基于载荷谱的三峡升船机齿条疲劳寿命评估

陈卓; 师陆冰; 阎晓青; 汤伟毕; 李学飞; 刘忠明

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2023.05.024

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于载荷谱的三峡升船机齿条疲劳寿命评估

开发应用 | 更新时间：2023-08-14

- 基于载荷谱的三峡升船机齿条疲劳寿命评估
  增强出版
- Fatigue Life Evaluation of Racks for the Three Gorges Ship Lift Based on the Load Spectrum
- 机械传动 2023年47卷第5期页码：158-166
- 作者机构：
  
  1.郑州机械研究所有限公司，河南郑州 450001
  2.郑机所（郑州）传动科技有限公司，河南郑州 450001
  3.长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443000
- 作者简介：
  
  陈卓（1999— ），女，河南平顶山人，硕士研究生；研究方向为齿轮强度与试验技术；1102993116@qq.com。
  刘忠明(1964— )，男，河南浚县人，博士，研究员，博士研究生导师；研究方向为齿轮传动数字化设计方法和装备可靠性分析；Zmliu2001@126.com。
- 基金信息：
  
  交通运输部三峡后续工作科技项目(SXHXGZ-SCJ-2020-1┫中国博士后科学基金项目┣2021M692951)
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2023.05.024
  中图分类号：
- 纸质出版日期：2023-05-15，
  
  收稿日期：2023-02-22，
- 稿件说明：
移动端阅览
陈卓,师陆冰,阎晓青等.基于载荷谱的三峡升船机齿条疲劳寿命评估[J].机械传动,2023,47(05):158-166.

Chen Zhuo,Shi Lubing,Yan Xiaoqing,et al.Fatigue Life Evaluation of Racks for the Three Gorges Ship Lift Based on the Load Spectrum[J].Journal of Mechanical Transmission,2023,47(05):158-166.
陈卓,师陆冰,阎晓青等.基于载荷谱的三峡升船机齿条疲劳寿命评估[J].机械传动,2023,47(05):158-166. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.05.024.

Chen Zhuo,Shi Lubing,Yan Xiaoqing,et al.Fatigue Life Evaluation of Racks for the Three Gorges Ship Lift Based on the Load Spectrum[J].Journal of Mechanical Transmission,2023,47(05):158-166. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.05.024.

摘要

针对三峡升船机齿轮齿条在全寿命周期内可能面临疲劳失效的问题，基于驱动电动机以及同步轴转矩计算出的齿轮齿条载荷，构建了包含受力齿面、载荷循环次数的齿条载荷谱；结合齿条的

S-N

曲线、Miner线性累积损伤准则，计算了齿条在设计寿命35年内的损伤度及剩余疲劳寿命。此外，采用累积迭代法计算了齿条的接触、弯曲安全系数，实现了齿条实际载荷与设计载荷下安全系数的相互对比与运行安全性能验证。研究表明，齿条上齿面的啮合次数较多，其概率为73.03%；在设计寿命内，齿条上齿面的接触疲劳总损伤度为1.65×10

-12

，按载荷谱的总循环次数为1.87×10

；齿条上齿面的弯曲疲劳总损伤度为8.15×10

-14

，按载荷谱的总循环次数为3.78×10

，齿条在设计寿命35年后具有很长的剩余疲劳寿命；齿条的接触安全系数

=2.958，弯曲安全系数

=8.106，均大于所选取的较高可靠度下的最小安全系数与设计载荷下的计算安全系数，升船机齿条的安全裕量充足。研究丰富了超大模数齿轮齿条疲劳寿命领域的相关研究，为三峡升船机的运行维护提供了理论基础和数据支撑。

Abstract

Aiming at the problem that the rack and pinion for the Three Gorges ship lift may face fatigue failure during its whole life cycle

the load spectrum including the stressed tooth surface and the number of load cycles is constructed in this study based on the rack and pinion load calculated by the torques of the driving motors and the synchronous shafts. Combined with the

S-N

curve of racks and Miner's linear cumulative damage criterion

the damage degree and residual fatigue life of racks within 35 years of design life are calculated. In addition

the cumulative iteration method is used to calculate the contact and bending safety factors of the rack

which realizes the comparison between the actual load and the design load of the rack and the operation safety performance verification. The results show that

the upper tooth surface of the rack has more meshing times

and its probability is 73.03%. During the design life

the total contact fatigue damage degree of the upper tooth surface of the rack is 1.65×10

-12

and the total number of cycles according to the load spectrum is 1.87×10

. The total damage degree of the bending fatigue of the upper tooth surface of the rack is 8.15×10

-14

; the total number of cycles according to the load spectrum is 3.78×10

; the rack has a long residual fatigue life after 35 years of design life. The contact safety factor of the racks

=2.958

bending safety factor

=8.106

are both greater than the selected minimum safety factor under high reliability and the calculated safety factor under design load

and the safety margin of ship lift racks is sufficient. The research content of this study has enriched the relevant research in the field of fatigue life of super-large modulus racks and pinions

and provides theoretical basis and data support for the operation and maintenance of the Three Gorges ship lift.

关键词

三峡升船机齿轮齿条载荷谱疲劳寿命安全系数

Keywords

Three gorges ship liftRack and pinionLoad spectrumFatigue lifeSafety factor

references

刘忠明，李权才，李纪强，等.三峡升船机齿轮齿条受力分析［J］.机械传动，2014，38（10）：54-57.

LIU Zhongming，LI Quancai，LI Jiqiang，et al.Load analysis of rack and pinion for ship lift of Three Gorges project［J］.Journal of Mechanical Transmission，2014，38（10）：54-57.

刘怀举，张博宇，朱才朝，等.齿轮接触疲劳理论研究进展［J］.机械工程学报，2022，58（3）：95-120.

LIU Huaiju，ZHANG Boyu，ZHU Caichao，et al.State of art of gear contact fatigue theories［J］.Journal of Mechanical Engineering，2022，58（3）：95-120.

何良.大模数齿轮齿条疲劳寿命研究［D］.荆州：长江大学，2019：19-57.

HE Liang.Research on fatigue life of large modulus gear rack［D］.Jingzhou：Yangtze University，2019：19-57.

夏鋆.电动汽车减速器疲劳寿命分析与预测方法研究［D］.重庆：重庆理工大学，2020：9-63.

XIA Jun.Research on fatigue life analysis and prediction method of electric vehicle gear reducer［D］.Chongqing：Chongqing University of Technology，2020：9-63.

LIU H L，LIU H J，ZHU C C，et al.Influence of load spectrum on contact fatigue damage of a case carburized wind turbine gear［J］.Engineering Failure Analysis，2021，119：105005.

LI J，HAN C Y，WU W B，et al.Load spectrum compilation method of hybrid electric vehicle reducers based on multi-criteria decision making［J］.Energies，2022，15（9）：3293.

邹喜红，支川银，熊锋，等.基于实际载荷谱的电动汽车减速器齿轮疲劳寿命分析［J］.机械传动，2022，46（11）：154-160.

ZOU Xihong，ZHI Chuanyin，XIONG Feng，et al.Fatigue life analysis of electric vehicle reducer gears based on actual load spectrum［J］.Journal of Mechanical Transmission，2022，46（11）：154-160.

廖乐康.升船机液气弹簧装置设计与研究［J］.人民长江，2021，52（12）：133-139.

LIAO Lekang.Design and research of hydraulic gas spring device for ship lift［J］.Yangtze River，2021，52（12）：133-139.

全国齿轮标准化技术委员会.直齿轮和斜齿轮承载能力计算第6部分：变载荷条件下的使用寿命计算：GB/T 3480.6—2018［S］.北京：中国标准出版社，2018：1-21.

National Technical Committee for Gear Standardization.Calculation of load capacity of spur and helical gears—part 6：calculation of service life under variable load：GB/T 3480.6—2018［S］.Beijing：Standards Press of China，2018：1-21.

全国齿轮标准化技术委员会.直齿轮和斜齿轮承载能力计算第2部分：齿面接触强度（点蚀）计算：GB/T 3480.2—2021［S］.北京：中国标准出版社，2021：7-36.

National Technical Committee for Gear Standardization.Calculation of load capacity of spur and helical gears—part 2：calculation of surface durability （pitting）：GB/T 3480.2—2021［S］.Beijing：Standards Press of China，2021：7-36.

全国齿轮标准化技术委员会.直齿轮和斜齿轮承载能力计算第3部分：轮齿弯曲强度计算：GB/T 3480.3—2021［S］.北京：中国标准出版社，2021：9-45.

National Technical Committee for Gear Standardization.Calculation of load capacity of spur and helical gears—part 3：calculation of tooth bending strength：GB/T 3480.3—2021［S］.Beijing：Standards Press of China，2021：9-45.

李永祥，王明旭.升船机齿条材料疲劳强度试验技术研究［R］.郑州：河南工业大学，2015：4-37.

LI Yongxiang，WANG Mingxu.Study on the experimental technology of rack material for ship lift［R］.Zhengzhou： Henan University of Technology，2015：4-37.

武滢.大型升船机驱动系统可靠性分析与建模［D］.沈阳：东北大学，2012：92-96.

WU Ying.Reliability analysis and modelling of heavy ship lift's driving system［D］.Shenyang：Northeastern University，2012：92-96.

姚卫星.结构疲劳寿命分析［M］.北京：科学出版社，2019：15-16.

YAO Weixing.Fatigue life estimation of structures［M］.Beijing：Science Press，2019：15-16.

刘永臣，孙丽.汽车道路载荷谱技术及应用［M］.南京：东南大学出版社，2016：91-92.

LIU Yongchen，SUN Li.Automobile road load spectrum technology and application［M］.Nanjing：Southeast University Press，2016：91-92.

钮新强.大型齿轮齿条爬升式升船机［M］.北京：科学出版社，2021：115-119.

NIU Xinqiang.Large rack and pinion climbing ship lift［M］.Beijing：Science Press，2021：115-119.

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

斜齿轮疲劳寿命及节点位移修形方法研究

基于载荷谱工况的轮边减速器刚柔耦合动力学与疲劳寿命评估

基于运行工况的三峡升船机齿轮齿条载荷与润滑状态分析

基于实际载荷谱的电动汽车减速器齿轮疲劳寿命分析

新型传动滚筒疲劳寿命分析