李棟王晨

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

齒輪是傳動(dòng)裝置中典型的零部件。由于工作環(huán)境的原因，齒輪長期處于沖擊載荷的作用下運(yùn)轉(zhuǎn)，連續(xù)運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)如輪齒磨損、點(diǎn)蝕、斷齒等故障。而齒輪作為核心零件，一旦出現(xiàn)故障將使整個(gè)傳動(dòng)裝置失效，造成安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，因此需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除齒輪的故障。齒輪故障診斷研究一直是設(shè)備故障診斷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，常用的方法是獲取齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理并加以診斷，但該方法往往受到故障數(shù)據(jù)難以獲取的制約，缺少準(zhǔn)確可靠的評(píng)判依據(jù)。本研究依托虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立齒輪及故障齒輪的虛擬樣機(jī)模型，通過仿真手段捕捉齒輪嚙合過程中的脈沖信號(hào)，可以為實(shí)時(shí)監(jiān)控齒輪故障狀態(tài)提供評(píng)判依據(jù)，從而有效避免齒輪故障帶來的停機(jī)影響。

1 三維建模

隨著生產(chǎn)力水平的不斷提升，產(chǎn)品越來越向著高效、創(chuàng)新、保質(zhì)的方向發(fā)展。在此背景下，虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，主要用于產(chǎn)品的可靠性分析過程中。隨著CAD、CAE技術(shù)的進(jìn)步，研究人員越來越多地通過計(jì)算機(jī)三維軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并且通過仿真、實(shí)驗(yàn)等多種手段分析產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行不斷優(yōu)化和改進(jìn)，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

虛擬樣機(jī)技術(shù)需要借助CAD軟件完成設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。在本研究中，首先需要在建模軟件中建立齒輪的三維模型，這也為后續(xù)的仿真分析奠定重要的基礎(chǔ)。在本研究中，針對(duì)齒輪的建模在三維建模軟件SolidWorks中完成。該軟件功能強(qiáng)大，可以對(duì)齒輪進(jìn)行參數(shù)化建模，提高了建模效率。繪制完成的齒輪模型如圖1所示。

圖1 完整嚙合齒輪

2 齒輪的失效形式

齒輪在運(yùn)行過程中，由于加工誤差、裝配不當(dāng)以及工作環(huán)境等因素的影響，難免會(huì)出現(xiàn)失效的問題。常見的失效形式如下。

2.1 輪齒折斷

齒輪在嚙合傳動(dòng)的過程中，每個(gè)嚙合的齒可簡化為懸臂梁結(jié)構(gòu)，主要承受彎曲載荷。因此輪齒在受載荷作用時(shí)，其齒根部位所受的彎矩最大。同時(shí)如果存在應(yīng)力集中，齒根部位很可能會(huì)發(fā)生折斷，造成輪齒斷裂失效，如圖2所示。在齒輪傳動(dòng)中，一旦出現(xiàn)輪齒折斷就意味著傳動(dòng)失敗，因此輪齒折斷失效對(duì)齒輪傳動(dòng)的影響是巨大的。

圖2 斷齒齒輪

2.2 齒面點(diǎn)蝕和剝落

齒輪在嚙合傳動(dòng)過程中會(huì)受到脈動(dòng)載荷的作用，使輪齒表面產(chǎn)生相互作用力。這種作用力會(huì)使?jié)櫥瓦M(jìn)入齒輪表面的細(xì)小裂紋，從而促使裂紋擴(kuò)展，并且會(huì)使齒面金屬剝落，形成細(xì)小的凹坑，稱為點(diǎn)蝕。齒面金屬剝落如圖3所示。

圖3 齒輪剝落

2.3 齒面膠合

在高速重載的工作條件下，如果散熱不好，會(huì)使齒輪齒面瞬時(shí)溫度很高，從而兩齒產(chǎn)生粘焊。當(dāng)輪齒脫離嚙合時(shí)，粘焊在一起的輪齒又被強(qiáng)行分開，這會(huì)對(duì)輪齒產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨損，稱為膠合。

2.4 齒面磨損

齒輪在傳動(dòng)過程中，接觸的齒面之間會(huì)產(chǎn)生一定的相對(duì)滑動(dòng)，這種滑動(dòng)摩擦?xí)馆嘄X產(chǎn)生磨損。當(dāng)磨損嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使輪齒的齒廓形狀破壞，造成傳動(dòng)時(shí)的沖擊和不平穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因輪齒被磨薄而發(fā)生斷齒。

2.5 塑性變形

齒輪的塑性變形一般會(huì)發(fā)生在沒有經(jīng)過硬化處理的軟齒面齒輪。當(dāng)齒輪工作在頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合，或是瞬時(shí)嚴(yán)重過載的情況下，齒面局部會(huì)發(fā)生塑形變形，無法恢復(fù)，這就破壞了齒輪原來的齒形，造成傳動(dòng)的失效。

3 故障仿真分析（以齒輪剝落為例）

齒輪的振動(dòng)分析可以將齒輪的輪齒看作彈簧，整個(gè)齒輪就作為一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)。齒輪的振動(dòng)為自激振動(dòng)，振動(dòng)的來源由兩部分組成：一部分是常規(guī)振動(dòng)，其來源與齒輪本身的誤差和故障沒有關(guān)系；另一部分的振動(dòng)則與齒輪本身的嚙合剛度以及齒輪存在的故障有關(guān)。因此振動(dòng)信號(hào)中包含著重要的用于診斷的數(shù)據(jù)，因此可以采用仿真方法對(duì)其進(jìn)行模擬。

在仿真軟件中對(duì)故障齒輪進(jìn)行仿真分析，為了適應(yīng)齒輪結(jié)構(gòu)在線故障診斷的要求，需要對(duì)齒輪的動(dòng)載荷進(jìn)行分析，這里對(duì)齒輪嚙合過程中的反作用力以及角速度、角加速度進(jìn)行分析。正常齒輪和剝落故障的齒輪嚙合時(shí)的反作用力曲線圖分別如圖4和圖5所示。對(duì)比可以看出，發(fā)生剝落故障后，輪齒的反作用力曲線呈現(xiàn)較大的脈沖波動(dòng)，此時(shí)嚙合的兩齒受力不均勻，變化明顯。

圖4 正常嚙合齒輪反作用力曲線圖

圖5 剝落后齒輪反作用力曲線圖

同時(shí)，對(duì)齒輪的角速度和角加速度進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6和圖7所示。通過對(duì)比可以看出，正常齒輪的角速度和角加速信號(hào)都很平穩(wěn)，而剝落齒輪的角加速度信號(hào)脈沖幅度較大，變化明顯。因此可以通過監(jiān)測(cè)這些變化明顯的信號(hào)將齒輪故障識(shí)別出來。

圖6 正常嚙合齒輪角速度及角加速度曲線圖

圖7 剝落后齒輪角速度及角加速度曲線圖

4 結(jié)語

本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在三維建模軟件中建立了齒輪模型，并且通過人為添加故障對(duì)齒輪進(jìn)行故障模擬，并以剝落故障的齒輪為例進(jìn)行了仿真分析，得到齒輪動(dòng)態(tài)過程中的反作用力和角速度、角加速度信號(hào)，通過對(duì)比正常齒輪和故障齒輪的仿真信號(hào)得到用于齒輪診斷的評(píng)判依據(jù)。該方法可進(jìn)一步應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)齒輪零件的健康維護(hù)，保障傳動(dòng)裝置的安全可靠高效運(yùn)行。