2013年--外文翻譯--基于聲發(fā)射螺旋齒輪的晶種故障檢測(cè)（譯文）

1、<p><b>　　中文4200字</b></p><p>　　出處：Eftekharnejad B, Mba D. Seeded fault detection on helical gears with acoustic emission[J]. Applied acoustics, 2013, 70(4): 547-555.</p><p>　　基于聲

2、發(fā)射螺旋齒輪的晶種故障檢測(cè)</p><p>　　Babak Eftekharnejad,D.Mba</p><p>　　School of Engineering, Cranfield University,SOE-BLD52,Bedford,MK43 0AL,England,UK</p><p>　　摘要：聲發(fā)射（ＡＥ）是變速箱等旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康監(jiān)測(cè)和故障診斷的許多技

3、術(shù)中的一種，盡管大量的研究已經(jīng)證明聲發(fā)射有適用于直齒輪變速箱的監(jiān)測(cè)上的潛力。這份報(bào)告提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)調(diào)查，評(píng)估確定的直升機(jī)齒輪晶種卡爾缺陷聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的成效；第一個(gè)已知的嘗試。此外進(jìn)行振動(dòng)分析，研究了嚙合齒輪晶種缺陷對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響。</p><p><b>　　1.介紹</b></p><p>　　聲發(fā)射（ＡＥ）被定義為材料局部?jī)?nèi)源和/或表面因能量的迅速釋放而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)載

4、體和流體（液體，氣體）發(fā)出彈性波的現(xiàn)象[1]。聲發(fā)射技術(shù)在研究和工業(yè)上的應(yīng)用具有良好的記錄[2]。關(guān)于變速箱，一些研究者已經(jīng)評(píng)估出聲發(fā)射技術(shù)在其診斷和預(yù)后上的目的[3-6]。其他[7-10]用于直齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度聲發(fā)射檢測(cè)指出聲發(fā)射技術(shù)在檢測(cè)裂紋擴(kuò)展上比振動(dòng)和硬性測(cè)量檢測(cè)更加靈敏。于是，聲發(fā)射被認(rèn)為是一種比振動(dòng)分析更加敏感的表面規(guī)模缺陷的分析技術(shù)。</p><p>　　Toutountzakis等[11]，使用

5、了一個(gè)背到背試驗(yàn)臺(tái)，研究聲發(fā)射對(duì)直齒輪晶種缺陷的檢測(cè)效果。得到的結(jié)論是聲發(fā)射缺陷檢測(cè)充滿困難，并建議進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)對(duì)影響聲發(fā)射操作參數(shù)的更進(jìn)一步理解。Toutountzakis等[12]，Raja Hamzah等[13]，和Tan,Chee Keong 等[14,15]研究了諸如速度，轉(zhuǎn)矩和具體的新一代薄膜厚度對(duì)直齒輪聲發(fā)射檢測(cè)的操作參數(shù)的影響。粗略表明聲發(fā)射的來(lái)源于彈流（齒輪的代名詞）潤(rùn)滑制度下。[14]</p>&l

6、t;p>　　迄今為止，還沒有嘗試?yán)斫饴菪X輪的聲發(fā)射機(jī)制，也沒有打算評(píng)估確定這種齒輪缺陷的聲發(fā)射的能力；考慮到螺旋齒輪應(yīng)用是變速箱的一個(gè)重要組成部分，這在全球范圍內(nèi)令人感到驚訝。我們都知道螺旋齒輪的嚙合機(jī)制是嚙合長(zhǎng)度的逐漸增加到逐漸減少，而某一特定直齒齒輪的嚙合過(guò)程中嚙合長(zhǎng)度是不變的。這份報(bào)告提出了一種評(píng)估聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)螺旋齒輪缺陷有效識(shí)別的實(shí)驗(yàn)研究。此外，對(duì)缺陷的逐漸生長(zhǎng)進(jìn)行了探索。</p><p>&

7、lt;b>　　2.實(shí)驗(yàn)裝置</b></p><p><b>　　2.1測(cè)試臺(tái)</b></p><p>　　齒輪變速箱試驗(yàn)臺(tái)采用了背到背式（見圖1），1.1KW馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺旋（214M15）鋼制測(cè)試齒輪，見表1.變速箱齒輪用移動(dòng)齒輪636油潤(rùn)滑，見表2，運(yùn)行速度690 rpm。</p><p><b>　　2.2儀表&l

8、t;/b></p><p>　　一個(gè)寬帶聲發(fā)射傳感器（物理聲學(xué)有限公司，WD型）被安裝在整個(gè)聲發(fā)射測(cè)試試驗(yàn)中。聲發(fā)射傳感器用強(qiáng)力膠固定在小齒輪上（圖 2）。聲發(fā)射傳感器的響應(yīng)相對(duì)差值在1kHz到100kHz。</p><p><b>　　圖1.變速箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)</b></p><p>　　表1 齒輪的測(cè)試規(guī)范</p><

9、p>　　表2 油的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　圖2. 聲發(fā)射傳感器放置位置</p><p>　　圖3. 數(shù)據(jù)采集觸發(fā)機(jī)構(gòu)</p><p>　　聲發(fā)射傳感器的電纜通過(guò)一條內(nèi)有縱向膽管的窄帶輸入并連接到滑環(huán)?；h(huán)（PH值12，互動(dòng)數(shù)碼媒體電子有限公司）放置在變數(shù)箱尾部測(cè)試。聲發(fā)射在10mhz時(shí)的采集率被記錄在一張32/16位的數(shù)據(jù)采集卡上。變速箱軸承座上安

10、裝了一個(gè)測(cè)試范圍在10至8000HZ的加速度計(jì)量器。（見圖2）電荷放大器為一塊</p><p>　　PersonalDaq3000外部數(shù)據(jù)采集板。所有振動(dòng)數(shù)據(jù)記錄在一塊10khz的采集板上。一個(gè)J型熱電偶也放在里面用來(lái)觀察額定溫度從60到850度的油浴試驗(yàn)溫度。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)的中心旨在評(píng)估聲發(fā)射技術(shù)在確定螺旋齒輪晶種缺陷的適用性，任一數(shù)據(jù)的采集都來(lái)源于每一轉(zhuǎn)被定義的圓周點(diǎn)，這點(diǎn)

11、是至關(guān)重要的。出于這個(gè)原因，采用了光觸發(fā)機(jī)制。觸發(fā)系統(tǒng)由一具有2mm直徑孔的金屬盤和一個(gè)光學(xué)傳感器組成。一旦聲發(fā)射發(fā)生導(dǎo)致振動(dòng)采集系統(tǒng)被觸發(fā)并通過(guò)小孔傳遞到光學(xué)傳感器。</p><p><b>　　3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程</b></p><p>　　測(cè)試前保持變速箱在380Nm運(yùn)轉(zhuǎn)3h以便變速箱動(dòng)態(tài)測(cè)量并達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度；在 60℃情況下，關(guān)鍵是要捕捉齒缺陷聲發(fā)射和振動(dòng)數(shù)

12、據(jù)，及采集時(shí)間，或者窗口中以每16齒建立即刻觸發(fā)機(jī)制，確保采集期限為0.0256s，對(duì)應(yīng)的在690rpm時(shí)每16齒采集一次。（見圖5）開始測(cè)試時(shí)記錄無(wú)缺陷聲發(fā)射和振動(dòng)情況。變速箱在運(yùn)行5min且扭矩為250Nm時(shí)停止，以調(diào)整適應(yīng)新的動(dòng)態(tài)條件。同時(shí)，用同一采集窗口采集無(wú)缺陷時(shí)的聲發(fā)射和振動(dòng)數(shù)據(jù)。重復(fù)同樣的過(guò)程至180Nm。無(wú)缺陷時(shí)的條件被稱為缺陷0，見表3。</p><p>　　為了執(zhí)行晶種缺陷試驗(yàn)，停止試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)

13、并用牙鉆在第七齒牙上造成第一個(gè)缺陷。（見圖4）變速箱一開始工作與缺陷齒相關(guān)的聲發(fā)射和振動(dòng)數(shù)據(jù)就會(huì)立刻得到。瞬時(shí)記錄的意義在于能讓作者探索一些研究人員曾建議過(guò)的表面/材料對(duì)聲發(fā)射及振動(dòng)的影響[11,16]。聲發(fā)射和振動(dòng)信號(hào)再次在特殊缺陷條件下被記錄后變速箱應(yīng)當(dāng)持續(xù)工作直到溫度達(dá)到60℃。在250nm和180nm時(shí)分別重復(fù)相同的過(guò)程，測(cè)試應(yīng)當(dāng)持續(xù)六次以上，如同表3給出詳細(xì)的缺陷條件。最終，每四個(gè)數(shù)據(jù)做為為一組缺陷來(lái)介紹。首先應(yīng)直接采集缺陷發(fā)

14、生在380nm時(shí)的扭矩?cái)?shù)據(jù)，在報(bào)告中作為“D”類。其他在380nm,250nm和180nm時(shí)即刻采集的數(shù)據(jù)標(biāo)記為“A”、“B”、“C”類。</p><p>　　每一缺陷及負(fù)載條件下記錄20組聲發(fā)射數(shù)據(jù)，類似的，采集10khz振動(dòng)數(shù)據(jù)在0.0256s時(shí)間窗的抽樣率。</p><p><b>　　圖4.齒的晶種缺陷</b></p><p>　　表3

15、 晶種缺陷詳情</p><p>　　圖5.無(wú)缺陷條件下聲發(fā)射的混合模式波形</p><p><b>　　4．結(jié)果與討論</b></p><p>　　4.1基于聲發(fā)射的監(jiān)測(cè)結(jié)果</p><p>　　如圖5所示的一個(gè)典型380nm無(wú)缺陷條件下的波形。雖然也存在爆發(fā)瞬間振幅超過(guò)潛在連續(xù)波的連續(xù)聲發(fā)射，但連續(xù)聲發(fā)射的波形是顯性

16、的；突發(fā)聲發(fā)射的周期性頻率代表采集窗口中嚙合齒的數(shù)量。這是對(duì)直齒輪嚙合中聲發(fā)射顯現(xiàn)出的連續(xù)及伸展特性類似的聲發(fā)射波形的觀察[14]。Tan等[14]認(rèn)為在直齒輪嚙合中節(jié)線的滾動(dòng)接觸產(chǎn)生了高振幅的瞬發(fā)脈沖群，而滑動(dòng)接觸產(chǎn)生了大量的連續(xù)波形。</p><p>　　關(guān)于螺旋齒輪，一分鐘內(nèi)齒輪副的特殊嚙合方式由開始時(shí)接觸線的長(zhǎng)度增加而產(chǎn)生，而由接觸線長(zhǎng)度的減少而分離。因此，螺旋齒輪接觸線的長(zhǎng)度沿著節(jié)線變化而直齒輪的接觸長(zhǎng)

17、度保持不變。此外，螺旋齒輪嚙合時(shí)接觸長(zhǎng)度的不斷變化直接影響齒輪的負(fù)載情況，導(dǎo)致油膜厚度的瞬時(shí)變化。因此，螺旋齒輪嚙合時(shí)的聲發(fā)射波形來(lái)源于齒輪嚙合時(shí)振幅的持續(xù)變化，見圖5。</p><p>　　圖6展示了每種缺陷條件下典型聲發(fā)射波形并且演示了瞬態(tài)連續(xù)聲脈沖與聲發(fā)射等級(jí)的連續(xù)關(guān)系。聲發(fā)射脈沖的瞬態(tài)表明了發(fā)生晶種缺陷的那個(gè)齒，見圖6.這些實(shí)驗(yàn)沒法表明直齒輪的類似測(cè)試，即晶種缺陷不能夠在波形中得到顯示。聲發(fā)射全測(cè)試條件下

18、的均方根值由20組不同缺陷和負(fù)載條件下獲得數(shù)據(jù)的平均均方根值所組成，見圖7，及圖A1和附錄中的表A1。隨著全部負(fù)載測(cè)試條件下缺陷尺寸的逐漸增大聲發(fā)射均方根的等級(jí)也會(huì)逐漸增加，見圖7。負(fù)載條件B（250nm）和C(180nm)的聲發(fā)射負(fù)載等級(jí)隨著齒數(shù)和缺損寬度的增加而增加，而測(cè)試條件A(380nm)和D(380nm)有類似趨勢(shì)，均方根值輕微減少，由缺陷-3到缺陷-5在缺陷“0”與缺陷-3后；聲發(fā)射等級(jí)由缺陷-5增加到缺陷-7。此觀測(cè)的確切

19、原因在報(bào)告的最后。據(jù)指出，負(fù)載條件的增加并不一定總意味著聲發(fā)射等級(jí)的增加。這表明在負(fù)載條件“A”（380nm）下的缺陷4。這種下降的確切原因目前還不清楚。</p><p>　　圖6.“A”條件下的每個(gè)缺陷的波形</p><p>　　圖7.每個(gè)缺陷條件下的聲發(fā)射r.m.s值</p><p>　　有趣的是除了一個(gè)測(cè)試條件（缺陷—6,250nm），其他聲發(fā)射的初始缺陷條件

20、（D）r.m.s等級(jí)要相對(duì)高于其他所有測(cè)試條件下。這并不令人驚訝，粗糙的接觸是齒輪嚙合時(shí)聲發(fā)射產(chǎn)生的主要來(lái)源[14,18,19]，也證明其他圍繞在晶種缺陷腔周圍的材料突起帶來(lái)的影響比齒輪表面粗糙度直接產(chǎn)生的晶種缺陷更加能觸發(fā)聲發(fā)射現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)數(shù)千次的公轉(zhuǎn)（1,300,000）突起將會(huì)逐漸變平導(dǎo)致圖7標(biāo)示出的聲發(fā)射等級(jí)的相對(duì)降低；這證實(shí)了Tan[16]和AI-Dossary[21]等人的假設(shè)。圖8示意圖展示了由于突起存在聲發(fā)射產(chǎn)生的過(guò)程。&

21、lt;/p><p>　　為了表明隨著缺陷尺寸增加聲發(fā)射下降的原因，在A和D（缺陷-3和缺陷-5）條件下，每種缺陷在用石膏填充后被計(jì)算，以獲得三維輪廓。繪制聲發(fā)射r.m.s去除量圖得到一個(gè)有趣的觀察，見圖9。缺陷體積和聲發(fā)射間的直接關(guān)系視作“A”和“D”測(cè)試條件；在一些情況下寬度是相對(duì)寬度但是移除量相對(duì)較少（例如，缺陷-5比缺陷-3更寬但是移除量缺陷-3大于缺陷-5），聲發(fā)射r.m.s等級(jí)隨著移除量的增加而增加。注意在

22、B和C條件下的觀察卻不相似，尤其是缺陷-3時(shí)。這有些特別在研究嚙合過(guò)程中影響聲發(fā)射起源的解釋。這表明缺陷腔內(nèi)流體的相互影響機(jī)制為聲發(fā)射現(xiàn)象提供了根源。這種特殊的觀察被進(jìn)一步研究并為此進(jìn)行了進(jìn)一步檢測(cè)。一個(gè)被選定的齒用牙鉆做出不同直徑和深度的孔，見表4和圖10。聲發(fā)射數(shù)據(jù)記錄前每一晶種深度的鉆機(jī)運(yùn)行45分鐘（3，,00,000轉(zhuǎn)）。這是為了保證在整個(gè)測(cè)試中溫度保持不變。結(jié)果，如圖11介紹，顯示了聲發(fā)射r.m.s的增加是容積腔增加直接導(dǎo)致的

23、，這個(gè)觀點(diǎn)得到了強(qiáng)烈的支持，既是在一個(gè)孔（坑，層裂等）里的包含的潤(rùn)滑油也有助于衡量聲發(fā)射水平。這個(gè)特殊的采樣率的測(cè)試每組一數(shù)據(jù)文件由4mhz和65536個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)</p><p>　　圖8.突起對(duì)聲發(fā)射的影響示意圖</p><p>　　圖9.全條件下去除材料體積的聲發(fā)射r.m.s值</p><p>　　4.2基于基礎(chǔ)振動(dòng)的結(jié)果</p><p&g

24、t;　　在不同條件下采集和同步平均每一缺陷的二十組數(shù)據(jù)在10khz時(shí)的采樣率。每一數(shù)據(jù)集的采集與包括16齒在內(nèi)的時(shí)間窗口有關(guān)。</p><p>　　圖13說(shuō)明了每種測(cè)試條件下的振動(dòng)r.m.s值。在D條件下的振動(dòng)r.m.s等級(jí)要相對(duì)高于前面其他條件下所討論的。此外，缺陷周圍突起的塑性變形會(huì)導(dǎo)致剛度的改變以及振動(dòng)結(jié)果的增長(zhǎng)[20]。相對(duì)于聲發(fā)射r.m.s的等級(jí)，不論缺陷條件如何振動(dòng)r.m.s等級(jí)保持相對(duì)恒定，但應(yīng)當(dāng)指

25、出的是聲發(fā)射和振動(dòng)并不在相同位置，見圖13。</p><p>　　表4 380nm時(shí)固定齒上逐漸增加的缺陷體積示意圖</p><p>　　圖10.鉆孔在齒表面</p><p>　　圖11.鉆孔深度對(duì)應(yīng)聲發(fā)射r.m.s等級(jí)</p><p>　　圖12.體積缺陷的典型波形</p><p>　　圖13.每個(gè)缺陷在不同加載條

26、件下的振動(dòng)RMS等級(jí)</p><p>　　圖14.齒輪周圍邊帶嚙合頻率能量值</p><p>　　表A1 不同條件下每種缺陷的聲發(fā)射r.m.s值及標(biāo)準(zhǔn)偏差值</p><p>　　圖14表明由整合信號(hào)條件包括嚙合頻率和側(cè)帶及邊帶（350—850hz）時(shí)的諧波的頻譜來(lái)計(jì)算每種缺陷條件下的振動(dòng)能量值。這表明沿著面寬度的缺陷增長(zhǎng)在“D”和“A”條件下能量值也增長(zhǎng)，但是在“

27、B”和“C”條件下振動(dòng)能量等級(jí)保持恒定。此外，人們注意到扭矩等級(jí)的降低也使與每個(gè)缺陷有關(guān)的能量值降低。</p><p><b>　　5.結(jié)論</b></p><p>　　以下結(jié)論基于實(shí)驗(yàn)期間的觀察。</p><p>　　螺旋齒輪的晶種缺陷在聲發(fā)射波形中是顯而易見的。Toutountzakis等用類似的測(cè)試證明這并不適用于直齒輪。</p&g

28、t;<p>　　材料的移除體積與聲發(fā)射r.m.s之間有直接關(guān)系，這是首次觀察而且在未來(lái)會(huì)繼續(xù)研究。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)齒輪的聲發(fā)射r.m.s等級(jí)測(cè)量表明在測(cè)量螺旋齒輪晶種缺陷上它比在軸承座上放置振動(dòng)傳感器測(cè)試更加靈敏。然而，作者們建議進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，將聲發(fā)射設(shè)備和振動(dòng)傳感器同時(shí)放置在軸承座上以便成功綜合比較振動(dòng)和聲發(fā)射方法。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)

29、</b></p><p>　　[1] ISO 22096, 2007, Condition Monitoring and Diagnostics of Machines. Acoustic Emission.</p><p>　　[2] Mba D, Rao RBKN. Development of acoustic emission technology for cond

30、ition monitoring and diagnosis of rotating machines: bearings, pumps, gearboxes, engines, and rotating structures. Shock Vib Digest 2006;38(1):3–16.</p><p>　　[3]Wheitner J, Houser D, Blazakis C. Gear tooth

31、 bending fatigue crack detection by acoustic emission and tooth compliance. ASME 1993:93FTM9.</p><p>　　[4] Singh A, Houser DR, Vijayakar S. Detecting gear tooth breakage using acoustic emission: a feasibilit

32、y and sensor placement study. J Mech Design Trans ASME 1999;121(4):587–93.</p><p>　　[5] Miyachika K, Oda S, Koide T. Emission of bending fatigue process of spur gear teeth. J Acous Emission 1995;13(1/2):S47–

33、53.</p><p>　　[6]Miyachika K, Zheng Y, Tsubokura K. Acoustic Emission of bending fatigue process of supercarburized spur gear teeth. Progress in Acoustic Emission XI. Anonymous The Japanese Society fo

34、r NDI; 2002. pp. 304–10.</p><p>　　[7]Siores E, Negro E. Condition monitoring of gear box using acoustic emission testing. Mater Evaluat 1997;55(2):183–7.</p><p>　　[8]Sentoku H.AE in tooth su

35、rface failure process of spur gears.J Acous Emission 1998;16(1–4):S19–24.</p><p>　　[9] Tandon N, Mata S. Detection of defects in gears by acoustic emission measurements. J Acous Emission 1999

36、;17(1–2):23–7.</p><p>　　[10]Amani Raad, Fan Zhang, Bob Randall. On the comparison of the use of AE and vibration analysis for early gear fault detection. The Eight Western Paci?c Acoustics Conference

37、, Anonymous; 2003.</p><p>　　[11]Toutountzakis T, Tan CK, Mba D. Application of acoustic emission to seeded gear fault detection. NDT E Int 2005;38(1):27–36.</p><p>　　[12]Toutountzakis T, Mba D

38、. Observations of acoustic emission activity during gear defect diagnosis. NDT E Int 2003;36(7):471–7.</p><p>　　[13]Raja Hamzah RI, Mba D. Acoustic emission and speci?c ?lm thickness for operating spur

39、gears. J Tribol 2007;129(4):860–7.</p><p>　　[14]Tan CK, Mba D. A Correlation between acoustic emission and asperity contact of spur gears under partial elastohydrodynamic lubrication. Int J COMADEM</p&g

40、t;<p>　　2006;9(1):9–14.</p><p>　　[15]Tan CK, Irving P, Mba D. A Comparative experimental study on the diagnostic and prognostic capabilities of acoustics emission, vibration and spectrometric oil ana

41、lysis for spur gears. Mech Syst Signal Process 2007;21(1):208–33.</p><p>　　[16]Tan CK, Mba D. Limitation of acoustic emission for identifying seeded defects in gearboxes. JNondestruct Evaluat 2005;24(1):11

42、–28.</p><p>　　[17]Coy J, Townsend D, Zaretsky. Dynamic capacity and surface fatigue life for spur and helical gears. ASME J Lubricat 1976;98(2):267–376.</p><p>　　[ 18] Boness RJ,McBride SL, So

43、bczyk M. Wear studies using acoustic emission techniques.tribol Int 1990;23(5):291.</p><p>　　techniques. Tribol Int 1990;23(5):291.</p><p>　　[19]Boness RJ, McBride SL. Adhesive and abrasive wear

44、 studies using acoustic emission techniques. Wear 1991;149(1–2):41–53.</p><p>　　[20]Yesilyurt I, Gu F, Ball AD. Gear tooth stiffness reduction measurement using modal analysis and its use in wear fault sever

45、ity assessment of spur gears. NDT E Int 2003;36(5):357–72.</p><p>　　[21]Saad Al-Dossary, Raja Hamzah RI, Mba D. Acoustic emission waveform changes for varying seeded defect sizes. In: Proceedings of t