1、利用聲發射檢測調查油膜厚度對斜齒輪缺陷影響Mhmod Hamel, Abdulmajid Addali, David Mba摘要: 本文講述了調查監測齒輪采用聲發射（ AE ）的在斜齒輪的潤滑不同制度下的缺陷。該調查采用了背到背變速箱試驗臺油浴潤滑。變異在油膜厚度通過減小齒輪實現金屬溫度用氮氣，而齒輪均在運作。結果表明一個明確的聲發射活動，工作溫度和具體的薄膜厚度之間的關系。1引言齒輪在所有類型的機器幾乎普遍地使用從而有效的齒輪故障檢測是至關重要的，以防止不必要的和不可預見的系統停機和災難性故障。另外，巨大的經濟利益可以根據導致條件維修中齒輪故障檢測中起著重要作用。特別是充足的潤滑是很重要的，

2、以防止過早齒輪齒面的劣化。然而齒輪故障主要從疲勞載荷可以適當甚至發生潤滑。有兩種基本的齒輪齒的故障模式;非潤滑相關的故障，例如在牙齒根部和潤滑彎曲疲勞相關或表面接觸疲勞失效在牙齒表面。潤滑的目的是為了確保油膜分離齒輪齒在嚙合區1。根據潤滑劑膜厚度三個不同的潤滑狀態可分為：流體動壓潤滑（ HL ），彈潤滑（ EHL）和邊界潤滑（ BL）。混合潤滑指彈流潤滑的中間政權和邊界潤滑。在齒輪之間接觸的區域中開發的應力牙齒表面可以，循環次數后，引起接觸性疲勞并導致裂紋萌生。這是典型的滾動和滑動的元件如齒輪齒，這在EHL制度操作2。潤滑理論認為，由于施加的負荷增大潤滑膜的厚度減小。如果膜是薄夠將有表面凹凸之

3、間的直接接觸兩個移動的表面和潤滑失效。因此，一個特定的油膜厚度或比值k = H / R ，用作判據足夠的潤滑。其中，h為油膜厚度，R是復合RMS 在接觸的兩個面的表面粗糙度的值3。其中k > 10的潤滑通常被認為是全水動力學膜（HL） ，實心體不直接交互，磨損很少，僅限于與壓力相關的疲勞機制通過該潤滑劑傳輸。但應注意的是，作為 k的增加價值超過約14的摩擦也隨之增加，參見圖1 。然而，在實踐齒輪在EHL制度工作其中2 <K < 10。的范圍H -R的下端在兩個移動的表面的凹凸之間的接觸將可以預期造成磨損兩個表面上。因此，根據當地的熱和壓力的影響，有可能是薄膜擊穿以及在兩個表面

4、上較大的凹凸之間的相互作用可能會導致嚴重的磨損，如劃痕。對于k <2時， BL和干潤滑政權發生 4 。k和之間的關系不同潤滑狀態以圖形方式表示在圖1 ，由在“斯特里貝克曲線”。斜齒輪和直齒輪體驗純滾動的節點但組合的滑動和滾動在球場上的點的兩側。然而，由于該系統的幾何節距聯系點斜齒輪嚙合是漸進的，即在齒輪嚙合的節點沿齒輪的寬度不會發生在相同的實例如正齒輪嚙合的5。而大量的研究已經進行到健康與使用監控系統的發展變速箱和動力傳動系統，用于條件AE興趣監測的齒輪箱故障診斷相對新的顯著成長。聲發射技術已經吸引了注意，因為它在如此流行，并承諾優勢廣泛用于監控系統的振動分析。一些調查表明， AE是作為

5、早期的更有效的在旋轉組件比傳統方法的缺陷警告。 Tan等人。 6 曾評論說，狀態監測系統基于振動診斷變速箱表明顯著檢測早期故障時的局限性。這是因為與初期的相關聯的振動信號的低頻故障。建議的聲發射技術，它可以在這項研究中使用的是一個高頻技術，并表現出潛在的用于檢測故障在其發展的早期階段。 MBA和Rao 7 提出 AE的條件的應用進行了全面審查監測旋轉機器，得出的結論是，因為在有些情況下自動曝光性能比振動好得多監控它是可能的AE可被用于檢測早期故障和機械完整性損失的發生。如果證明這將是AE監測一個很大的優勢。聲發射（AE ）定義為一種物理現象內和/或在材料的表面上發生，由此自發的彈性能量被釋放的

6、瞬態彈性的形式電波覆蓋很寬的頻率范圍內，典型地從20 kHz至1 MHz （人類聽覺范圍以外的） 8,9 。但是，聲發射信號的特點是迅速衰減所以AE傳感器必須被放置在聲發射源的附近，以克服衰減的問題。對機器狀態利用AE監控已經發展了近10年;然而變速箱故障由應用程序自動曝光的診斷是處于起步階段。布拉斯和麥克布萊德10,11和阿卜杜拉和阿吉拉爾 12 報道稱，粗糙接觸為滑動和/或滾動接觸在金屬和齒輪產生的AE 。譚和MBA 13 認為 AE的直齒圓柱齒輪嚙合過程中的來源。他們建議三個可能的來源：微凸體接觸，二次壓力峰值在潤滑的齒輪和齒共振，與微凸體接觸這三個最重要的來源。Singh等。 14，和

7、噴霧多級串聯馬塔15 ，父和黑人16， Toutountzakis等。 17 Eftekharnejad和MBA 18.19 和Loutas等。 25 研究用AE傳感器天然和模擬齒輪缺陷放置在軸承或齒輪箱。所有的結論是， AE能提供早于相持不下故障檢測振動監測。Sentoku 20 ，tan和MBA 21，Miyakchika等。 22和 Singh等。 23考慮齒輪的天然缺陷，并提出使用滑環的AE數據從一個旋轉的齒輪傳送到該傳感器被安置。這種類型的安裝可以確保直接轉移的聲發射信號路徑。他們得出的結論是有為提高故障坑的大小和AE之間有明顯的關系水平。哈姆扎和MBA 24 采用背到后端試驗臺，以

8、探索操作條件對曝光的影響。他們還利用滑環的AE數據從一個旋轉的AE傳感器放置在轉移齒輪。實測之間建立明確的關系 AE有效值，齒輪轉速和負荷為斜齒輪和直齒輪。圖（1）斯特里貝克曲線和特定膜厚度（K）結果發現，所測得的AE有效值是更敏感對于直齒圓柱齒輪變化的具體膜厚那里結合滑動和滾動比對斜齒輪哪里有只有滾滾。 Hamzeh等。 26 將他們以前的工作和監控AE水平與變化油溫，其中他們觀察到，作為具體的膜厚度（K）的值增加 AE RMS的水平下降，反之亦然。以上所做的東西使用自動曝光技術的對齒輪齒缺陷的檢測表明， AE有成為狀態監測一個有用的診斷工具的潛力齒輪。在大多數情況下，報告中的齒輪缺陷的存在

9、通常是短暫的AE陣陣疊加到相關連續式自動曝光。本文提出了一種實驗研究，探討油膜厚度對生成的影響 AE從一個有缺陷的螺旋克為了實現這一目標，測試方案進行的測量的聲發射能量一個有缺陷的螺旋齒輪的網眼而同時期間產生改變潤滑油的厚度。后者在完成注入液氮到測試齒輪，而它在運作。這降低的溫度的齒輪，其還減少了潤滑油的溫度的金屬，從而增加了潤滑油的粘度和特定的膜厚度。這項安排讓筆者來改變電影厚度在原地嚙合齒輪而獲得AE數據。2實驗裝置和方法2.1 實驗裝置用于此研究的試驗臺由兩個完全相同的連接在后端到回油浴潤滑的齒輪箱結構，參照圖2A 。該鉆機可在六個不同的操作在范圍60-370 Nm的扭矩載荷，在620

10、rpm的速度。螺旋齒輪具有2.5流明的表面光潔度，和潤滑劑為美孚齒輪油636 ，齒輪尺寸和典型特性美孚齒輪油636都顯示在表1和表2中的附錄。AE傳感器是一個寬帶的WD模型操作，頻率范圍從100 kHz到1兆赫來自物理聲學公司。從傳感器固定在小齒輪被采集的數據如圖3A所示。 AE傳感器是采用齒輪小齒輪轉動，和測量經由滑環取，見圖3b 。圖（2）返回到后端的齒輪箱;該試驗臺的（a）和裝置（ B）的氮注射齒輪金屬和潤滑油的溫度測量洗澡是用K-型熱電偶，額定電流從60制成到+850 ，見圖3A 。AE傳感器和熱電偶附到齒輪小齒輪用粘合劑及其電纜分別通過軸饋送到銀接觸的滑環，圖3b。聲發射信號通過滑環

11、損耗進行測量，在計小于5的最大振幅。來自傳感器的信號，然后前置放大在40分貝從前置放大器輸出的信號是直接連接到一個商用的數據采集卡，對PAC PCI- 2從物理聲學公司。數據采集系統由該計算自動曝光的“ AE贏”制度有效值在原地。兩個AE有效值和AE波形，每抓獲 30秒在整個測試的持續時間。聲發射波形是取樣在5 MHz 。圖3，a）熱電偶和AE傳感器放置在小齒輪及（b）連接到所述小齒輪軸出齒輪箱的滑環。2.2實驗過程該齒輪是通過運行他們長期自然損壞期。最終，剝落，直徑為2毫米和2毫米深入，指出了六個牙齒，見圖4 。圖4，齒輪有缺陷實驗一開始就先去除存在于油變速箱。然后該齒輪的齒面和齒輪箱殼體為

12、用丙酮實現充分干燥運轉條件下徹底清洗。這使齒輪在干燥的運行進行監控條件。由開始的測量過程齒輪箱干燥，有可能監視AE信號與兩個齒輪潤滑和彈流潤滑和HL政權的條件下。齒輪在干燥情況下運行200秒，然后油注入，使 EHL和HL機制可以建立在可控制的方式。加入到齒輪箱油后，使得齒輪輪齒在油浴中持續浸泡，鉆機已運行直到兩個齒輪和潤滑油達到穩定溫度為43 ±1 C.此時氮液體直接噴灑到通過一5毫米直徑的不銹鋼管，該管是齒輪角度，從而使任何液體直接在嚙合區撞擊，參見圖2B 。氮氣供應停止時，齒輪金屬溫度達到0 。變速箱然后允許繼續操作而齒輪溫度恢復至約相同的水平之前，在注射開始時的那些氮氣。聲發射

13、均方根和齒輪金屬溫度記錄各地。用道森和希金森 2,3,28 方程，并假設沿操作和俯仰誤差的線負載的行為是非常小，膜的厚度是從測得的油和計算采用齒輪式溫度（1）。油的粘度，計算使用公式測得的溫度（2） 。MacCoull方程27 。獲得特定的膜厚度（ K）用于石油和金屬齒輪通過計算油膜厚度（h ），并將其通過復合分割表面粗糙度（ RRMS ）方程。（3） 29。為了確保重復性實驗重復3次，在每個條件。其中h是微米， ，3結果與討論圖5看出，AE的原因是潤滑的變化，彈流潤滑和HL制度條件。區域'A' ， 'B' 圖中“C”。圖5描繪干燥， EHL和HL制度分別。在干

14、燥條件下的齒輪負荷是由牙齒表面粗糙進行從而增加摩擦，并可能導致破壞齒輪牙齒 17 。齒輪被潤滑前干涸的200秒油中加入，見圖5區域A，凡AE有效值超過0.5伏。圖。在抓獲的AE原波形如圖6所示樣品在測試過程中的時間間隔。波形的'A'圖6有關聯干區，A所示，等等。在干運行條件可以看出有瞬時脈沖的AE信號這被疊加到一個連續型發射。這些是由于有缺陷的齒輪表面粗糙的接觸（虛線圈中波形A ）。圖5區“B”。與齒輪時的周期相關聯不斷浸入油（變速箱在正常運行條件）。聲發射均方根在區域層面'B'的平均值為0.17 V和特定膜厚度為大于單位， KP1 。區域圖中“B” 。 5指示

15、的體系中EHL優勢種的。波形乙圖。 6 （與區域'B'圖5中有關）顯示瞬時AE陣陣這是明顯小于下干燥注意條件（ A區） 。這顯著減少是可預見的并歸屬于油膜在嚙合區的存在，造成缺陷對應的微凸體之間的部分分離對齒輪齒（在虛線波形B圈）在接觸面積。因此，在EHL制度AE振幅的產生是相對比在干燥條件下低。在引入氮氣，在1100 s轉換操作有在齒輪金屬溫度和快速下降大幅下降AE有效值。在AE水平下跌，粘度增加的直接結果，和油膜厚度在嚙合區。聲發射均方根達到最低，約0.13 V當特定區域厚度是在其最大，K = 14，氮供應量停止時齒輪溫度達到0 ，請參閱區域C圖5。變速箱持續經營及的溫度潤

16、滑劑和金屬逐漸恢復到它們的初始值，以相應增加曝光水平的特定薄膜厚度以增加溫度降低。圖5，影響齒輪溫度和特定薄膜厚度對AE有效值。圖6，波形的聯系在圖4的'A'， ' B'和'C'區域波形C所示。 6被抓獲的最低溫度區域，在那里特定的膜厚為最大和對應的由AE波形顯示的最低幅度。它會議指出，快速瞬變脈沖群是由很難區分連續排放。這證實了增加油膜厚度減少從有故障的齒輪產生的AE 。該區域下的增加薄膜厚度防止了從使與配合在缺陷區域的凹凸齒輪。這就解釋缺乏與相關的暫時性AE一陣在所捕獲的波形中的缺陷，見圖6 。從AE原波形得到的統計參數;峰度（ KUR ）和

17、波峰因數（CF ）被用來比較的效果薄膜厚度測量的缺陷的存在的，見圖7 ，這些參數被選擇的基礎上，他們是上常用的齒輪的狀態監測。可以看出，峰度（ KUR ）和波峰的最高水平系數（CF ），其中在干燥條件下說明。峰度迅速從干下降到EHL制度。在峰度降低還指出了CF 。中膜厚度進一步增加，導致在峭度和CF值進一步降低。這些結果指出了所有實驗，并重申這一發現，水平膜厚度的極大地影響AE中的相關聯的代有缺陷的齒輪。圖7，與AE波形相關統計參數。4.結論以確定在不同潤滑齒輪缺陷的能力制度已探索。已經證明，根據潤滑是完全分開的齒面條件凹凸，AE所致的缺陷的存在的代可能無法檢測到了典型的背景噪聲水平。在應用程

18、序自動曝光技術來識別變速箱缺陷這將是審慎的估計具體的膜厚度，以以確定應用該技術的潛在有效性。參考文獻：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