Page 64 - 无损检测2023年第三期
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苟东荣, 等:
声发射检测技术在齿轮故障诊断中的研究与应用现状
障。将声发射检测技术应用于齿轮箱等设备的监测 信号, 许多学者进行了大量研究。
诊断, 对减少停工和降低维护成本极其有效。 TAN 等 [ 7 ] 探讨了部分弹流润滑下直齿圆柱齿
轮的声发射与载荷、 速度和粗糙度之间的关系。通
1 齿轮的故障类型
过试验观察到: 在等温条件下, 负载对声发射 RMS
常见齿轮箱中的齿轮包括直齿轮、 斜齿轮以及 ( 有效值电压) 值的影响极小, 而齿轮转速对声发射
行星齿轮。这些齿轮发生故障的原因包括制造时产 RMS值有显著影响, RMS 值随转速增大而增大。
生的误差、 装配不良、 润滑不当以及长时间处于恶劣 根据弹性流体力学理论, 速度的增加会导致润滑膜
工况中 [ 3 ] , 产生的故障主要有断齿( 占比约 41% )、 更厚( 从而减少粗糙接触), TAN 等将观察到的试验
点蚀( 占比约31% )、 磨损( 占比约10% )、 裂纹与划 现象归因于粗糙接触的较高应变率, 认为在低速范
痕( 占比约10% ) 等类型 [ 4 ] 。 围下提高转速时增加的声发射 RMS值大于在高速
2 齿轮故障的声发射检测原理 范围内提高转速时增加的 RMS 值, 甚至可能在某
个时候, 声发射水平会降低, 因为在更高速度下的润
材料表面和内部结构变化, 会快速释放应变能 滑膜效应对 RMS值的影响将大于较高应变率的粗
产生弹性波, 发生声响, 称为声发射 [ 2 ] 。齿轮声发射 糙接触对 RMS值的影响。
检测原理( 见图 1 ), 齿轮运转及故障产生的声发射 在 TAN 的其他研究 [ 5 ] 中, 对有故障齿轮的变
信号通过机械结构传播到齿轮箱表面被声发射传感 速箱进行了声发射测量试验, 以探究温度、 油膜厚度
器接收, 再经过一系列的信号处理技术, 最终得到齿 和声发射 RMS值之间的关系。试验观察到幅值最
轮的运行状态。 大的声发射脉冲并不总是由故障齿啮合产生。试验
认为温度会改变润滑剂粘度, 从而改变润滑膜厚度。
试验还观察到在润滑油温度达到平衡之前, 声发射
RMS值在几个小时内变化很大。分析发现存在两
个相反的效应, 即: 一方面随着温度的升高, 润滑膜
厚度减小, 从而出现更多的粗糙接触; 另一方面, 啮
合表面由于磨损而接触时, 其粗糙度会降低。试验
还发现当润滑剂温度不变时, 外加载荷对声发射
图1 齿轮声发射检测原理示意
RMS值的影响不大。
从微观来看, 齿轮是金属材料, 金属材料中声发 HAMZAH 等 [ 9 ] 在特定油膜厚度对直齿轮和斜
射的来源跟晶体有关, 晶体中的塑性变形、 断裂、 相 齿轮声发射的影响的研究中, 试验观察到 RMS 值
变和磁效应都会产生声发射。在无故障齿轮的传动 随着特定薄膜厚度的增大而减小, 其对此的解释是
过程中, 声发射往往由齿轮表面粗糙接触带来的弹 薄膜厚度增大会导致粗糙接触减少。在相同的试验
性变形引起。在故障状态下, 裂纹会因齿轮传动的 条件下, 正齿轮的比膜厚值高于斜齿轮的。两种齿
应力变化而产生声发射信号; 表面的点蚀、 磨损等会 轮的比膜厚值都随着转速的增大而增大, 但斜齿轮
改变齿轮表面粗糙度和接触时的受力状态, 从而产 比膜厚值的增大量小于直齿轮的。关于负载的影
生与无故障状态下不同的声发射信号。齿轮传动时 响, 对正齿轮和斜齿轮的试验表明, 随着负载的增
的粗糙接触是齿轮啮合产生的, 经过长期试验, 研究 加, 声发射 RMS 值持续增大。他们将这些结果归
人员将粗糙接触分为滑动接触和滚动接触, 连续型 因于弹性流体动力润滑条件下载荷对润滑油膜厚度
声发射信号一般由滑动接触产生, 而滚动接触是产 的影响, 较高的载荷会产生较薄的润滑膜, 从而产生
生突发型声发射信号的原因 [ 5-7 ] 。 更多的粗糙接触和声发射活动。
在对行星齿轮的相关研究中, VICUÑA 等 [ 10 ]
3 齿轮故障声发射检测研究现状
介绍了温度、 负载和转速对无故障行星齿轮声发射
3.1 齿轮运行参数对声发射信号的影响 的影响, 通过试验发现声发射 RMS 值随着温度升
齿轮的运行常常伴随着载荷、 转速、 环境温度以 高而变化很大; 转速对行星齿轮声发射的影响很大,
及润滑状态的变化, 对于这些因素如何影响声发射 在较低转速下, 载荷对声发射的影响可能很大; 在较
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2023年 第45卷 第3期
无损检测
