初始齒面點(diǎn)缺陷斜齒輪磨損模式演變與狀態(tài)評估

王昊天，王文華，陳書童，袁偉，郭前建，席志剛

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255049；2.中國重型汽車集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 255071)

0 前言

齒輪的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)是某些機(jī)械設(shè)備正常工作的必要條件，由于齒輪大多在負(fù)載狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)且工作環(huán)境普遍較差，最終導(dǎo)致齒輪失效。齒輪失效后其運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)發(fā)出較大噪聲，此時(shí)齒輪間的相互摩損率增大溫度升高，伴隨劇烈沖擊載荷導(dǎo)致輪齒折斷[1]。設(shè)備嚴(yán)重故障危害巨大。如何提高齒輪質(zhì)量是齒輪制造業(yè)需要攻克的重要難題，通常情況下齒輪位于齒輪箱內(nèi)，不易拆卸觀測，所以需要一種便捷的方法來監(jiān)測齒輪的磨損情況，對齒輪在工作中所處的階段有一個(gè)清晰了解，以便能夠準(zhǔn)確把握齒輪磨損狀態(tài)。

目前，振動(dòng)分析技術(shù)和油液分析技術(shù)是檢測齒輪故障最主要的兩種磨損狀態(tài)識別方法。李蓉[2]以現(xiàn)代信號處理方法為研究手段,以復(fù)合故障診斷為研究目標(biāo),對變轉(zhuǎn)速齒輪箱復(fù)合故障振動(dòng)信號進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究；盧昱奇[3]通過虛擬樣機(jī)技術(shù)對行星齒輪箱常見故障進(jìn)行建模仿真,分析常見故障特征；李孟飛等[4]研究了在齒輪厚度存在偏差的情況下，在齒輪嚙合剛度和傳遞誤差激勵(lì)影響下齒輪振動(dòng)變化規(guī)律，為減輕齒輪振動(dòng)與噪聲做出了貢獻(xiàn)。孫秀全等[5]建立多自由度斜齒輪動(dòng)力學(xué)模型，通過數(shù)值模擬分析了斜齒輪發(fā)生漸進(jìn)性磨損的過程中其對齒輪振動(dòng)的具體影響。BACHAR等[6]分別對健康齒輪和故障齒輪進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M，并且考慮表面粗糙度等的影響，研究不同工況和齒輪自身故障對齒輪振動(dòng)的影響。ODI-OWEI等[7]首次將數(shù)字圖像處理引入鐵譜技術(shù)。殷勇輝[8]研制了電感和光纖組合測量傳感器。王佑君等[9]把數(shù)字圖像處理技術(shù)中圖像濾波、二值化、形態(tài)學(xué)運(yùn)算等方法應(yīng)用到齒輪減速器磨粒檢測中，提出了一種簡便、快速、高效的磨粒數(shù)量、大小及形狀的檢測分析方法。劉云濤等[10]利用巨磁電阻磁場傳感器，設(shè)計(jì)一種油液鐵磁性磨粒檢測裝置，該檢測裝置對同一油樣的檢測具有較好的重復(fù)性。呂植勇等[11]對磨粒的面積、周長、輪廓譜、畸形度、邊界的粗糙度、凹進(jìn)面積、方向、長寬度、空洞、顏色等參數(shù)作了全面的闡述。周新聰?shù)萚12]提出了基于磨粒圖像統(tǒng)計(jì)特征的粒度參數(shù)概念，利用小波分解對磨粒圖像進(jìn)行分解并對分解圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)磨粒圖像的特征提取。

本文作者采用振動(dòng)分析技術(shù)和油液分析技術(shù)對初始齒面點(diǎn)缺陷下的斜齒輪磨損特征與演變過程進(jìn)行研究。

1 齒面接觸性質(zhì)

由于齒輪工作環(huán)境復(fù)雜，且常在高溫、高壓、高負(fù)載的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致齒輪磨損失效形式多樣。目前設(shè)備中齒輪主要失效形式有以下幾種[13]：齒面點(diǎn)蝕(齒輪接觸疲勞磨損)、齒面磨損、齒面膠合、齒面塑性流動(dòng)、輪齒折斷。工作齒輪最終表面形貌攜帶大量齒輪損傷信息，由于齒輪表面磨損是較為緩慢的過程，其磨損程度、位置等特征信息都會(huì)呈現(xiàn)在輪齒表面[14]，齒面微觀形貌觀測很有必要。

圖1(a)為齒輪表面大塊材料脫落的情況，此時(shí)材料剝落成小碎屑混雜在油膜中，形成的大剝落坑會(huì)容納一些較大磨粒與雜質(zhì)，隨著齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)，剝落坑的擴(kuò)展情況很重要，文中設(shè)置的初始圓坑缺陷與其有相似之處。圖1(b)為齒輪磨損前后輪齒表面輪廓線的變化情況，在高轉(zhuǎn)速、重載荷的情況下齒輪表面磨損嚴(yán)重，對輪齒表面整體有磨削作用，長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后輪齒表面輪廓線發(fā)生改變，兩齒輪間隔增大，引起更大振動(dòng)磨損。

圖1 輪齒表面形貌改變

輪齒表面應(yīng)力沿軸向與齒廓方向分布均不相同。沿齒寬方向在靠近兩端邊緣區(qū)域有較大值，這是由于齒輪在嚙合接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的彈性變形緩和沖擊力，邊緣地區(qū)由于一側(cè)切斷此時(shí)彈性變形能力較弱，不同輪齒具有一定差異。沿齒輪輪廓方向則受到輪齒進(jìn)入嚙合、退出嚙合、單齒嚙合、雙齒嚙合等狀態(tài)的影響，由于這些沖擊力的存在其數(shù)值變化較大。同時(shí)齒輪表面沿齒廓方向也會(huì)產(chǎn)生大小不等的相對滑動(dòng)速度，綜合條件影響下分度圓和齒根附近磨損較為嚴(yán)重，這些狀況可通過齒面微觀表面形貌的變化反映出來。圖2與圖3分別為某齒輪模擬得到的滑動(dòng)速度與表面接觸應(yīng)力分布[15]。

圖2 輪齒表面相對滑動(dòng)速度

圖3 齒輪接觸應(yīng)力分布

2 齒輪缺陷設(shè)計(jì)

齒輪缺陷為齒輪自身影響因素，載荷則為外部環(huán)境因素，重載工況下齒輪磨損更加劇烈且實(shí)驗(yàn)效果也會(huì)更加明顯，方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對比，且重載荷加載常見于日常生活，具有一定的研究意義。文中主要目的是探究重載荷與齒輪初始缺陷對齒輪磨損進(jìn)程影響，需要多組對比實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。

為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加明確，需要選擇合適的缺陷類型。條形劃痕缺陷、表面剝落缺陷等不同缺陷形式會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。齒輪運(yùn)行一段時(shí)間，表面最常見為點(diǎn)蝕缺陷，點(diǎn)蝕即齒面接觸疲勞磨損，是齒輪箱常見的失效形式。近似模擬齒輪常見失效形式，最終采用圓坑缺陷點(diǎn)作為初始齒輪缺陷，采用直徑1 mm、深度0.5 mm的半球圓坑，選擇銑刀加工方法來模擬齒輪表面缺陷分布，如圖4、圖5所示。

圖4 圓坑缺陷分布示意

圖5 圓坑缺陷微銑削加工分布

3 齒輪實(shí)驗(yàn)

3.1 齒輪磨損實(shí)驗(yàn)臺(tái)

齒輪箱的優(yōu)良特性使其成為齒輪磨損最佳研究對象，實(shí)驗(yàn)基于自制搭建的可用于階梯扭矩加載的齒輪箱磨損實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹分為工作模塊、數(shù)據(jù)采集模塊兩部分，具體如圖6所示。循環(huán)蠕動(dòng)泵通過軟管、鋼管和磁力表座將二號齒輪箱頂端注油口與底部放油閥連接起來，從而實(shí)現(xiàn)齒輪箱油液循環(huán)，達(dá)到不停機(jī)取樣要求，通過加速度傳感器、示波器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號輸出與儲(chǔ)存。

圖6 實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作模塊(a)與數(shù)據(jù)采集模塊(b)

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

疲勞磨損實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠?yàn)辇X輪磨損實(shí)驗(yàn)提供負(fù)載、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行時(shí)間等，為達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果，進(jìn)行A、B、C 3組不同疲勞磨損實(shí)驗(yàn)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

A組實(shí)驗(yàn)為正常齒輪恒載疲勞磨損實(shí)驗(yàn)，主要目的是作為對照組探究正常齒輪磨損特征；B組實(shí)驗(yàn)為缺陷齒輪恒載疲勞磨損實(shí)驗(yàn)，主要目的是探究齒輪缺陷對后續(xù)齒輪磨損進(jìn)程的影響，以及磨損缺陷的遷移和發(fā)展規(guī)律；C組實(shí)驗(yàn)為缺陷齒輪變載疲勞磨損實(shí)驗(yàn)，保持載荷與B組實(shí)驗(yàn)形成對照實(shí)驗(yàn)組，同時(shí)確保第一次加載與第二次加載載荷數(shù)值相差較大，放大載荷對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，使結(jié)果更具代表性。保持疲勞磨損實(shí)驗(yàn)臺(tái)加載400 N的負(fù)載、轉(zhuǎn)速1 200 r/min，每隔1 h通過蠕動(dòng)泵不停機(jī)取樣一次，每次取50 mL油樣并加入50 mL新油。

4 結(jié)果與分析

4.1 基于磨損過程振動(dòng)研究

空載正常齒輪磨損實(shí)驗(yàn)試運(yùn)行期間振動(dòng)信號如圖7(a)所示。早期齒輪振動(dòng)時(shí)域波形呈現(xiàn)周期性的衰減，其低頻信號會(huì)近似于正弦波形嚙合而成，此時(shí)峰值維持在6 mV左右為較低水平，且有良好的穩(wěn)定性，此時(shí)出現(xiàn)10.054 8 mV最大振幅。

正常齒輪運(yùn)行160 h振動(dòng)信號如圖7(b)所示。圖中峰值維持在10 mV左右，出現(xiàn)最大振幅15.580 7 mV，圖中存在多組沖擊信號，但其振幅相對較小，表明齒輪還保持一定的穩(wěn)定性。變載缺陷齒輪前期45 h穩(wěn)定磨損階段波形如圖7(c)所示。此時(shí)齒輪加載載荷很小，振動(dòng)變化主要來自齒輪初始缺陷的影響。此時(shí)峰值維持在6 mV左右，雖然相比圖7(a)變化不大，但穩(wěn)定性較差、波動(dòng)明顯，表明此時(shí)缺陷齒輪相比正常齒輪更容易出現(xiàn)波動(dòng)，出現(xiàn)9.019 3 mV的最大振幅。

圖7 磨損實(shí)驗(yàn)振動(dòng)信號

變載缺陷齒輪二次加載完成之后80 h振動(dòng)信號如圖8(a)所示。此時(shí)齒輪加載載荷大幅度提升，從圖中可以觀察到低載荷時(shí)期的正弦波形已經(jīng)完全變形，信號變換不再平緩而是急劇抖動(dòng)，此時(shí)峰值維持在9 mV左右，相比圖7(c)幾乎增長一倍，出現(xiàn)15.580 7 mV最大振幅，表明齒輪負(fù)載對其振動(dòng)幅度影響較大。

圖8(b)為實(shí)驗(yàn)?zāi)p后期，齒輪表面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后拆卸齒輪發(fā)現(xiàn)表面存在許多剝落坑。此時(shí)齒輪振動(dòng)波形更加雜亂帶有沖擊信號，峰值維持在15 mV左右，相比圖7(a)增長2倍，比圖8(a)增長一半，最大振幅為21.957 mV，與圖8(a)相比完全失去正弦波的痕跡。對比圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)，缺陷齒輪磨損后期會(huì)出現(xiàn)明顯振動(dòng)沖擊信號，振幅明顯增加，斷齒后齒輪振幅增長較大且振動(dòng)非常不平穩(wěn)。

圖8(c)為變載缺陷齒輪發(fā)生斷齒以后振動(dòng)信號，此時(shí)為實(shí)驗(yàn)?zāi)p后期，齒輪表面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。從圖中可以觀察到明顯的沖擊信號，這是由于齒輪折斷和齒面嚴(yán)重磨損造成的異常振動(dòng)，沖擊信號振幅達(dá)到35 mV，此時(shí)峰值維持在30 mV左右，相比圖8(a)增長2倍，出現(xiàn)41.201 9 mV最大峰值。

圖8 變載缺陷實(shí)驗(yàn)振動(dòng)信號

結(jié)合時(shí)域波形圖分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)圓坑缺陷早期在低載荷條件下齒輪振幅增加不大，但會(huì)降低齒輪運(yùn)行的穩(wěn)定性；磨損實(shí)驗(yàn)后期缺陷齒輪振幅增加數(shù)倍且異常振動(dòng)明顯，伴隨較大能量的沖擊載荷，大幅度削減齒輪壽命造成斷齒；如果加載重載，會(huì)加速此進(jìn)程，齒輪負(fù)載對齒輪振動(dòng)幅值影響明顯。

4.2 基于鐵譜儀齒輪磨損過程研究

用移液管吸取2 mL預(yù)處理后的油液樣本放入玻璃試管中，加入6 mL的四氯乙烯充分混合，將玻璃譜片固定在單聯(lián)裝鐵譜儀上進(jìn)行譜片制作。為使對比結(jié)果更加明顯，譜片觀測區(qū)域選擇在滴油口附近，此處磨粒鏈條密集且沉積較多大型磨粒。

4.2.1 磨合階段鐵譜分析

圖9(a)、(b)兩張譜片中磨粒數(shù)量區(qū)別不大，譜片中磨粒所占比例極高，磨粒鏈條分布密集呈細(xì)條狀，圖(a)中出現(xiàn)少量高亮較大磨粒。對比圖(a)、(b)說明在磨合期，文中圓坑缺陷對其磨合期影響較小，但由于缺陷加工方式較為粗糙且未經(jīng)過后續(xù)處理，導(dǎo)致缺陷齒輪初期在高速重載工況下產(chǎn)生少量大磨粒。圖(c)為缺陷齒輪第一加載階段鐵譜，此時(shí)磨粒數(shù)量明顯最少，磨合時(shí)期，初始缺陷對齒輪磨損影響小于重載工況帶來的影響。

圖9 運(yùn)行5 h油樣鐵譜(×100倍)

4.2.2 磨損階段鐵譜分析

圖10(a)處于穩(wěn)定磨損階段后期，其磨損程度有所上升；圖10(b)處于階梯加載第二階段的新磨合期。圖10(a)中雖然磨?？倲?shù)少磨粒鏈條細(xì)、稀疏，但大磨粒占比相比圖11(a)明顯較多，說明此時(shí)齒輪開始發(fā)生異常磨損，缺陷齒輪磨損程度逐漸加劇。而此時(shí)變載實(shí)驗(yàn)載荷突變數(shù)倍，圖10(b)譜片中出現(xiàn)較多大磨粒，其數(shù)量與磨粒鏈條粗細(xì)程度均大于圖10(a)與圖9(c)，大磨粒所占比例甚至超過圖9(a)，但磨粒鏈條仍舊稀疏，說明載荷突變造成齒輪磨損急劇惡化、磨損率增大，其磨損程度較第一次磨合期更加嚴(yán)重，第二次磨合期產(chǎn)生大磨粒的速率高于恒載缺陷齒輪磨合期，但磨?？偭肯啾容^少。圖11(b)較圖11(a)明顯大磨粒數(shù)量增多，并出現(xiàn)邊緣不規(guī)則磨粒。對比結(jié)果可知：齒輪異常磨損導(dǎo)致大磨粒數(shù)量占比增大，齒輪運(yùn)行期間載荷突變對齒輪磨損影響較大，第一次磨合期間齒輪表面細(xì)小毛刺已經(jīng)磨平，二次加載后已經(jīng)光滑的齒輪表面產(chǎn)生異常磨損，產(chǎn)生更多大磨粒。缺陷齒輪磨損后期產(chǎn)生較多邊緣不規(guī)則大磨粒。

圖10 運(yùn)行70 h油樣鐵譜(×200倍)

圖11 運(yùn)行后期階段鐵譜(×200倍)

4.2.3 劇烈磨損階段鐵譜分析

齒輪劇烈磨損階段可觀察到許多異常大磨粒，如圖12所示：圖(a)中磨粒呈薄片狀表面光滑，由于齒輪裂紋不斷延伸導(dǎo)致齒輪表面材料疲勞脫落產(chǎn)生；圖(b)中磨粒呈長條狀，兩側(cè)有整齊切口且表面有明顯的劃痕，滑動(dòng)磨粒因?yàn)槠浔砻婊烨袑討?yīng)力超過極限，最終遭到破壞脫落；圖(c)中磨粒外形規(guī)整呈薄圓片狀且表面非常平滑，為齒輪摩擦副正常磨損脫落生成，表明此時(shí)潤滑較好；圖(d)為觀測到的大磨粒鏈條，出現(xiàn)在齒輪磨損后期劇烈磨損階段，其中混雜各種混合物，此時(shí)摩擦副在重載高速的工況條件下，振動(dòng)加劇，油膜破裂并產(chǎn)生大量黏著磨粒、疲勞磨粒。不同磨損階段會(huì)產(chǎn)生不同磨損磨粒，若在油液中發(fā)現(xiàn)大量異常磨粒，則說明此時(shí)齒輪磨損異常，可將此作為預(yù)防齒輪故障的手段。

圖12 磨損后期特殊磨粒照片

5 結(jié)論

以圓坑缺陷齒輪為研究對象，將正常齒輪磨損實(shí)驗(yàn)作為對照實(shí)驗(yàn)，通過分析齒輪箱振動(dòng)信號、油液分析結(jié)果并結(jié)合齒輪切片表面形貌分析結(jié)果，最終得到如下結(jié)論：

(1)圓坑缺陷使齒輪時(shí)變嚙合剛度發(fā)生改變，雖然早期低載荷條件下缺陷齒輪振幅增加不大、磨損程度影響不明顯，但會(huì)使齒輪振動(dòng)穩(wěn)定性變差。圓坑初始缺陷對其磨損過程影響為緩慢累積過程，磨損后期缺陷齒輪產(chǎn)生更大的異常振動(dòng)，齒輪受到較大的沖擊載荷，加速齒輪磨損進(jìn)程，導(dǎo)致齒輪最終失效。

(2)齒輪非工作面磨損不明顯，非工作面缺陷并不會(huì)加重非工作面磨損程度，但在振動(dòng)影響下加劇此輪齒工作面磨損。

(3)齒輪振動(dòng)幅值與磨損程度對重載敏感度較高，早期磨損階段載荷大小對齒輪振動(dòng)影響較大，對早期磨損具有較高影響力，低載荷磨合期齒輪磨損率與振動(dòng)較低，穩(wěn)定運(yùn)行過程中載荷突變會(huì)使齒輪進(jìn)入新的磨合期且產(chǎn)生較多大磨粒，同時(shí)振幅明顯增加，但二次磨合期持續(xù)時(shí)間短。