夾雜物析出（圖3.6（a），甚至還有局部晶界開裂（圖3.6（b）。該試樣

35、經(jīng)硝酸酒精溶液侵蝕后的組織如圖3.6，圖中顯示在淬硬層與心部過度區(qū)附近存在大量沿晶界分布的夾雜物質(zhì)點；能譜分析表明，這些夾雜物系氧化物及硫化物。這是由于終鍛溫度過高，在鍛后停留過程中形成的。（a）表面感應(yīng)淬火層向心部過渡區(qū)（b）距軸頸表面3mm處晶界開裂。圖3.6 夾雜物金相（x100）試樣心部較清潔部分的顯微組織為回火索氏體組織，如圖3.6，圖中仍可以比較清楚地看到沿晶界析出的異相質(zhì)點。這些調(diào)質(zhì)組織較粗大。經(jīng)苦味酸腐蝕后的原奧氏體晶界如圖3.7。圖3.7 軸的內(nèi)部的調(diào)質(zhì)處理（x500）圖3.8 上述金相分析表明該軸有嚴重的金相缺陷如尺寸，密集分布的夾雜物等。這與裂紋源處的沿晶粒相一致，可以認

36、為該拐軸的上述的缺陷是軸過熱過燒和結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致的，拐軸處理工藝不規(guī)范、不完善、拐軸工作條件不好加速了拐軸的斷裂。 3.2 ansys建模利用ansys軟件，首先分別作出基本零件圖，再將三個零件裝配在一起，如下圖3.2-3.4所示。3.2.1 建模與網(wǎng)格劃分在建模中，由于要進行有限元分析，為減少小尺寸的影響，一些不重要的倒角、倒角可以省略，此外，拐軸的實際受力過程是不斷運動的，為便于分析起見，在受力等效的原則下，通過施加約束轉(zhuǎn)化為一個靜力分析模型。圖 3.9 拐軸零件圖的建模及網(wǎng)格劃分本文采用ansys9.0，將pro/e中電機軸的建模調(diào)入其中進行網(wǎng)格的劃分。在有限元的劃分上，采用了ansys

37、的solid45 單元來劃分網(wǎng)格，利用分層和多次剖切的方法，將全軸用映射網(wǎng)格劃分，在劃分網(wǎng)格時特意將軸肩處劃的較密，這樣既采用了形態(tài)較好的六面體網(wǎng)格，又使網(wǎng)格疏密有致，保證了較高的計算精度。劃分的結(jié)果如下圖3.9所示。3.3.2 加載求解施加載荷的大小是以材料的屈服強度為依據(jù)，取試件的屈服強度計算值的80%為施加的載荷，具體的計算如下：n = sa80%n：施加的載荷；s ：材料的抗拉強度； a：試件的橫截面積。35crmo的抗拉強度s = 835mpa根據(jù)計算：解得：n=90噸，即在加載面積上的應(yīng)施加的f=90噸。3.3.3 查看求解結(jié)果3.3.3.1 應(yīng)力分布 圖3.10是幾何模型的應(yīng)力分

38、布圖，表達了該軸的應(yīng)力分布情況及最大應(yīng)力的位置和數(shù)值。從圖中我們更清楚的看出軸節(jié)點的應(yīng)力最大位置在圓圈中mx處即拐軸的連接處，最大值為-0.74681e7兆帕。 圖3.10 幾何模型的應(yīng)力分布圖3.3.3.2 位移情況 下圖3.11是設(shè)計模型的位移分布圖，表達了電機軸在工作時所產(chǎn)生的位移.從圖中可清楚的看出，它的位移最大位置就在應(yīng)力最大的位置上,最大位移值在軸端為0.031mm。 圖3.11 設(shè)計模型的位移分布圖從應(yīng)力最集中處可以看到與實際斷裂處一致，說明計算結(jié)果與實際情況基本相符?；旧峡梢哉J為肋板與軸的結(jié)合處的形狀轉(zhuǎn)折過大，容易造成應(yīng)力集中。因此應(yīng)該選擇過渡曲線平滑的形狀，并以抵抗抵抗應(yīng)力

39、的強度。 3.4 拐軸的優(yōu)化設(shè)計仍然采用ansys軟件進行軸的優(yōu)化設(shè)計，并對所做的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行分析驗證，達到減少應(yīng)力集中，提高零件及設(shè)備的使用壽命。3.4.1 建立目標函數(shù)經(jīng)過對實際軸和設(shè)計軸的分析，可以應(yīng)力最大主要是發(fā)生在軸端連接處，在保證其它的基本尺寸不變的情況下，對連接處的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，用有限元的方法在加載和約束等條件不變的情況下，對它進行分析，達到減小最大應(yīng)力，消除應(yīng)力集中，符合工況要求。 3.4.2 改進后軸結(jié)構(gòu)在軸端連接處用r25的圓弧光滑過渡，如下圖3.12所示，并且在加工過程中不能出現(xiàn)圓弧溝等加工刀痕，消除由于加工的原因而增加斷裂的因素。圖3.12 改進后軸結(jié)構(gòu)圖3.4.3 改

40、進模型的有限元分析按以上同樣的約束條件,同樣的加載大小和方式,通過ansys軟件處理,得到以下結(jié)果:圖3.13 改進后的軸應(yīng)力分析圖從圖3.13中看出,軸的結(jié)構(gòu)進行改進以后，在應(yīng)力分布最大處，應(yīng)力過渡平穩(wěn)，用新的零件將應(yīng)力最大值從-0.74681e7 降低到 -0.48453e6 符合使用應(yīng)力?？梢钥闯鲈趦?yōu)化之后應(yīng)力集中的狀況有了非常大的改善。所以優(yōu)化設(shè)計是成功的。3.4.4 小結(jié)在上述兩種情況的比較中可以看出，最大應(yīng)力均發(fā)生在過渡圓角附近，說明該處有嚴重的應(yīng)力集中，是斷裂最先發(fā)生區(qū)，這與兩斷軸均在該處斷開、裂紋擴展連線最長這一現(xiàn)象是一致的。設(shè) 計 總 結(jié) 畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)結(jié)束了，給我的感覺什么都有，它是我三年學(xué)習(xí)的總結(jié)，是精華所在，同時也是考驗自己，挑戰(zhàn)自己，能夠把自己所學(xué)的知識，運用起來，是一件很高興，很自豪的事情，能夠看到自己所設(shè)計出來東西，心里的感受是不能夠用言語來表達的。同