Page 65 - 无损检测2023年第三期

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

高的 转 速 下, 负 载 影 响 被 转 速 影 响 所 掩 盖。 3.3 齿轮故障声发射信号处理与分析
NOVOA 等 [ 11 ] 发现低转速下的声发射活性不仅受 在齿轮箱的故障诊断研究中, 常常会用到各种
载荷的影响, 还受润滑剂粘度的影响, 在相同的载荷 方法对声发射信号进行处理与分析, 主要包括参数
和转速条件下, 当行星齿轮箱中含有较低粘度的润 分析、 波形分析、 模式识别以及其他分析方法。
滑剂时, 声发射活性增加, 因为低粘度的润滑剂生成 3.3.1 参数分析方法
的润滑膜较薄; 还发现在高速范围内增加转速比低 参数分析方法通过波形特征参数表征声发射信
速下增加转速对声发射的影响更大。 号, 再对其进行统计分析, 实现对故障的诊断。声发
综上所述, 转速、 润滑油粘稠度、 负载和温度等 射主要的特征参数定义示意如图2所示, 其主要包
运行条件会通过改变润滑油膜厚度和粗糙接触率影 括幅值、 能量、 有效电压值以及振铃计数等。参数分
响声发射的产生, 但是对具体如何影响的结论却不 析法简洁快速, 是近几十年来使用最广泛的经典分
一定一致, 这可能是因为试验条件的不一致, 齿轮类 析方法, 但是容易丢失细节信息。
型、 表面粗糙度等因素都会对采集到的声发射信号

产生影响。
3.2 齿轮故障声发射理论模型
齿轮的运行环境十分复杂, 导致声发射的产生
涉及到多种物理机制的共同作用, 而数学模型有助
于人们理解齿轮传动时声发射的产生机理, 不少专

家进行了相关的理论研究。
BARANOV 等 [ 12 ] 基于随机函数的偏差理论建

立了固体滑动摩擦作用下声发射特性的理论模型,
该模型以计算声发射脉冲幅度分布、 参数和计数率
的数学关系式描述了声发射显示在摩擦学试验中的
图2 声发射参数定义示意
主要行为。 FAN 等 [ 13 ] 建立了基于材料弹性粗糙接
石鹏飞 [ 17 ] 以撞击数描述齿轮接触疲劳状态, 通
触的声发射与滑动摩擦关系的理论模型, 利用该模
过接触疲劳试验机采集了疲劳裂纹扩展时的声发射
型可以从声发射测量中估算出粗糙表面所承受的接
信号并进行分析, 发现撞击数与齿轮疲劳裂纹的扩
触载荷, 从而评价机械的润滑状况。
展存在规律, 得到了在载荷幅度不变时齿轮接触疲
SHARMA 等 [ 14-15 ] 在前人的研究基础上, 基于
劳裂纹扩展阶段的扩展速率不变的结论。
凹凸体随机分布理论、 赫兹接触、 弹流理论、 转速以
及负载区载荷分布建立了边界润滑下的渐开线直齿 QU 等 [ 18 ] 使用了一种基于外差的技术来解调
声发射信号并将其转换到较低的频率范围, 即通过
圆柱齿轮声发射模型, 该模型以数学表达式的方式
基于外差技术的硬件设备采集声发射信号, 再进行
将声发射 RMS 值与齿轮表面粗糙度、 载荷等参数
时间同步平均( TSA ) 处理。通过声发射 TSA 信号
建立联系; 随后又在该模型基础上提出了正齿轮点
计算的 RMS值和峰度可以清楚地观察到故障齿轮
蚀时的声发射数学模型, 建立了缺陷尺寸与齿轮啮
信号和健康齿轮信号的明显区别。根据试验得出结
合时产生的声发射 RMS 值之间的关系, 且通过试
论, 峰度是故障齿轮的良好状态指标, 峰度值不受速
验验证了模型的可靠性。
SHARMA 等 [ 16 ] 以线弹性断裂力学为基础, 建 度的影响, 因此可以用于变速下的齿轮检测故障。
立了预测直齿圆柱齿轮裂纹扩展声发射的数学模 FERRANDO 等 [ 19 ] 将声发射技术应用于风电
型。该模型将直齿圆柱齿轮裂纹扩展产生的声发射 机组齿轮箱的健康诊断中, 研究了运行条件对风电
RMS值与裂纹扩展长度、 裂纹增量面积、 裂纹长度 机组齿轮箱声发射产生的影响。通过试验发现,
和应力强度联系起来, 用试验数据对数学模型进行 RMS值、 信息熵和峰值随着功率输出的增加而增
了验证。试验结果和建立的模型均表明裂纹长度的 加; RMS值和计数与负载的增加直接相关; 信息熵
对功率输出最敏感, 均方根也随扭矩的增加呈现出
改变会导致直齿圆柱齿轮声发射 RMS 值的变化,
且遵循相同的趋势。 类似的趋势。
有学者将声发射技术应用到游乐设备减速器的
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2023年 第45卷 第3期
无损检测