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1、学生姓名：学专毕业设计中英文翻译基于声发射螭旋齿轮的晶种故障检测 ?院：业机械设计制造及其自动化指导教师:基于声发射螺旋齿轮的晶种故障检测Babak Eftekharnejad,D.MbaSchool of Engineering, Cranfield University,SOE-BLD52.Bedford,MK43 OAUEngland.UK 摘要：声发射（AE）是变速箱等旋转机械健康监测和故障诊断的许多技术中的一种，尽管大量的研究已经证明声发射有适用于直齿轮变速箱的监测上的潜力。这份报告提由了一个实验调查，评估确定的直升机齿轮晶种卡尔缺陷声发射监测的成效；第一个已知的尝试。此外进行振动分
2、析，研究了啮合齿轮晶种缺陷对振动信号的影响。1?介绍声发射（AE）被定义为材料局部内源和/或表面因能量的迅速释放而导致结构载体和流体（液体，气体）发生弹性波的现象皿。声发射技术在研究和工业上的应用具有良好的记录。关于变速箱，一些研究者已经评估由声发射技术在其诊断和预后上的 U的：网。其他X用于直齿轮的弯曲疲劳强度声发射检测指由声发射技术在检测裂纹扩展上比振动和硬性测量检测更加灵墩。 于是，声发射被 认为是一种比振动分析更加敬感的表面规模缺陷的分析 技术。Toutountzakis等，使用了一个背到背试验台，研究声发射对直齿轮晶种缺陷的检测效果。得到的结论是声发射缺陷检测充满困难，并建议进一步实
3、验以实现对影响声发射操作参数的更进一步理解。Toutountzakis 等严】，Raja Hamzah 等13,和 Tan,Chee Keong等沁研究了诸如速度，转矩和具体的新一代薄膜厚度对直齿轮声发射检测的操作参数的影响。粗略表明声发射的来源于弹流（齿轮的代名词）润滑制度下。刚迄今为止，还没有尝试理解螺旋齿轮的声发射机制，也没有打算评估确定这种齿轮缺陷的声发射的能力；考虑到螺旋齿轮应用是变速箱的一个重要组成部分，这在全球范围内令人感到惊讶。我们都知道螺旋齿轮的啮合机制是啮合长度的逐渐增加到逐渐减少，而奥一特定直齿齿轮 的啮合过程中啮合长度是不变的。这份报告提由了 一种评估声发射检测技术对螺
4、旋齿轮缺陷有效识别的实验研究。止匕外，对缺陷的逐渐生长进行了探索。2?实验装置2.1测试台齿轮变速箱试验台采用了背到背式（见图1） , 1.1KW马达驱动螺 旋（214M15 ）钢制测试齿轮，见表1 ?变速箱齿轮用移动齿轮 636油润滑，见表2,运行速度690 rpnio 2. 2仪表一个宽带声发射传感器（物理声学有限公司，WD型）被安装在整个声发射测试试验中。声发射传感器用强力胶固定在小齿轮上（图2） o声发射传感器的 响应相对差值在1kHz 至U 100kHZo图1.变速箱实验台表1齿轮的测试规范小齿轮轮齿数5170模数33压力角2()20螺旋角17.517.5接触比1.71.7工作而宽度
5、21.5mm21.5mm方向左手右手硬度137HV30137HV3O表面粗糙度1327 Im1327 lm分度圆直径160.65220.50尺寸增编33齿根尺寸3.753.75表2油的规范标准润滑，卜生能移动齿轮63640的运动粘度664 (cst)100的运动粘度62.8 (cst)粘度指数ASTM165密度ASTM0.87图2.声发射传感器放垃位置图3.数据采集触发机构声发射传感器的电缆通过一条内有纵向胆管的窄带输入并连接到滑环。滑环（PH值12,互动数码媒体电子有限公司）放置在变数箱尾部测试。声发射在10mhz时的采集率被记录在一张32/16位的数据采集卡上。变速箱轴承座上安装了一个测试
6、范围在 10至8000Hz的加速度计量器。（见图 2）电荷放大器为一块 Persona1Daq3000外部数据采集板。所有振 动数据记录在一块lOkhz的采集板上。 一个J型热电偶也放在里面用来观察额定温度从60到850度的油浴试验温度。实验的中心旨在评估声发射技术在确定螺旋齿轮晶种缺陷的适用性，任一数据的采集都来源于每一转被定义的圆周点，这点是至关重要的。由于这个原因，采用了光触发机制。触发系统由一具有 2mm直径孔的金属盘和一个光学传感器组成。一旦声发射发生导致振动采集系统被触发并通过小孔传递到光学传感器。3.实验过程测试前保持变速箱在 380Nm运转3h以便变速箱动态测量并达到一个相对稳
7、定的温度；在60C情况下，关键是要捕捉齿缺陷声发射和振动数据，及采集时间，或者窗口中以每16齿建立即刻触发机制， 确保采集期限为0.0256S,对应的在690rpm时每16齿采集一次。（见 图5）开始测试时记录无缺陷声发射和振 动情况。变速箱在运行 5min且扭矩为250Nm时 停止，以调整适应新的动态条 件。同时，用同一采集窗口采集无缺陷时的声发射和振动数据。重复同样的过程至180Nm。无缺陷时的条件被称为缺陷0,见表3。为了执行晶种缺陷试验， 停止试验台运转并用牙钻在第七齿牙上造成笫一个缺陷。（见图4）变速箱一开始工作与缺陷齿相关的声发射和振动数据就会立刻得到。瞬时记录的意义在于能让作者探
8、索一些研究人员曾建议过的表面/材料对 声发射及振动的影响 11,16 c声发射和振动信号再次在特殊缺陷条件下被记录后变速箱应当持续工作直到温度达到60 C在250nm和180nm时分别重复相同 的过程，测试应当持续六次以上，如同表 3给由详细的 缺陷条件。最终，每四个数据做为为一组缺陷来介绍。首先应直接采集缺陷发生在380nm时的扭矩数据，在报告中作为 “D类。其他在380nm,250nm和180nm时即刻采集的数据标 记为 “A： ”B： “C 类。每一缺陷及负载条件下记录 20组声发射数据，类似的，采集 10khz振动数 据在0.0256s时间窗的抽样率。图4?齿的晶种缺陷表3晶种缺陷详情
9、缺陷类型尺寸（平方毫米）深度（亳米）除量（立方毫米）缺陷-0000缺陷-118.8801.888缺陷-228.710.25.742缺陷-341.220.520.61缺陷-417.5117.5缺陷-5150.812缺陷-6158.750.231.75缺陷？ 7163.50.232.7G-i?41,1_100.0050.010.0150.020.0250.03.Time (sec-).i图5?无缺陷条件下声发射的混合模式波形4?结果与讨论4.1基于声发射的监测结果如图5所示的一个典型 380nm无缺陷条件下的波形虽然也存在爆发瞬间振幅超过潜在连续波的连续声发射，但连续声发射的波形是显性的；突发声发
10、射的周期性频率代表采集窗口中啮合齿的数量。这是对直齿轮啮合中声发射显现由的连续及伸展特性类似的声发射波形的观察14 o Tan等14认为在直齿轮啮合中节线的滚动接触产生了高振幅的瞬发脉冲群，而滑动接触产生了大量的连续波形。关于螺旋齿轮，一分钟内齿轮副的特殊啮合方式山开始时接触线的长度增加而产生,而山接触线长度的减少而分离。因此，螺旋齿轮接触线的长度沿着节线 变化而直齿轮的接触长度保持不变。止匕外，螺旋齿轮啮合时接触长度的不断变化直接影响齿轮的负载情况，导致油膜厚度的瞬时变化。 因此，螺旋齿轮啮合时的 声发射波形来源于齿轮啮合时振幅的持续变化，见图5o图6展示了每种缺陷条件下典型声发射波形并且演
11、示了瞬态连续声脉冲与声发射等级的连续关系。声发射脉冲的瞬态表明了发生晶种缺陷的那个齿,见图6.这些实验没法表明直齿轮的类似测试，即晶种缺陷不能够在波形中得到显示。声发射全测试条件下的均方根值山20组不同缺陷和负载条件下获得数据的平均均方根值所组成，见图 7,及图A1和附录中的表A1 o随着全部负载测试条件下缺陷尺寸的逐渐增大声发射均方根的等级也会逐渐增加, 见图7o负载条件B(250nm)和C(180nm)的声发射负载等级随着齿数和缺损宽度的增加而增加，而测试条件A(380nm)和D(380nm)有类似趋势，均方根值轻微减少，由缺陷 -3到缺陷-5在缺陷“叫缺 陷-3后；声发射等级由缺陷-5增
12、加到缺陷-7。此观测 的确切原因在报告的最后。据指由， 负载条件的增加并不一定总意味着声发射等级的增加。这表明在负载条件 A” (380nm)下的缺陷4。这种下降的确切原因目前还不清楚。图6. A条件下的每个缺陷的波形有趣的是除了一个测试条件（缺陷一6,250nm）,其他声发射的初始缺陷条件（D） r.m.s等级要相对高于其他所有测试条件下。这并不令人惊讶，粗糙的接触是齿轮啮合时声发射产生的主要来源14,18,19,也证明其他圉绕在晶种缺陷腔周圉的材料突起带来的影响比齿轮表面粗糙度直接产生的晶种缺陷更加能触发声发射现象。经过数千次的公转（1,300.000）突起将会逐渐变平导致图7标示由 的声
13、发射等级的相对降低；这证实了Tan16和AI-Dossary21等人的假设。图8示意图展示了由于突起存在声发射产生的过程。为了表明随着缺陷尺寸增加声发射下降的原因，在A和D （缺陷-3和缺陷-5）条件下，每种缺陷在用石膏填充后被计算，以获得三维轮廓。绘制声发射r.m.s去除量图得到一个有趣的观察，见图 9。缺陷体积和声发射间的直接关系视作“A”和“D测试条件；在一些情况下宽度是相对宽度但是移除量相对较少（例如，缺陷-5比缺陷-3更宽但是移除量缺陷-3大于缺陷-5）,声发射r.m.s等级随着移除 量的增加而增加。注意在B和C条件下的观察 却不相似，尤其是缺陷-3时。这 有些特别在研究啮合过程中影
14、响声发射起源的解释。这表 明缺陷腔内流体的相互影响机制为声发射现象提供了根源。这种特殊的观察被进一步研究并为此进行了 进一步检测。一个被选定的齿用牙钻做由不同直径和深度的孔，见表 4和图 10O 声发射数据记录前每一晶种深度的钻机运行45分钟（3, ,00,000转）。这是为了 保证在整个测试中温度保持不变。结果，如图 11介绍，显示了声发射 r.m.s的增 加是容积腔 增加直接导致的，这个观点得到了强烈的支持，既是在一个孔（坑，层裂等）里的包含的润滑油也有助于衡量声发射水平。这个特殊的采样率的测试每组一数据文件山4mhz和65536个数据米集点构成，每一体积条件下有超过25个数据文件。据所知
15、这是第一次对这种现象的研究，并在适当的时候引领未来的 研究。图12展示了一段典型的与这些体积测试相关的波形并且表明孔并没有导致任何材料突起也没有导致声发射波的构成，图6展示了一种典型的缺陷的产 生Protrusions that result m bigb amplitude Ich图&突起对声发射的影响示意图n d0 30 20 %/ t JAOu1015202530 3AVolume of removed material图9?全条件下去除材料体积的声发射r.m.s值4 . 2基于基础振动的结果在不同条件下采集和同步平均每一缺陷的二十组数据在lOkhz时的采样率。每一数据集的采集与包括16
16、齿在内的时间窗口有关。图13说明了每种测试条件下的振动r.m.s值。在D条件下的振动r.m.s等级要相对高于前面其他条件下所讨论的。止匕外，缺陷周圉突起的塑性变形会导致刚度的改变以及振动结果的增长 20 o相对于声发射r.m.s的等级，不论缺陷条件如何振动r.m.s等级保持相对恒定，但应当指由的是声发射和振动并不在相同位置，见图13o表4 380nm时固左齿上逐渐增加的缺陷体积示意图Depth DefectfreeA * 1 2 3 4 5 6JJ中如3 mm?,77.xojxkAZ.mnaADefectnumb er图10.钻孔在齿表而2图12 ?体积缺陷的典型波 形图11 ?钻孔深度对应声
17、发射r.m.s等级6th Defects0902 0.004 0.006 0.0080 010.012 0 014 0 016 0一018,Time (卜|Y-380 N.M1.01181 02491 0147-W-250N.M f-180 N.M0.76290.6510.5561Defect Initiation0.49230.60270.55931.01181.22651.283934567a0.98481.0491.02341.02631.0496*0.48390.47430.57470.41150.5798,0.54280.5650.58150.57580.595411.30871.1
18、6911.17791.26081.3036-Defect No ,图13?每个缺陷在不同加载条件下的振动RN1S等级Side Band Energy160, 140 产120A100r【I -40 -20IIon01112 131 45 1617T-380N.M81.205587.210794.8485108.363114.296106722118.3117.843k250N.M74.667771.666565.625856.733661.202470.27756 13978.4266f - 180N.M39.824655.071448.47854.170760.208261.508460.4
19、04359.3424 - ?Defect initiation81.205584.583897.0683103.948106892113 859127.575135.2220心J*, d il - FA M .Defect Noq图14 ?齿轮周国边带啮合频率能量值表Al不同条件下每种缺陷的声发射r.m.s值及标准偏差值0 6OM -D cocKlitlofCondition (AJ*0 350.30.25.Defect N-o.BB 0 bmmuoB ConditiorK12Defect No0.65 片d40.55-5 . 1 .0.451?.4 ?；2 35 -c concnuo叶图14
20、表明山整合信号条件包括啮合频率和侧带及边带(350850hz)时的谐波的频谱来计算每种缺陷条件下的振动能量值。这表明沿着面宽度的缺陷增长在“D和“A条件下能量值也增长，但是在“EB “C条件下振动能量等 级保持恒定。止匕外，人们注意到扭矩等级的降低也使与每个缺陷有关的能量值降低。5 .结论以下结论基于实验期间的观察。1 .螺旋齿轮的晶种缺陷在声发射波形中是显而易见的。Toutountzakis等用类似的测试证明这并不适用于直齿轮。2 .材料的移除体积与声发射r.m.s之间有直接关系，这是首次观察而且在未来会继续研究。3 .旋转齿轮的声发射r.m.s等级测量表明在测量螺旋齿轮晶种缺陷上它比在轴承
21、座上放置振动传感器测试更加灵墩。然而，作者们建议进一步实验，将声发射设备和振动传感器同时放置在轴承座上以便成功综合比较振动和声发射方法。参考文献1 ISO 22096, 2007, Condition Monitoring and Diagnostics of Machines ? Acoustic Emission?2 Mba D、Rao RBKN. Development of acoustic emission technology for condition monitoring and diagnosis of rotating machines: bearings, pumps,
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