發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪裂紋故障與模態(tài)測(cè)試研究

王國(guó)鵬　趙宇

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)手動(dòng)齒輪的動(dòng)態(tài)特性對(duì)研究發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)有著十分重要的意義。結(jié)合齒輪端口分析采用多點(diǎn)激振單點(diǎn)拾振的試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)俄制和國(guó)產(chǎn)手動(dòng)齒輪進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，得出齒輪的前五階振動(dòng)模態(tài)數(shù)據(jù)，據(jù)此分析出造成國(guó)產(chǎn)手動(dòng)齒輪產(chǎn)生裂紋故障的重要因素，為齒輪振動(dòng)故障分析和后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：固有頻率；模態(tài)分析；模態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：V232 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）36-0189-02

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪是機(jī)器中傳遞功率和運(yùn)動(dòng)的重要部件，與皮帶、鏈及摩擦輪運(yùn)動(dòng)相比，其具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)平穩(wěn)、工作穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，然而由于齒輪一般無(wú)過(guò)載保護(hù)作用，對(duì)于傳遞大功率的金屬齒輪，則要求有很高的加工精度和良好的安全組合，否則傳動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的噪聲、振動(dòng)及沖擊，導(dǎo)致動(dòng)載損傷失效。

1 故障情況

本文通過(guò)研究發(fā)動(dòng)機(jī)手動(dòng)傳動(dòng)齒輪的裂紋特征和斷口分析，結(jié)合對(duì)裂紋起始、擴(kuò)展直至斷裂的過(guò)程分析，確定齒輪的斷裂類(lèi)型。通過(guò)齒輪固持狀態(tài)下的模態(tài)測(cè)試和特征識(shí)別，確定齒輪的斷裂原因。通過(guò)齒輪在磨齒階段的現(xiàn)場(chǎng)分析，提出防止齒輪斷裂的措施。

2 斷口分析

2.1 斷口檢查

切取A面一處有裂紋的試樣放大觀察，裂紋向齒槽底部延伸形貌見(jiàn)圖1。把裂紋打開(kāi)成斷口觀察，斷口顯示裂紋在輻板方向長(zhǎng)度約為2mm，在齒槽底部方向長(zhǎng)度約為5mm。

斷口呈灰黑色，斷口上放射線清晰，放射線起始于齒槽底部向輻板過(guò)渡的倒角處。裂紋斷口擴(kuò)展后期可見(jiàn)清晰的弧線形貌。裂紋斷口與人為打開(kāi)的瞬斷區(qū)斷口界線分明，有兩條弧線，人為打開(kāi)斷口區(qū)為韌窩形貌，裂紋斷口放大后可見(jiàn)擦傷痕跡。裂紋斷口擴(kuò)展區(qū)組織為脆性斷口形貌。

2.2 金相檢查

切取兩相鄰齒底均有裂紋試樣，垂直于齒槽方向磨制金相試樣觀察，裂紋長(zhǎng)度分別為1.255mm和1.013mm。

2.3 硬度檢查

對(duì)齒輪齒端面進(jìn)行硬度檢查，共在三個(gè)齒打三點(diǎn)硬度，結(jié)果分別為82.3HRA（62.2HRC）、82.5HRA（62.5HRC）、82.5HRA（62.5HRC），均符合工藝要求：HRA≥80.5的規(guī)定。齒輪輻板面硬度（心部硬度）分別為41.0HRC、41.5HRC、40.7HRC，均符合工藝要求：31.25～41.75HRC的規(guī)定。

2.4 斷口分析結(jié)論

（1）送檢齒輪化學(xué)成分、滲層深度、滲層碳化物級(jí)別、齒端面及輻板面滲層表面硬度值均符合工藝規(guī)定。（2）裂紋斷口面無(wú)異常元素，說(shuō)明產(chǎn)生裂紋后未接觸污染環(huán)境，結(jié)合齒輪生產(chǎn)工藝，裂紋應(yīng)產(chǎn)生于氧化磷化處理之后。（3）裂紋斷口與人為打開(kāi)斷口形貌對(duì)比，均有起始于齒槽底部倒角處的放射線，擴(kuò)展區(qū)也均有放射線。但兩個(gè)斷口放大后有差異，裂紋斷口組織放大后為脆性相形貌，而人為打開(kāi)的斷口其組織放大后既有脆性相形貌又有韌窩形貌；裂紋斷口擴(kuò)展區(qū)及后期有弧線，而人為斷口未見(jiàn)弧線。從裂紋宏觀分布看與2節(jié)徑振動(dòng)疲勞相似，斷口又可見(jiàn)弧線，齒輪裂紋可能是振動(dòng)引起的。

3 特性分析

3.1 模態(tài)分析的基本原理

模態(tài)分析的基本原理就是將被測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)特性的矩陣方程解耦，即將線性定常系數(shù)振動(dòng)微分方程中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)。從而使多自由度復(fù)雜系統(tǒng)可用單自由度系統(tǒng)來(lái)表示，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求得被測(cè)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。求得被測(cè)系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的關(guān)鍵是要獲取準(zhǔn)確的頻響函數(shù)，只有在此基礎(chǔ)上才能準(zhǔn)確的識(shí)別出系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)。

其系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程為：

（1）

兩邊進(jìn)行拉氏變換并整理得（設(shè)初始條件為零）：

（2）

（3）

令s=j？棕，得多自由度約束系統(tǒng)的頻響函數(shù)：

3.2 模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)

（1）測(cè)試系統(tǒng)組成及被測(cè)系統(tǒng)支承條件。模態(tài)分析試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由激振部分、數(shù)據(jù)采集部分和信號(hào)分析部分組成，本試驗(yàn)激勵(lì)部分主要指力錘，數(shù)據(jù)采集部分主要是指?jìng)鞲衅骷癥E6261B數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分析部分主要是指計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集及模態(tài)分析軟件。被測(cè)系統(tǒng)的支承條件根據(jù)被測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)條件而定，一般對(duì)于大型的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以實(shí)際聯(lián)接狀態(tài)為支承條件；一般體型較小的可在試驗(yàn)室進(jìn)行的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的支承條件盡量與實(shí)際情況相一致；同樣，本試驗(yàn)?zāi)M發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪的實(shí)際工況，采用兩段固持狀態(tài)裝夾在試驗(yàn)平臺(tái)上（如圖2）。（2）網(wǎng)格劃分。將試驗(yàn)件按照模態(tài)試驗(yàn)的要求進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定激勵(lì)輸入點(diǎn)和激勵(lì)響應(yīng)點(diǎn)的位置并作以標(biāo)記，并通過(guò)模態(tài)軟件建模。該零件為齒輪組合件，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但兩齒輪端面沒(méi)有干涉，考慮主要研究大齒輪振動(dòng)形態(tài)，對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化為單一環(huán)面，沿齒輪徑向分為3段、沿周向等分為8段，共32個(gè)節(jié)點(diǎn)。（3）傳感器布置及頻率分析范圍的選擇。測(cè)振傳感器的布置通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先大體上判斷一下節(jié)線的位置，使傳感器盡量避免安裝在節(jié)線上，因?yàn)樵诠?jié)線上測(cè)不出振動(dòng)信號(hào)，本試驗(yàn)采用單點(diǎn)激振多點(diǎn)拾振的方法，采用錘擊法激勵(lì)試驗(yàn)件試驗(yàn)時(shí)將固定于工裝上，使之處于約束狀態(tài)，拾振點(diǎn)固定在2號(hào)點(diǎn)節(jié)處，其余各節(jié)點(diǎn)為響應(yīng)點(diǎn)。利用壓電式加速度傳感器和力傳感器進(jìn)行激振和拾振信號(hào)的測(cè)量。根據(jù)該齒輪的工作特性，設(shè)定模態(tài)分析試驗(yàn)分析頻率為f=10kHz，分析頻率包含了發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速下的所有頻率范圍。（4）頻響函數(shù)模態(tài)試驗(yàn)方法及模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法。頻響函數(shù)模態(tài)試驗(yàn)方法和模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法有著相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系，模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法的選擇由頻響函數(shù)模態(tài)試驗(yàn)方法來(lái)決定，而頻響函數(shù)模態(tài)試驗(yàn)方法的選擇則由被測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)決定，一般對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體型較小的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用單點(diǎn)激勵(lì)、單點(diǎn)測(cè)量的方法，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體型較大的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)多采用多點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)測(cè)量的方法。模態(tài)分析試驗(yàn)中的頻響函數(shù)測(cè)試是試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的核心部分[4]，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的另一個(gè)核心部分是模態(tài)參數(shù)識(shí)別，一般分為單模態(tài)分析和多模態(tài)分析兩種。而多模態(tài)分析又分為單個(gè)頻響曲線擬合和多個(gè)頻響曲線擬合，單個(gè)頻響曲線擬合存在一定誤差，需要多次擬合取平均值[5]。多個(gè)頻響函數(shù)曲線擬合同時(shí)對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)進(jìn)行擬合（本試驗(yàn)為3個(gè)測(cè)點(diǎn)），一次得出全部模態(tài)參數(shù)，可靠性較好。單點(diǎn)激勵(lì)、單點(diǎn)測(cè)量的模態(tài)試驗(yàn)方法只能采用單個(gè)頻響曲線的擬合方法，只有多點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)測(cè)量才能采用多個(gè)頻響曲線的擬合方法，而對(duì)于那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件也必須采用多輸入、多輸出的頻響函數(shù)測(cè)試方式。本試驗(yàn)采用的一點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)測(cè)量的模態(tài)試驗(yàn)方法完全滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。有效模態(tài)識(shí)別要從多方面考慮，比如通過(guò)模態(tài)相位曲線圖，實(shí)頻圖與虛頻圖來(lái)判定被測(cè)系統(tǒng)固有頻率，利用相干系數(shù)曲線來(lái)判斷輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相關(guān)性。模態(tài)阻尼值范圍也是判定真假模態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，被測(cè)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致阻尼值不同，相似結(jié)構(gòu)體由于聯(lián)接方式（焊接、鉚焊、螺栓等）不同阻尼值也不盡相同，本次模態(tài)試驗(yàn)選擇阻尼值在0.1%～1%范圍內(nèi)的模態(tài)振型。另一方面，在模態(tài)參數(shù)識(shí)別過(guò)程中，模態(tài)振型是否存在均勻分布的駐點(diǎn)是判別模態(tài)真?zhèn)蔚闹匾笜?biāo)，一般真實(shí)模態(tài)具有規(guī)則的模態(tài)振型，規(guī)則模態(tài)振型存在均勻分布的駐點(diǎn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

本次試驗(yàn)完成了俄制和國(guó)產(chǎn)手動(dòng)齒輪的模態(tài)試驗(yàn)對(duì)比。

（1）國(guó)產(chǎn)手動(dòng)齒輪在一節(jié)圓和二節(jié)圓振型處的固有頻率

與俄制手動(dòng)齒輪基本一致，在節(jié)徑振型處的固有頻率比餓制手動(dòng)齒輪偏低。（2）從結(jié)構(gòu)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，造成國(guó)產(chǎn)和俄制齒輪固有頻率不一致的原因是齒輪幅板厚度差異。（3）從齒輪生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的排故結(jié)果發(fā)現(xiàn)，故障齒輪在實(shí)際加工過(guò)程中出現(xiàn)了沿齒向的波浪線加工痕跡，結(jié)合以上結(jié)論初步判斷齒輪故障裂紋是由于在加工過(guò)程磨刀激起手動(dòng)齒輪2節(jié)徑固有振動(dòng)而在齒根部產(chǎn)生微裂紋致使齒輪存在初始損傷。

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