利用声发射检测调查油膜厚度对斜齿轮缺陷影响利用声发射检测调查油膜厚度对斜齿轮缺陷影响

1、利用声发射检测调查油膜厚度对斜齿轮缺陷影响Mhmod Hamel, Abdulmajid Addali, David Mba摘要: 本文讲述了调查监测齿轮采用声发射（ AE ）的在斜齿轮的润滑不同制度下的缺陷。该调查采用了背到背变速箱试验台油浴润滑。变异在油膜厚度通过减小齿轮实现金属温度用氮气，而齿轮均在运作。结果表明一个明确的声发射活动，工作温度和具体的薄膜厚度之间的关系。1引言齿轮在所有类型的机器几乎普遍地使用从而有效的齿轮故障检测是至关重要的，以防止不必要的和不可预见的系统停机和灾难性故障。另外，巨大的经济利益可以根据导致条件维修中齿轮故障检测中起着重要作用。特别是充足的润滑是很重要的，

2、以防止过早齿轮齿面的劣化。然而齿轮故障主要从疲劳载荷可以适当甚至发生润滑。有两种基本的齿轮齿的故障模式;非润滑相关的故障，例如在牙齿根部和润滑弯曲疲劳相关或表面接触疲劳失效在牙齿表面。润滑的目的是为了确保油膜分离齿轮齿在啮合区1。根据润滑剂膜厚度三个不同的润滑状态可分为：流体动压润滑（ HL ），弹润滑（ EHL）和边界润滑（ BL）。混合润滑指弹流润滑的中间政权和边界润滑。在齿轮之间接触的区域中开发的应力牙齿表面可以，循环次数后，引起接触性疲劳并导致裂纹萌生。这是典型的滚动和滑动的元件如齿轮齿，这在EHL制度操作2。润滑理论认为，由于施加的负荷增大润滑膜的厚度减小。如果膜是薄够将有表面凹凸之

3、间的直接接触两个移动的表面和润滑失效。因此，一个特定的油膜厚度或比值k = H / R ，用作判据足够的润滑。其中，h为油膜厚度，R是复合RMS 在接触的两个面的表面粗糙度的值3。其中k > 10的润滑通常被认为是全水动力学膜（HL） ，实心体不直接交互，磨损很少，仅限于与压力相关的疲劳机制通过该润滑剂传输。但应注意的是，作为 k的增加价值超过约14的摩擦也随之增加，参见图1 。然而，在实践齿轮在EHL制度工作其中2 <K < 10。的范围H -R的下端在两个移动的表面的凹凸之间的接触将可以预期造成磨损两个表面上。因此，根据当地的热和压力的影响，有可能是薄膜击穿以及在两个表面

4、上较大的凹凸之间的相互作用可能会导致严重的磨损，如划痕。对于k <2时， BL和干润滑政权发生 4 。k和之间的关系不同润滑状态以图形方式表示在图1 ，由在“斯特里贝克曲线”。斜齿轮和直齿轮体验纯滚动的节点但组合的滑动和滚动在球场上的点的两侧。然而，由于该系统的几何节距联系点斜齿轮啮合是渐进的，即在齿轮啮合的节点沿齿轮的宽度不会发生在相同的实例如正齿轮啮合的5。而大量的研究已经进行到健康与使用监控系统的发展变速箱和动力传动系统，用于条件AE兴趣监测的齿轮箱故障诊断相对新的显著成长。声发射技术已经吸引了注意，因为它在如此流行，并承诺优势广泛用于监控系统的振动分析。一些调查表明， AE是作为

5、早期的更有效的在旋转组件比传统方法的缺陷警告。 Tan等人。 6 曾评论说，状态监测系统基于振动诊断变速箱表明显著检测早期故障时的局限性。这是因为与初期的相关联的振动信号的低频故障。建议的声发射技术，它可以在这项研究中使用的是一个高频技术，并表现出潜在的用于检测故障在其发展的早期阶段。 MBA和Rao 7 提出 AE的条件的应用进行了全面审查监测旋转机器，得出的结论是，因为在有些情况下自动曝光性能比振动好得多监控它是可能的AE可被用于检测早期故障和机械完整性损失的发生。如果证明这将是AE监测一个很大的优势。声发射（AE ）定义为一种物理现象内和/或在材料的表面上发生，由此自发的弹性能量被释放的

6、瞬态弹性的形式电波覆盖很宽的频率范围内，典型地从20 kHz至1 MHz （人类听觉范围以外的） 8,9 。但是，声发射信号的特点是迅速衰减所以AE传感器必须被放置在声发射源的附近，以克服衰减的问题。对机器状态利用AE监控已经发展了近10年;然而变速箱故障由应用程序自动曝光的诊断是处于起步阶段。布拉斯和麦克布莱德10,11和阿卜杜拉和阿吉拉尔 12 报道称，粗糙接触为滑动和/或滚动接触在金属和齿轮产生的AE 。谭和MBA 13 认为 AE的直齿圆柱齿轮啮合过程中的来源。他们建议三个可能的来源：微凸体接触，二次压力峰值在润滑的齿轮和齿共振，与微凸体接触这三个最重要的来源。Singh等。 14，和

7、喷雾多级串联马塔15 ，父和黑人16， Toutountzakis等。 17 Eftekharnejad和MBA 18.19 和Loutas等。 25 研究用AE传感器天然和模拟齿轮缺陷放置在轴承或齿轮箱。所有的结论是， AE能提供早于相持不下故障检测振动监测。Sentoku 20 ，tan和MBA 21，Miyakchika等。 22和 Singh等。 23考虑齿轮的天然缺陷，并提出使用滑环的AE数据从一个旋转的齿轮传送到该传感器被安置。这种类型的安装可以确保直接转移的声发射信号路径。他们得出的结论是有为提高故障坑的大小和AE之间有明显的关系水平。哈姆扎和MBA 24 采用背到后端试验台，以

8、探索操作条件对曝光的影响。他们还利用滑环的AE数据从一个旋转的AE传感器放置在转移齿轮。实测之间建立明确的关系 AE有效值，齿轮转速和负荷为斜齿轮和直齿轮。图（1）斯特里贝克曲线和特定膜厚度（K）结果发现，所测得的AE有效值是更敏感对于直齿圆柱齿轮变化的具体膜厚那里结合滑动和滚动比对斜齿轮哪里有只有滚滚。 Hamzeh等。 26 将他们以前的工作和监控AE水平与变化油温，其中他们观察到，作为具体的膜厚度（K）的值增加 AE RMS的水平下降，反之亦然。以上所做的东西使用自动曝光技术的对齿轮齿缺陷的检测表明， AE有成为状态监测一个有用的诊断工具的潜力齿轮。在大多数情况下，报告中的齿轮缺陷的存在

9、通常是短暂的AE阵阵叠加到相关连续式自动曝光。本文提出了一种实验研究，探讨油膜厚度对生成的影响 AE从一个有缺陷的螺旋克为了实现这一目标，测试方案进行的测量的声发射能量一个有缺陷的螺旋齿轮的网眼而同时期间产生改变润滑油的厚度。后者在完成注入液氮到测试齿轮，而它在运作。这降低的温度的齿轮，其还减少了润滑油的温度的金属，从而增加了润滑油的粘度和特定的膜厚度。这项安排让笔者来改变电影厚度在原地啮合齿轮而获得AE数据。2实验装置和方法2.1 实验装置用于此研究的试验台由两个完全相同的连接在后端到回油浴润滑的齿轮箱结构，参照图2A 。该钻机可在六个不同的操作在范围60-370 Nm的扭矩载荷，在620

10、rpm的速度。螺旋齿轮具有2.5流明的表面光洁度，和润滑剂为美孚齿轮油636 ，齿轮尺寸和典型特性美孚齿轮油636都显示在表1和表2中的附录。AE传感器是一个宽带的WD模型操作，频率范围从100 kHz到1兆赫来自物理声学公司。从传感器固定在小齿轮被采集的数据如图3A所示。 AE传感器是采用齿轮小齿轮转动，和测量经由滑环取，见图3b 。图（2）返回到后端的齿轮箱;该试验台的（a）和装置（ B）的氮注射齿轮金属和润滑油的温度测量洗澡是用K-型热电偶，额定电流从60制成到+850 ，见图3A 。AE传感器和热电偶附到齿轮小齿轮用粘合剂及其电缆分别通过轴馈送到银接触的滑环，图3b。声发射信号通过滑环

11、损耗进行测量，在计小于5的最大振幅。来自传感器的信号，然后前置放大在40分贝从前置放大器输出的信号是直接连接到一个商用的数据采集卡，对PAC PCI- 2从物理声学公司。数据采集系统由该计算自动曝光的“ AE赢”制度有效值在原地。两个AE有效值和AE波形，每抓获 30秒在整个测试的持续时间。声发射波形是取样在5 MHz 。图3，a）热电偶和AE传感器放置在小齿轮及（b）连接到所述小齿轮轴出齿轮箱的滑环。2.2实验过程该齿轮是通过运行他们长期自然损坏期。最终，剥落，直径为2毫米和2毫米深入，指出了六个牙齿，见图4 。图4，齿轮有缺陷实验一开始就先去除存在于油变速箱。然后该齿轮的齿面和齿轮箱壳体为

12、用丙酮实现充分干燥运转条件下彻底清洗。这使齿轮在干燥的运行进行监控条件。由开始的测量过程齿轮箱干燥，有可能监视AE信号与两个齿轮润滑和弹流润滑和HL政权的条件下。齿轮在干燥情况下运行200秒，然后油注入，使 EHL和HL机制可以建立在可控制的方式。加入到齿轮箱油后，使得齿轮轮齿在油浴中持续浸泡，钻机已运行直到两个齿轮和润滑油达到稳定温度为43 ±1 C.此时氮液体直接喷洒到通过一5毫米直径的不锈钢管，该管是齿轮角度，从而使任何液体直接在啮合区撞击，参见图2B 。氮气供应停止时，齿轮金属温度达到0 。变速箱然后允许继续操作而齿轮温度恢复至约相同的水平之前，在注射开始时的那些氮气。声发射

13、均方根和齿轮金属温度记录各地。用道森和希金森 2,3,28 方程，并假设沿操作和俯仰误差的线负载的行为是非常小，膜的厚度是从测得的油和计算采用齿轮式温度（1）。油的粘度，计算使用公式测得的温度（2） 。MacCoull方程27 。获得特定的膜厚度（ K）用于石油和金属齿轮通过计算油膜厚度（h ），并将其通过复合分割表面粗糙度（ RRMS ）方程。（3） 29。为了确保重复性实验重复3次，在每个条件。其中h是微米， ，3结果与讨论图5看出，AE的原因是润滑的变化，弹流润滑和HL制度条件。区域'A' ， 'B' 图中“C”。图5描绘干燥， EHL和HL制度分别。在干

14、燥条件下的齿轮负荷是由牙齿表面粗糙进行从而增加摩擦，并可能导致破坏齿轮牙齿 17 。齿轮被润滑前干涸的200秒油中加入，见图5区域A，凡AE有效值超过0.5伏。图。在抓获的AE原波形如图6所示样品在测试过程中的时间间隔。波形的'A'图6有关联干区，A所示，等等。在干运行条件可以看出有瞬时脉冲的AE信号这被叠加到一个连续型发射。这些是由于有缺陷的齿轮表面粗糙的接触（虚线圈中波形A ）。图5区“B”。与齿轮时的周期相关联不断浸入油（变速箱在正常运行条件）。声发射均方根在区域层面'B'的平均值为0.17 V和特定膜厚度为大于单位， KP1 。区域图中“B” 。 5指示

15、的体系中EHL优势种的。波形乙图。 6 （与区域'B'图5中有关）显示瞬时AE阵阵这是明显小于下干燥注意条件（ A区） 。这显著减少是可预见的并归属于油膜在啮合区的存在，造成缺陷对应的微凸体之间的部分分离对齿轮齿（在虚线波形B圈）在接触面积。因此，在EHL制度AE振幅的产生是相对比在干燥条件下低。在引入氮气，在1100 s转换操作有在齿轮金属温度和快速下降大幅下降AE有效值。在AE水平下跌，粘度增加的直接结果，和油膜厚度在啮合区。声发射均方根达到最低，约0.13 V当特定区域厚度是在其最大，K = 14，氮供应量停止时齿轮温度达到0 ，请参阅区域C图5。变速箱持续经营及的温度润

16、滑剂和金属逐渐恢复到它们的初始值，以相应增加曝光水平的特定薄膜厚度以增加温度降低。图5，影响齿轮温度和特定薄膜厚度对AE有效值。图6，波形的联系在图4的'A'， ' B'和'C'区域波形C所示。 6被抓获的最低温度区域，在那里特定的膜厚为最大和对应的由AE波形显示的最低幅度。它会议指出，快速瞬变脉冲群是由很难区分连续排放。这证实了增加油膜厚度减少从有故障的齿轮产生的AE 。该区域下的增加薄膜厚度防止了从使与配合在缺陷区域的凹凸齿轮。这就解释缺乏与相关的暂时性AE一阵在所捕获的波形中的缺陷，见图6 。从AE原波形得到的统计参数;峰度（ KUR ）和

17、波峰因数（CF ）被用来比较的效果薄膜厚度测量的缺陷的存在的，见图7 ，这些参数被选择的基础上，他们是上常用的齿轮的状态监测。可以看出，峰度（ KUR ）和波峰的最高水平系数（CF ），其中在干燥条件下说明。峰度迅速从干下降到EHL制度。在峰度降低还指出了CF 。中膜厚度进一步增加，导致在峭度和CF值进一步降低。这些结果指出了所有实验，并重申这一发现，水平膜厚度的极大地影响AE中的相关联的代有缺陷的齿轮。图7，与AE波形相关统计参数。4.结论以确定在不同润滑齿轮缺陷的能力制度已探索。已经证明，根据润滑是完全分开的齿面条件凹凸，AE所致的缺陷的存在的代可能无法检测到了典型的背景噪声水平。在应用程

18、序自动曝光技术来识别变速箱缺陷这将是审慎的估计具体的膜厚度，以以确定应用该技术的潜在有效性。参考文献：1 ASM Handbook, Friction, Lubrication, and wear technology, 1995;18.2 Dowson D. Elastohydrodynamics and microelastohydrodynamic lubrication.Wear 1995;190:12538.3 Dowson D, Higginson G. Elastohydrodynamic lubrication. 1st ed. Oxford,UK: Pergamon Pres

19、s; 1977.4 Kutz M. Mechanical engineers handbook materials and mechanical design.3rd ed. New Jersey, USA: Wiley & Sons Inc.; 2006.5 Fernandes P, McDuling C. Surface contact fatigue failures in gear. Eng Fail Anal1997;4(2):99103.6 Tan C, Irving P, Mba D. A comparative experimental study on the dia

20、gnosticand prognostic capabilities of acoustics emission, vibration and spectrometricoil analysis for spur gears. Mech Sys Signal Process 2007;21(1):20833.7 Mba D, Rao R. Development of acoustic emission technology for conditionmonitoring and diagnosis of rotating machines: bearings, pumps, gearboxe

21、s,engines and rotating structures. Shock Vib Dig 2006;38(1):316.8 NDT handbook. In: Miller RK, McIntyre P, editors. Acoustic emission testing,vol. 5, 1987.9 Holroyd T, Randall N. The use of acoustic emission for machine conditionmonitoring. Br J Non-Destr Test 1992;35(2):75.10 Bones R. Wear studies

22、using acoustic emission techniques. Tribol Int1990;23:5.11 Bones R, McBride S. Adhesive and abrasive wear studies using acousticemission techniques. Wear 1991;149:4153.12 Ben Abdallah H, Aguilar D. Acoustic emission and its relationship with frictionand wear for sliding contact. Tribol Trans 2008;51

23、:73847.13 Tan C, Mba D. Identification of the acoustic emission source during acomparative study on diagnosis of a spur gearbox. Tribol Int 2005;38:46980.14 Singh A, Houser DR, Vijayakar S. Detection of Gear Pitting. Power TransmGearing Conf ASME DE 1996;88:6738.15 Tandom N, Mata S. Detection of def

24、ects in gears by acoustic emissionmeasurements. J Acoust Emission 1999;17(12):237.16 Siores E, Negro A. Condition monitoring of a gear box using acoustic emissiontesting. Mater Eval 1997:1837.17 Toutountzakis T, Tan C, Mba D. Application of acoustic emission to seeded gearfault detection. NDT E Int

25、2005;38:2736.18 Eftekharnejad B, Mba D. Acoustic emission signals associated with gears. ApplAcoust 2008;70:54755.19 Eftekharnejad B, Mba D. Seeded fault detection on helical gears with acousticemission. Appl Acoust 2009;70:54755.20 Sentoku H. AE in tooth surface failure process of spur gears. J Aco

26、ust Emission1998;16.21 Tan C, Mba D. Experimentally established correlation between acousticemission activity, load, speed and asperity contact of spur gears underpartial elastohydrodynamic lubrication. Proc I Mech E Part J: Eng Tribol2005;219.22 Miyachika K, Oda S, Koide T. Acoustic emission of ben

27、ding fatigue process ofspur gear teeth. J Acoust Emission 1995;13(12):S4753.23 Singh A, Houser DR, Vijayakar S. Early detection of gear pitting, powertransmission and gearing conference. ASME DE 1996;88:6738.24 Hamzah R, Mba D. The influence of operating condition on acoustic emissionduring meshing

28、of helical and spur gear. Tribol Int 2009;42:314.1 ASM Handbook, Friction, Lubrication, and wear technology, 1995;18.2 Dowson D. Elastohydrodynamics and microelastohydrodynamic lubrication.Wear 1995;190:12538.3 Dowson D, Higginson G. Elastohydrodynamic lubrication. 1st ed. Oxford,UK: Pergamon Press;

29、 1977.4 Kutz M. Mechanical engineers handbook materials and mechanical design.3rd ed. New Jersey, USA: Wiley & Sons Inc.; 2006.5 Fernandes P, McDuling C. Surface contact fatigue failures in gear. Eng Fail Anal1997;4(2):99103.6 Tan C, Irving P, Mba D. A comparative experimental study on the diagn

30、osticand prognostic capabilities of acoustics emission, vibration and spectrometricoil analysis for spur gears. Mech Sys Signal Process 2007;21(1):20833.7 Mba D, Rao R. Development of acoustic emission technology for conditionmonitoring and diagnosis of rotating machines: bearings, pumps, gearboxes,

31、engines and rotating structures. Shock Vib Dig 2006;38(1):316.8 NDT handbook. In: Miller RK, McIntyre P, editors. Acoustic emission testing,vol. 5, 1987.9 Holroyd T, Randall N. The use of acoustic emission for machine conditionmonitoring. Br J Non-Destr Test 1992;35(2):75.10 Bones R. Wear studies us

32、ing acoustic emission techniques. Tribol Int1990;23:5.11 Bones R, McBride S. Adhesive and abrasive wear studies using acousticemission techniques. Wear 1991;149:4153.12 Ben Abdallah H, Aguilar D. Acoustic emission and its relationship with frictionand wear for sliding contact. Tribol Trans 2008;51:7

33、3847.13 Tan C, Mba D. Identification of the acoustic emission source during acomparative study on diagnosis of a spur gearbox. Tribol Int 2005;38:46980.14 Singh A, Houser DR, Vijayakar S. Detection of Gear Pitting. Power TransmGearing Conf ASME DE 1996;88:6738.15 Tandom N, Mata S. Detection of defects in gears by acoustic emissionmeasurements. J Acoust Emission 1999;17(12):237.16 Siores E, Negro A. Condition monitoring of a gear