發(fā)動機齒輪裂紋故障與模態(tài)測試研究

1、    發(fā)動機齒輪裂紋故障與模態(tài)測試研究    王國鵬趙宇摘 要：發(fā)動機手動齒輪的動態(tài)特性對研究發(fā)動機整機振動有著十分重要的意義。結合齒輪端口分析采用多點激振單點拾振的試驗模態(tài)測試方法，對發(fā)動機俄制和國產手動齒輪進行了對比試驗，得出齒輪的前五階振動模態(tài)數(shù)據(jù)，據(jù)此分析出造成國產手動齒輪產生裂紋故障的重要因素，為齒輪振動故障分析和后期的結構優(yōu)化提供依據(jù)。關鍵詞：固有頻率；模態(tài)分析；模態(tài)振動試驗：v232 文獻標志碼：a ：2095-2945（2017）36-0189-02引言發(fā)動機齒輪是機器中傳遞功率和運動的重要部件，與皮帶、鏈及摩擦輪運動相比，其具有傳動比

2、準確、傳動平穩(wěn)、工作穩(wěn)定性高等優(yōu)點，然而由于齒輪一般無過載保護作用，對于傳遞大功率的金屬齒輪，則要求有很高的加工精度和良好的安全組合，否則傳動時會出現(xiàn)較大的噪聲、振動及沖擊，導致動載損傷失效。1 故障情況本文通過研究發(fā)動機手動傳動齒輪的裂紋特征和斷口分析，結合對裂紋起始、擴展直至斷裂的過程分析，確定齒輪的斷裂類型。通過齒輪固持狀態(tài)下的模態(tài)測試和特征識別，確定齒輪的斷裂原因。通過齒輪在磨齒階段的現(xiàn)場分析，提出防止齒輪斷裂的措施。2 斷口分析2.1 斷口檢查切取a面一處有裂紋的試樣放大觀察，裂紋向齒槽底部延伸形貌見圖1。把裂紋打開成斷口觀察，斷口顯示裂紋在輻板方向長度約為2mm，在齒槽底部方向長度

3、約為5mm。斷口呈灰黑色，斷口上放射線清晰，放射線起始于齒槽底部向輻板過渡的倒角處。裂紋斷口擴展后期可見清晰的弧線形貌。裂紋斷口與人為打開的瞬斷區(qū)斷口界線分明，有兩條弧線，人為打開斷口區(qū)為韌窩形貌，裂紋斷口放大后可見擦傷痕跡。裂紋斷口擴展區(qū)組織為脆性斷口形貌。2.2 金相檢查切取兩相鄰齒底均有裂紋試樣，垂直于齒槽方向磨制金相試樣觀察，裂紋長度分別為1.255mm和1.013mm。2.3 硬度檢查對齒輪齒端面進行硬度檢查，共在三個齒打三點硬度，結果分別為82.3hra（62.2hrc）、82.5hra（62.5hrc）、82.5hra（62.5hrc），均符合工藝要求：hra80.5的規(guī)定。齒輪

4、輻板面硬度（心部硬度）分別為41.0hrc、41.5hrc、40.7hrc，均符合工藝要求：31.2541.75hrc的規(guī)定。2.4 斷口分析結論（1）送檢齒輪化學成分、滲層深度、滲層碳化物級別、齒端面及輻板面滲層表面硬度值均符合工藝規(guī)定。（2）裂紋斷口面無異常元素，說明產生裂紋后未接觸污染環(huán)境，結合齒輪生產工藝，裂紋應產生于氧化磷化處理之后。（3）裂紋斷口與人為打開斷口形貌對比，均有起始于齒槽底部倒角處的放射線，擴展區(qū)也均有放射線。但兩個斷口放大后有差異，裂紋斷口組織放大后為脆性相形貌，而人為打開的斷口其組織放大后既有脆性相形貌又有韌窩形貌；裂紋斷口擴展區(qū)及后期有弧線，而人為斷口未見弧線。從

5、裂紋宏觀分布看與2節(jié)徑振動疲勞相似，斷口又可見弧線，齒輪裂紋可能是振動引起的。3 特性分析3.1 模態(tài)分析的基本原理模態(tài)分析的基本原理就是將被測系統(tǒng)的振動特性的矩陣方程解耦，即將線性定常系數(shù)振動微分方程中的物理坐標變換為模態(tài)坐標。從而使多自由度復雜系統(tǒng)可用單自由度系統(tǒng)來表示，成為一組以模態(tài)坐標及模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程，以便求得被測系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。求得被測系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的關鍵是要獲取準確的頻響函數(shù)，只有在此基礎上才能準確的識別出系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)。其系統(tǒng)運動微分方程為：（1）兩邊進行拉氏變換并整理得（設初始條件為零）：（2）（3）令s=j？棕，得多自由度約束系統(tǒng)的頻響函數(shù)：3.2 模態(tài)測試試驗（1）測試

6、系統(tǒng)組成及被測系統(tǒng)支承條件。模態(tài)分析試驗測試系統(tǒng)由激振部分、數(shù)據(jù)采集部分和信號分析部分組成，本試驗激勵部分主要指力錘，數(shù)據(jù)采集部分主要是指傳感器及ye6261b數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分析部分主要是指計算機、數(shù)據(jù)采集及模態(tài)分析軟件。被測系統(tǒng)的支承條件根據(jù)被測系統(tǒng)的結構條件而定，一般對于大型的結構系統(tǒng)以實際聯(lián)接狀態(tài)為支承條件；一般體型較小的可在試驗室進行的結構系統(tǒng)的支承條件盡量與實際情況相一致；同樣，本試驗模擬發(fā)動機齒輪的實際工況，采用兩段固持狀態(tài)裝夾在試驗平臺上（如圖2）。（2）網格劃分。將試驗件按照模態(tài)試驗的要求進行網格劃分，確定激勵輸入點和激勵響應點的位置并作以標記，并通過模態(tài)軟件建模。該零件為齒輪

7、組合件，結構較復雜，但兩齒輪端面沒有干涉，考慮主要研究大齒輪振動形態(tài)，對模型結構進行簡化為單一環(huán)面，沿齒輪徑向分為3段、沿周向等分為8段，共32個節(jié)點。（3）傳感器布置及頻率分析范圍的選擇。測振傳感器的布置通常根據(jù)經驗先大體上判斷一下節(jié)線的位置，使傳感器盡量避免安裝在節(jié)線上，因為在節(jié)線上測不出振動信號，本試驗采用單點激振多點拾振的方法，采用錘擊法激勵試驗件試驗時將固定于工裝上，使之處于約束狀態(tài)，拾振點固定在2號點節(jié)處，其余各節(jié)點為響應點。利用壓電式加速度傳感器和力傳感器進行激振和拾振信號的測量。根據(jù)該齒輪的工作特性，設定模態(tài)分析試驗分析頻率為f=10khz，分析頻率包含了發(fā)動機最高轉速下的所有

8、頻率范圍。（4）頻響函數(shù)模態(tài)試驗方法及模態(tài)參數(shù)識別方法。頻響函數(shù)模態(tài)試驗方法和模態(tài)參數(shù)識別方法有著相互對應的關系，模態(tài)參數(shù)識別方法的選擇由頻響函數(shù)模態(tài)試驗方法來決定，而頻響函數(shù)模態(tài)試驗方法的選擇則由被測系統(tǒng)的結構特點來決定，一般對于結構簡單、體型較小的結構系統(tǒng)采用單點激勵、單點測量的方法，對于結構復雜、體型較大的結構系統(tǒng)多采用多點激勵、多點測量的方法。模態(tài)分析試驗中的頻響函數(shù)測試是試驗模態(tài)分析的核心部分4，試驗模態(tài)分析的另一個核心部分是模態(tài)參數(shù)識別，一般分為單模態(tài)分析和多模態(tài)分析兩種。而多模態(tài)分析又分為單個頻響曲線擬合和多個頻響曲線擬合，單個頻響曲線擬合存在一定誤差，需要多次擬合取平均值5。多

9、個頻響函數(shù)曲線擬合同時對多個測點的頻響函數(shù)進行擬合（本試驗為3個測點），一次得出全部模態(tài)參數(shù)，可靠性較好。單點激勵、單點測量的模態(tài)試驗方法只能采用單個頻響曲線的擬合方法，只有多點激勵、多點測量才能采用多個頻響曲線的擬合方法，而對于那些結構復雜的構件也必須采用多輸入、多輸出的頻響函數(shù)測試方式。本試驗采用的一點激勵單點測量的模態(tài)試驗方法完全滿足試驗需求。有效模態(tài)識別要從多方面考慮，比如通過模態(tài)相位曲線圖，實頻圖與虛頻圖來判定被測系統(tǒng)固有頻率，利用相干系數(shù)曲線來判斷輸入信號與輸出信號相關性。模態(tài)阻尼值范圍也是判定真假模態(tài)的一個重要指標，被測系統(tǒng)由于結構的不同導致阻尼值不同，相似結構體由于聯(lián)接方式（焊接、鉚焊、螺栓等）不同阻尼值也不盡相同，本次模態(tài)試驗選擇阻尼值在0.1%1%范圍內的模態(tài)振型。另一方面，在模態(tài)參數(shù)識別過程中，模態(tài)振型是否存在均勻分布的駐點是判別模態(tài)真?zhèn)蔚闹匾笜?，一般真實模態(tài)具有規(guī)則的模態(tài)振型，規(guī)則模態(tài)振型存在均勻分布的駐點。4 試驗結果與結論本次試驗完成了俄制和國產手動齒輪的模態(tài)試驗對比。（1）國產手動齒輪在一節(jié)圓和二節(jié)圓振型處的固有頻率與俄制手動齒輪基本一致，在節(jié)徑振型處的固有頻率比餓制手動齒輪偏低。（2）從結構測量發(fā)現(xiàn)，造成國產和俄制齒輪固有頻率不一致的原因是齒輪幅板厚度差異。（3）從齒輪生產現(xiàn)場的排故結果發(fā)現(xiàn)，故障齒輪在實際加工過程中出現(xiàn)了沿齒向的