前言

測試齒輪殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性、安全性、使用壽命及生產(chǎn)工藝優(yōu)化具有至關(guān)重要的意義。

一、保障齒輪使用性能與壽命

1. 預(yù)判疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)

齒輪在高轉(zhuǎn)速、重載工況下易發(fā)生疲勞斷裂，而殘余應(yīng)力是影響疲勞壽命的關(guān)鍵因素。殘余拉應(yīng)力會(huì)與工作應(yīng)力疊加，加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展；合理的殘余壓應(yīng)力（如表面強(qiáng)化工藝形成的壓應(yīng)力）則能抑制裂紋擴(kuò)展，提升疲勞壽命。通過測試可明確殘余應(yīng)力的大小、方向和分布，精準(zhǔn)評(píng)估齒輪的疲勞失效概率，避免設(shè)備運(yùn)行中突發(fā)故障。

2. 控制變形與保證傳動(dòng)精度

齒輪加工（如熱處理、磨削、鍛造）過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在后續(xù)使用或存放中會(huì)逐漸釋放，導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生翹曲、尺寸漂移等變形，直接影響齒面嚙合精度、傳動(dòng)效率和噪聲水平。測試殘余應(yīng)力可提前識(shí)別高應(yīng)力集中區(qū)域，通過時(shí)效處理、應(yīng)力釋放工藝等手段消除或調(diào)控應(yīng)力，確保齒輪尺寸穩(wěn)定性和傳動(dòng)精度。

二、提升設(shè)備運(yùn)行安全性

齒輪廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、風(fēng)電、機(jī)床等關(guān)鍵領(lǐng)域，其失效可能引發(fā)連鎖故障（如汽車變速箱卡滯、風(fēng)電齒輪箱斷裂），造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至安全事故。通過殘余應(yīng)力測試，可篩選出應(yīng)力超標(biāo)（如局部拉應(yīng)力過大）的不合格齒輪，避免其投入使用；同時(shí)對(duì)在用齒輪進(jìn)行定期檢測，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力演化導(dǎo)致的潛在風(fēng)險(xiǎn)，提前進(jìn)行維護(hù)或更換，保障整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

三、優(yōu)化生產(chǎn)工藝與質(zhì)量控制

1. 工藝參數(shù)迭代

齒輪的殘余應(yīng)力分布與加工工藝直接相關(guān)（如熱處理溫度、冷卻速度、表面淬火方式、磨削參數(shù)等）。通過測試不同工藝方案下齒輪的殘余應(yīng)力狀態(tài)，可對(duì)比分析工藝優(yōu)劣，優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)（如調(diào)整熱處理曲線以獲得理想的壓應(yīng)力層），從源頭減少有害殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，提升批量生產(chǎn)的齒輪質(zhì)量一致性。

2. 驗(yàn)證表面強(qiáng)化效果

為提升齒輪耐磨性和疲勞壽命，常采用噴丸、滾壓、滲碳淬火等表面強(qiáng)化工藝，這些工藝的核心作用是在齒輪表面形成均勻的殘余壓應(yīng)力層。通過測試強(qiáng)化后齒輪的應(yīng)力分布，可驗(yàn)證工藝效果（如壓應(yīng)力層深度、應(yīng)力均勻性），確保強(qiáng)化工藝達(dá)到設(shè)計(jì)要求，避免因工藝執(zhí)行不到位導(dǎo)致的性能不達(dá)標(biāo)。

四、支撐失效分析與技術(shù)改進(jìn)

當(dāng)齒輪發(fā)生斷裂、齒面剝落等失效現(xiàn)象時(shí)，殘余應(yīng)力測試是失效分析的關(guān)鍵手段之一。通過檢測失效齒輪的殘余應(yīng)力分布，可判斷失效是否與殘余應(yīng)力超標(biāo)（如拉應(yīng)力集中）相關(guān)，明確失效根源（是工藝缺陷還是設(shè)計(jì)不合理），為后續(xù)的齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料選型或工藝改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐，避免同類失效問題重復(fù)發(fā)生。

五、滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與合規(guī)要求

在航空航天、核電等裝備領(lǐng)域，齒輪作為核心零部件，其殘余應(yīng)力指標(biāo)需符合嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量規(guī)范。殘余應(yīng)力測試可提供量化數(shù)據(jù)，證明產(chǎn)品滿足合規(guī)要求，同時(shí)為產(chǎn)品質(zhì)量追溯提供依據(jù)，提升企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力。

綜上，齒輪殘余應(yīng)力測試不僅是評(píng)估齒輪性能的 “體檢手段"，更是貫穿齒輪設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用全生命周期的關(guān)鍵技術(shù)支撐，對(duì)降低失效風(fēng)險(xiǎn)、提升產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化生產(chǎn)成本具有不可替代的作用。

本文使用GNR公司EDGE殘余應(yīng)力分析儀對(duì)齒輪樣品進(jìn)行應(yīng)力測試。

儀器介紹

EDGE高分辨室內(nèi)外兩用殘余應(yīng)力分析儀符合ASTM E915及EN 15305殘余應(yīng)力國際分析檢測標(biāo)準(zhǔn)。意大利GNR射線應(yīng)力分析儀EDGE 配備專門設(shè)計(jì)的儀器箱，可將所有配件裝入箱中，方便攜帶；專業(yè)三腳架確保儀器靈活放置，測量角度不受限制，可進(jìn)行90°、180°、顛倒式測量；高性能電池能夠保證儀器在野外、停電等情況下正常工作；另外，激光定位裝置與微動(dòng)裝置結(jié)合使用，進(jìn)行快速定位，定位過程中樣品與儀器無需任何接觸。

測試條件

在齒輪樣品的180度齒溝位置進(jìn)行測試，因?yàn)辇X溝面積小，所以使用0.5 mm的準(zhǔn)直器，采樣時(shí)間120 s。

結(jié)果及討論

從結(jié)果可以看出樣品加工后未經(jīng)過表面強(qiáng)化處理，存在一個(gè)拉應(yīng)力在里面，為延長齒輪的使用壽命，需要對(duì)其進(jìn)行噴完強(qiáng)化處理來增加樣品的強(qiáng)度。

GNR便攜式殘余應(yīng)力分析儀EDGE配備高分辨率的檢測器和測角儀，以及非接觸式的激光對(duì)焦，可以對(duì)狹小齒溝位置進(jìn)行準(zhǔn)確的應(yīng)力測試。在本次測試過程中，我們還對(duì)實(shí)際輻射劑量進(jìn)行了監(jiān)測。結(jié)果顯示，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，輻射計(jì)所測數(shù)值與環(huán)境本底基本持平，這充分表明在實(shí)際操作中，X射線殘余應(yīng)力分析儀EDGE對(duì)操作人員不會(huì)產(chǎn)生任何輻射影響。此外，借助三腳架及各類工裝，EDGE能夠更加靈活地適配各種現(xiàn)場環(huán)境，展現(xiàn)出強(qiáng)大的適用性。