齒輪早期故障綜合模擬實驗臺研制

王 劍， 蔣漢軍

(重慶大學(xué) 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

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齒輪早期故障綜合模擬實驗臺研制

王 劍， 蔣漢軍

(重慶大學(xué) 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

作為傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，齒輪在工作過程中承受周期性的交變載荷作用，其表面極易發(fā)生剝落故障。然而，齒輪早期剝落故障特征信號被淹沒在機械系統(tǒng)振動信號與其他干擾信號之中，導(dǎo)致其振動特征識別困難，嚴重制約了機械系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的發(fā)展。針對該問題，研制了一套用于研究齒輪齒面早期剝落故障振動信號特征的齒輪故障模擬實驗臺。實驗臺能夠開展齒輪不同程度齒面剝落故障模擬實驗，模擬齒輪在不同轉(zhuǎn)速、負載條件下的振動加速度信號特征，獲得齒輪的齒面不同程度剝落故障信號特征數(shù)據(jù)庫。為齒輪早期剝落故障的準確診斷和識別奠定基礎(chǔ)。

齒輪； 故障； 特征信號； 實驗臺

0 引 言

作為重要的機械傳動設(shè)備部件之一，齒輪在機械傳動設(shè)備中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。由于齒輪的工作環(huán)境惡劣，導(dǎo)致齒輪在工作過程中極易出現(xiàn)故障，齒面的剝落故障就是齒輪的主要失效形式之一。當(dāng)齒輪的齒面出現(xiàn)剝落故障時，機械傳動設(shè)備的可靠性和安全性將受到嚴重影響，甚至引起整個機械設(shè)備失效，造成嚴重安全后果和巨大經(jīng)濟損失[3]。因此，開展齒輪的早期剝落故障研究具有重要的理論意義和工程價值。

針對齒輪的早期剝落故障進行診斷和識別的問題，目前許多學(xué)者開展了大量的研究，并已經(jīng)提出了不同的診斷和識別方法。其中，通過齒輪的齒面早期剝落故障信號特征進行準確地診斷和識別的方法是預(yù)防齒輪失效引起嚴重事故的有效途徑[3]。然而識別時，其故障信號特征往往被機械傳動設(shè)備的振動信號和其他振源干擾信號所淹沒，導(dǎo)致目前齒輪的齒面早期剝落故障特征信號識別的困難，嚴重制約機械傳動設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展[4]。因此，開展齒輪的齒面早期剝落故障振動信號特征的研究，對機械傳動設(shè)備的故障診斷技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論和實際工程價值。

為了研究齒面早期剝落故障對齒輪振動信號特征的影響規(guī)律，本文研制了一套齒輪箱齒輪的齒面剝落故障實驗臺。在該實驗臺上，能夠開展齒輪的齒面不同程度剝落故障模擬實驗，模擬齒輪在不同轉(zhuǎn)速、負載條件下的剝落故障振動加速度信號，獲得齒輪齒面的不同程度剝落故障振動加速度信號特征數(shù)據(jù)庫，從而為機械傳動設(shè)備中齒輪的齒面早期剝落故障的診斷和識別奠定基礎(chǔ)。

1 實驗臺的組成

齒輪箱齒輪的齒面早期剝落故障實驗臺如圖1所示。該實驗臺測試對象所需的負責(zé)扭矩由1臺磁粉制動器提供。

圖1 齒輪箱齒輪的齒面剝落故障實驗臺

齒輪箱齒輪的齒面剝落故障實驗臺主要由測試系統(tǒng)和被測對象組成。其中，測試系統(tǒng)主要由負載控制器、電荷放大器、直流電機控制器、傳感器、計算機和數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備組成;被測對象主要由1臺直流電動機、1臺磁粉制動器、1臺三相異步電機和一套二級直齒輪減速器等組成。實驗臺系統(tǒng)的載荷采用調(diào)整負載控制器的加載電流的方式實現(xiàn),實驗臺系統(tǒng)的驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速采用調(diào)整電機控制器的方式實現(xiàn)。其中，實驗臺系統(tǒng)的載荷和轉(zhuǎn)速的大小通過1臺JX-3機械效率儀實時顯示。實驗臺的輸入端和輸出端的扭矩傳感器的額定轉(zhuǎn)矩分別為50和100 N·m。齒輪箱齒輪的齒面剝落故障實驗平臺的示意圖如圖2所示。

圖2 齒輪箱齒輪的齒面剝落故障實驗系統(tǒng)示意圖

2 齒輪剝落故障設(shè)計

在齒輪的工作過程中，齒輪的輪齒受到嚙合交變載荷的作用，齒輪的齒面在嚙合位置(即作用在節(jié)線附近的齒面)容易產(chǎn)生接觸疲勞，導(dǎo)致齒輪的齒面出現(xiàn)剝落故障[5]。為了模擬齒輪的齒面剝落故障，根據(jù)實際齒輪的齒面剝落故障的形貌特征，并考慮目前齒輪的齒面故障加工技術(shù)的水平，采用電火花切割的方式在齒輪的輪齒節(jié)線位置處加工了不同程度的齒面剝落故障。在實驗臺中，假定齒輪的齒面剝落故障沿輪齒的寬度方向擴展，其擴展的程度由齒輪的齒面剝落故障的長度、寬度和深度確定。采用電火花加工方式加工完成的齒面剝落故障齒輪現(xiàn)場實物圖如圖3所示，故障的寬度30 mm，長度15 mm以及深度3 mm。

圖3 齒輪的齒面剝落故障實物圖

3 齒輪箱設(shè)計

實驗臺系統(tǒng)中采用的齒輪箱為標準圓柱直齒二級齒輪箱，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)實物圖如圖4所示。

圖4 齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)實物圖

實驗臺中，齒輪箱中的齒輪采用標準安裝方式進行安裝。實驗臺齒輪減速箱的各級齒輪參數(shù)如表1所示，齒輪嚙合特性：壓力角α=20°，頂隙系數(shù)c=0.25，齒頂高系數(shù)h=1。由表1可知，齒輪箱的總傳動比為3.76。由于實驗過程中，需要進行不同程度齒輪的齒面剝落故障模擬實驗，對齒輪進行拆裝。因此,為了在實驗過程中實現(xiàn)故障齒輪的方便拆裝，將含齒面剝落故障的齒輪安裝在第二級高速級上。為了實現(xiàn)含齒面剝落故障的齒輪的軸向固定，在齒輪與軸承之間采用花鍵連接方式。

表1 齒輪減速箱各齒輪的基本參數(shù)表

4 振動信號采集系統(tǒng)

在實驗臺安裝后，為了防止臟雜物對齒輪振動能量的傳遞特性造成不良影響，需要保證實驗臺在測定部位的表面保持光滑潔凈[6]。在進行齒輪的齒面剝落故障齒輪振動加速度信號測量，測點的布置位置不同，即傳感器安裝位置不同時，測試獲得的齒輪的振動加速度特征信號的幅值存在較大的差異[7]。為了獲得最佳的齒輪的齒面剝落故障振動加速度特征信號，就必須選取最佳的傳感器安裝位置(即最佳測點)。經(jīng)過多次測點選擇和測試信號分析，最終選取測點A、B、C和D為齒輪的齒面剝落故障振動加速度特征信號測量點，測點的布置位置如圖2所示。齒輪的齒面剝落故障振動加速度信號的采集儀為DEWETRON高精度振動加速度信號數(shù)據(jù)采集儀。

5 實驗工況

在進行正常齒輪和齒輪的齒面剝落故障模擬實驗時，實驗臺采用恒定扭矩的加載方式[8]。實驗臺的最高輸入轉(zhuǎn)速1 200 r/min，最大輸入轉(zhuǎn)矩為16 N·m，最大輸入功率2 kW，最高輸出轉(zhuǎn)速320 r/min，最大負載轉(zhuǎn)矩60 N·m，最大輸出功率2 kW。為了獲得齒輪剝落故障振動加速度信號特征與剝落故障尺寸之間的關(guān)系，實驗選取多種不同工況進行測試分析，選取的輸入轉(zhuǎn)速依次為：600、800、1 000以及1 200 r/min；選取的負載扭矩依次為0、20、40以及60 N·m。不同工況下，齒輪的齒面剝落故障振動加速度信號特征模擬實驗的工況如表2所示。

表2 齒輪的齒面剝落故障模擬實驗工況

輸入、輸出軸的轉(zhuǎn)頻計算公式分別為[9-10]：

式中：n為軸的輸入轉(zhuǎn)速；i為齒輪的傳動比。

嚙合頻率的計算公式為[9-10]

fn1=f01Z1=f02Z2

式中，Z1和Z2分別表示主動齒輪和從動齒輪的齒數(shù)。不同齒輪的齒面剝落故障模擬實驗工況下，軸和齒輪的特征頻率計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同工況下軸和齒輪的特征頻率計算結(jié)果

當(dāng)齒輪的齒面出現(xiàn)剝落故障時，齒輪的振動加速度信號的頻帶分布范圍較寬。在其頻譜中，測試獲得的振動加速度信號的特征頻率含有齒輪的固有頻率fg，齒輪支承軸的旋轉(zhuǎn)頻率f0和齒輪的嚙合頻率fn等頻率成分[7]。實際工程中，在對頻譜特征為寬帶分布頻率成分的齒輪振動加速度信號進行診斷和識別時，需要對測試獲得的齒輪的振動加速度信號的頻帶進行系統(tǒng)分級，并根據(jù)其頻率的工況范圍選擇合適的實驗測量參數(shù)。

為了獲得更好的齒輪的齒面剝落故障振動加速度信號特征，在實驗時采用位移傳感器和振動位移參數(shù)的方式測量齒輪的低頻段振動加速度信號特征；采用速度傳感器和振動速度參數(shù)的方式測量齒輪的中頻段振動加速度信號特征。為了對比齒面剝落故障引起的齒輪振動加速度信號特征與正常齒輪振動加速度信號特征的差異，選取測A點的振動加速度信號特征測量結(jié)果進行顯示，如圖5所示。由圖5可見，齒輪的齒面存在剝落故障時，齒輪箱的振動加速度響應(yīng)的幅值大于正常齒輪的振動加速度響應(yīng)的幅值，且齒輪的齒面剝落故障引起的振動加速度信號響應(yīng)中的沖擊特征較為明顯。

圖5 齒輪箱測點A的振動加速度響應(yīng)測試結(jié)果

6 結(jié) 語

研制了一套齒輪箱齒面剝落故障實驗臺。在實驗臺上，能夠開展齒輪不同程度的齒面剝落故障實驗，模擬齒輪在不同轉(zhuǎn)速、負載狀態(tài)下的振動加速度信號特征，獲得齒輪不同程度的剝落故障信號特征數(shù)據(jù)庫，可為齒輪早期剝落故障的診斷和識別奠定基礎(chǔ)。實驗臺還可用于齒輪其他早期故障信號的模擬實驗。

[1] Chaari F, Baccar W, Abbes M S,etal. Effect of spalling or tooth breakage on gear mesh stiffness and dynamic response of a one-stage spur gear transmission[J]. European Journal of Mechanics A/Solids, 2008, 27(1):691-705.

[2] 朱孝錄. 齒輪傳動設(shè)計手冊[M]. 濟南：化學(xué)工業(yè)出版社, 2004：80-90.

[3] 丁 康，李巍華，朱小勇. 齒輪及齒輪箱故障診斷實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005：43-56.

[4] 居 浩，邵毅敏. 汽車驅(qū)動橋臺架試驗的齒輪早期失效診斷與趨勢分析[J]. 電子測量與儀器學(xué)報，2009,23(12):79-86.

[5] MAN Rui, CHEN Yushu, CAO Qingjie. Research on dynamics and fault mechanism of spur gear pair with spalling defect[J]. Journal of Sound and Vibration, 2012, 331: 2097-2109.

[6] 肖慧芳. 界面接觸非線性振動機理與能量耗散特性[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2012.

[7] 屈梁生,何正嘉.機械故障診斷學(xué)[M]. 上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1986：75-86.

[8] 龍振宇. 機械設(shè)計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2002：100-110.

[9] 李潤方，王建軍. 齒輪系統(tǒng)動力學(xué)—振動、沖擊、噪聲[M]. 上海：科學(xué)出版社，1997：60-70.

[10] JIA S X, HOWARD I. Comparison of localised spalling and crack damage from dynamic modelling of spur gear vibrations[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2006, 20(1):332-349.

[11] WU Siyan, Ming J Zuo, Anand Parey. Simulation of spur gear dynamics and estimation of fault growth[J]. Journal of Sound and Vibration, 2008, 317(1):608-624.

[12] HANNES D, ALFREDSSON B. Numerical investigation of the spall opening angle of surface initiated rolling contact fatigue[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2014, 131(1): 538-556.

[13] JIANG Hanjun, SHAO Yimin, CHRIS K Mechefske. Dynamic characteristics of helical gears under sliding friction with spalling defect[J]. Engineering Failure Analysis, 2014,39(1):92-107.

[14] YANG D C H, SU Z S. A rotary model for spur gear dynamics[J]. ASME J Mech Trans Aut Des. 1985，107(1):529-35.

[15] WEI Jing, GAO Pan, HU Xinglong,etal. Effects of dynamic transmission errors and vibration stability in helical gears[J]. Journal of Mechanical Science and Technology. 2014,28(6):2253-2262.

A Development of a Test Rig for Simulating Gear Faults

WANGJian，JIANGHan-jun

(State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The feature signal of early gear spalls is often covered with the vibration signals of various machine and heavy noise environmental conditions. Therefore, it is difficult to extract the feature signal of the early gear spalls, this is the main factor restraining the development of the mechanical diagnosis method. To overcome this problem, a test rig is presented to simulate the vibration signal of gear with early spalls. The test rig can simulate the gear spalls at different stages. The vibration signals of gear with and without spalls for different speeds and loads can be presented. The rig can be used to establish the feature signal database for the gear spalls. It can provide some foundations for the detection and diagnosis of the gear spalls.

gear; faults; feature signal; test rig

2015-06-25

王 劍(1956-)，男，重慶人，工程師，現(xiàn)主要從事機械傳動與摩擦學(xué)實驗技術(shù)和實驗裝備研究。

Tel.：13650568147；E-mail：wangjian@cqu.edu.cn

S 781.35

A

1006-7167(2016)04-0067-04