2013年--外文翻譯--基于聲發(fā)射螺旋齒輪的晶種故障檢測（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</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）是變速箱等旋轉機械健康監(jiān)測和故障診斷的許多技

3、術中的一種，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)測上的潛力。這份報告提出了一個實驗調查，評估確定的直升機齒輪晶種卡爾缺陷聲發(fā)射監(jiān)測的成效；第一個已知的嘗試。此外進行振動分析，研究了嚙合齒輪晶種缺陷對振動信號的影響。</p><p><b>　　1.介紹</b></p><p>　　聲發(fā)射（ＡＥ）被定義為材料局部內源和/或表面因能量的迅速釋放而導致結構載

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

5、了一個背到背試驗臺，研究聲發(fā)射對直齒輪晶種缺陷的檢測效果。得到的結論是聲發(fā)射缺陷檢測充滿困難，并建議進一步實驗以實現(xiàn)對影響聲發(fā)射操作參數(shù)的更進一步理解。Toutountzakis等[12]，Raja Hamzah等[13]，和Tan,Chee Keong 等[14,15]研究了諸如速度，轉矩和具體的新一代薄膜厚度對直齒輪聲發(fā)射檢測的操作參數(shù)的影響。粗略表明聲發(fā)射的來源于彈流（齒輪的代名詞）潤滑制度下。[14]</p>&l

6、t;p>　　迄今為止，還沒有嘗試理解螺旋齒輪的聲發(fā)射機制，也沒有打算評估確定這種齒輪缺陷的聲發(fā)射的能力；考慮到螺旋齒輪應用是變速箱的一個重要組成部分，這在全球范圍內令人感到驚訝。我們都知道螺旋齒輪的嚙合機制是嚙合長度的逐漸增加到逐漸減少，而某一特定直齒齒輪的嚙合過程中嚙合長度是不變的。這份報告提出了一種評估聲發(fā)射檢測技術對螺旋齒輪缺陷有效識別的實驗研究。此外，對缺陷的逐漸生長進行了探索。</p><p>&

7、lt;b>　　2.實驗裝置</b></p><p><b>　　2.1測試臺</b></p><p>　　齒輪變速箱試驗臺采用了背到背式（見圖1），1.1KW馬達驅動螺旋（214M15）鋼制測試齒輪，見表1.變速箱齒輪用移動齒輪636油潤滑，見表2，運行速度690 rpm。</p><p><b>　　2.2儀表&l

8、t;/b></p><p>　　一個寬帶聲發(fā)射傳感器（物理聲學有限公司，WD型）被安裝在整個聲發(fā)射測試試驗中。聲發(fā)射傳感器用強力膠固定在小齒輪上（圖 2）。聲發(fā)射傳感器的響應相對差值在1kHz到100kHz。</p><p><b>　　圖1.變速箱實驗臺</b></p><p>　　表1 齒輪的測試規(guī)范</p><

9、p>　　表2 油的規(guī)范標準</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)機構</p><p>　　聲發(fā)射傳感器的電纜通過一條內有縱向膽管的窄帶輸入并連接到滑環(huán)?；h(huán)（PH值12，互動數(shù)碼媒體電子有限公司）放置在變數(shù)箱尾部測試。聲發(fā)射在10mhz時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、裝了一個測試范圍在10至8000HZ的加速度計量器。（見圖2）電荷放大器為一塊</p><p>　　PersonalDaq3000外部數(shù)據(jù)采集板。所有振動數(shù)據(jù)記錄在一塊10khz的采集板上。一個J型熱電偶也放在里面用來觀察額定溫度從60到850度的油浴試驗溫度。</p><p>　　實驗的中心旨在評估聲發(fā)射技術在確定螺旋齒輪晶種缺陷的適用性，任一數(shù)據(jù)的采集都來源于每一轉被定義的圓周點，這點

11、是至關重要的。出于這個原因，采用了光觸發(fā)機制。觸發(fā)系統(tǒng)由一具有2mm直徑孔的金屬盤和一個光學傳感器組成。一旦聲發(fā)射發(fā)生導致振動采集系統(tǒng)被觸發(fā)并通過小孔傳遞到光學傳感器。</p><p><b>　　3.實驗過程</b></p><p>　　測試前保持變速箱在380Nm運轉3h以便變速箱動態(tài)測量并達到一個相對穩(wěn)定的溫度；在 60℃情況下，關鍵是要捕捉齒缺陷聲發(fā)射和振動數(shù)

12、據(jù)，及采集時間，或者窗口中以每16齒建立即刻觸發(fā)機制，確保采集期限為0.0256s，對應的在690rpm時每16齒采集一次。（見圖5）開始測試時記錄無缺陷聲發(fā)射和振動情況。變速箱在運行5min且扭矩為250Nm時停止，以調整適應新的動態(tài)條件。同時，用同一采集窗口采集無缺陷時的聲發(fā)射和振動數(shù)據(jù)。重復同樣的過程至180Nm。無缺陷時的條件被稱為缺陷0，見表3。</p><p>　　為了執(zhí)行晶種缺陷試驗，停止試驗臺運轉

13、并用牙鉆在第七齒牙上造成第一個缺陷。（見圖4）變速箱一開始工作與缺陷齒相關的聲發(fā)射和振動數(shù)據(jù)就會立刻得到。瞬時記錄的意義在于能讓作者探索一些研究人員曾建議過的表面/材料對聲發(fā)射及振動的影響[11,16]。聲發(fā)射和振動信號再次在特殊缺陷條件下被記錄后變速箱應當持續(xù)工作直到溫度達到60℃。在250nm和180nm時分別重復相同的過程，測試應當持續(xù)六次以上，如同表3給出詳細的缺陷條件。最終，每四個數(shù)據(jù)做為為一組缺陷來介紹。首先應直接采集缺陷發(fā)

14、生在380nm時的扭矩數(shù)據(jù)，在報告中作為“D”類。其他在380nm,250nm和180nm時即刻采集的數(shù)據(jù)標記為“A”、“B”、“C”類。</p><p>　　每一缺陷及負載條件下記錄20組聲發(fā)射數(shù)據(jù)，類似的，采集10khz振動數(shù)據(jù)在0.0256s時間窗的抽樣率。</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.無缺陷條件下聲發(fā)射的混合模式波形</p><p><b>　　4．結果與討論</b></p><p>　　4.1基于聲發(fā)射的監(jiān)測結果</p><p>　　如圖5所示的一個典型380nm無缺陷條件下的波形。雖然也存在爆發(fā)瞬間振幅超過潛在連續(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]認為在直齒輪嚙合中節(jié)線的滾動接觸產(chǎn)生了高振幅的瞬發(fā)脈沖群，而滑動接觸產(chǎn)生了大量的連續(xù)波形。</p><p>　　關于螺旋齒輪，一分鐘內齒輪副的特殊嚙合方式由開始時接觸線的長度增加而產(chǎn)生，而由接觸線長度的減少而分離。因此，螺旋齒輪接觸線的長度沿著節(jié)線變化而直齒輪的接觸長

17、度保持不變。此外，螺旋齒輪嚙合時接觸長度的不斷變化直接影響齒輪的負載情況，導致油膜厚度的瞬時變化。因此，螺旋齒輪嚙合時的聲發(fā)射波形來源于齒輪嚙合時振幅的持續(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)射等級的連續(xù)關系。聲發(fā)射脈沖的瞬態(tài)表明了發(fā)生晶種缺陷的那個齒，見圖6.這些實驗沒法表明直齒輪的類似測試，即晶種缺陷不能夠在波形中得到顯示。聲發(fā)射全測試條件下

18、的均方根值由20組不同缺陷和負載條件下獲得數(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。隨著全部負載測試條件下缺陷尺寸的逐漸增大聲發(fā)射均方根的等級也會逐漸增加，見圖7。負載條件B（250nm）和C(180nm)的聲發(fā)射負載等級隨著齒數(shù)和缺損寬度的增加而增加，而測試條件A(380nm)和D(380nm)有類似趨勢，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)射等級由缺陷-5增加到缺陷-7。此觀測的確切

19、原因在報告的最后。據(jù)指出，負載條件的增加并不一定總意味著聲發(fā)射等級的增加。這表明在負載條件“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”條件下的每個缺陷的波形</p><p>　　圖7.每個缺陷條件下的聲發(fā)射r.m.s值</p><p>　　有趣的是除了一個測試條件（缺陷—6,250nm），其他聲發(fā)射的初始缺陷條件

20、（D）r.m.s等級要相對高于其他所有測試條件下。這并不令人驚訝，粗糙的接觸是齒輪嚙合時聲發(fā)射產(chǎn)生的主要來源[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)過數(shù)千次的公轉（1,300,000）突起將會逐漸變平導致圖7標示出的聲發(fā)射等級的相對降低；這證實了Tan[16]和AI-Dossary[21]等人的假設。圖8示意圖展示了由于突起存在聲發(fā)射產(chǎn)生的過程。&

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去除量圖得到一個有趣的觀察，見圖9。缺陷體積和聲發(fā)射間的直接關系視作“A”和“D”測試條件；在一些情況下寬度是相對寬度但是移除量相對較少（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。這有些特別在研究嚙合過程中影響聲發(fā)射起源的解釋。這表明缺陷腔內流體的相互影響機制為聲發(fā)射現(xiàn)象提供了根源。這種特殊的觀察被進一步研究并為此進行了進一步檢測。一個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運行45分鐘（3，,00,000轉）。這是為了保證在整個測試中溫度保持不變。結果，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致的

23、，這個觀點得到了強烈的支持，既是在一個孔（坑，層裂等）里的包含的潤滑油也有助于衡量聲發(fā)射水平。這個特殊的采樣率的測試每組一數(shù)據(jù)文件由4mhz和65536個數(shù)據(jù)采集點</p><p>　　圖8.突起對聲發(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基于基礎振動的結果</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時的采樣率。每一數(shù)據(jù)集的采集與包括16齒在內的時間窗口有關。</p><p>　　圖13說明了每種測試條件下的振動r.m.s值。在D條件下的振動r.m.s等級要相對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導致剛度的改變以及振動結果的增長[20]。相對于聲發(fā)射r.m.s的等級，不論缺陷條件如何振動r.m.s等級保持相對恒定，但應當指

25、出的是聲發(fā)射和振動并不在相同位置，見圖13。</p><p>　　表4 380nm時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.鉆孔深度對應聲發(fā)射r.m.s等級</p><p>　　圖12.體積缺陷的典型波形</p><p>　　圖13.每個缺陷在不同加載條

26、件下的振動RMS等級</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值及標準偏差值</p><p>　　圖14表明由整合信號條件包括嚙合頻率和側帶及邊帶（350—850hz）時的諧波的頻譜來計算每種缺陷條件下的振動能量值。這表明沿著面寬度的缺陷增長在“D”和“A”條件下能量值也增長，但是在“

27、B”和“C”條件下振動能量等級保持恒定。此外，人們注意到扭矩等級的降低也使與每個缺陷有關的能量值降低。</p><p><b>　　5.結論</b></p><p>　　以下結論基于實驗期間的觀察。</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之間有直接關系，這是首次觀察而且在未來會繼續(xù)研究。</p><p>　　旋轉齒輪的聲發(fā)射r.m.s等級測量表明在測量螺旋齒輪晶種缺陷上它比在軸承座上放置振動傳感器測試更加靈敏。然而，作者們建議進一步實驗，將聲發(fā)射設備和振動傳感器同時放置在軸承座上以便成功綜合比較振動和聲發(fā)射方法。</p><p><b>　　參考文獻

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