齿轮接触疲劳的声发射研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

接触疲劳是指摩擦材料受法向载荷和切向载荷重复作用而产生的疲 劳↑些年来 ，滚动轴承和铁路铁轨的接触疲劳失效的机制和特性得到了广泛的研究 ，很多学者提出了不少接触疲劳裂纹扩展 的模型公式。引入声发射技术 以来 ，滚动轴 承以及精加工的工件接触疲劳问题得到了更加精确的研究，声发射技术 日益成为研究接触疲劳现象的有利监测手段。

声发射技术作为-种有效的无损检测手段，还应用到了航空航天、桥梁、岩石等众多的工程领域 -6]。图 1是-个典型的突发型声发射示意图，从图中可以看到常用的声发射参数及其物理意义。

[收稿日期] 2012-12-21[作者简介] 石鹏飞(1988-)，男，硕士研究生，主要从事齿轮疲劳声发射检测研究。

· 34 ·图 1 常用声发 射参数石鹏飞：齿轮接触疲劳的声发射研究在接触疲劳的研究领域，Guo Y B和 SchwachD w 采用声发射技术对处于接触疲劳状态的白层组织进行了试验性研究 ]。几 十年 以来 ，为了研 究滚动轴承的接触疲劳特性，许多数学模型被提了出来，这些数学模型可以分为两大类：-是概率性工程模型；二是确定性研究模型。前者主要针对于试验性的研究，后者主要集中于理论性的研究。

然而，对齿轮的接触疲劳裂纹的扩展研究较少，对裂纹扩展各个阶段的规律的研究更不深入。对齿轮接触疲劳的研究较少，分析其主要原因，-是没有合适的齿轮接触疲劳试验机；二是扩展阶段的数据量大，不易分析。本文将就齿轮接触疲劳裂纹扩展阶段 的扩展特性进行研究 。首先对齿轮进行接触疲劳试验，继而采集接触疲劳的声发射信号，通过对累积撞击数变化趋势的分析来研究接触疲劳裂纹扩展阶段的扩展规律。

2 理论分析经过长时间对材料疲劳裂纹扩展的研 究，Paris和 Erdogan两位学者总结前人的研究成果，给出了- 个研究疲劳裂纹扩展规律 的半经验公式 ：d a- C (Ak)m (1)式中，a代表裂纹的长度， 代表循环周期数，C和m是和材料有关的常数，Ak是应力密度因子幅度 。

式 (1)是对材料在疲 劳裂纹扩展 阶段的裂纹增长速率的预测和总结，在第-阶段和快速断裂阶段不符合这样的规律。

自从声发射技术出现以来，Gong等人，建立了声发射参数撞击数(或称振铃计数)和应力密度因子幅度之间的关系。因此，疲劳裂纹的扩展公式有了新的变形 ：d/-/- B (Ak)q (2)式中，H 是声发射参数撞击数或振铃计数，B和q是和材料有关的参数。此后，Zhou等学者将疲劳裂纹扩展模型引入到了接触疲劳裂纹扩展的研究中，建立 了接触疲劳裂纹扩展模型，所建立 的理论模型不仅包含 了接触疲劳裂纹的萌生过程 ，也包括了接触疲劳裂纹的扩展过程，完整的接触疲劳裂纹扩展规律如下式所示：N- 志 ㈤上式中，第-项表示的是裂纹萌生项，在本研究中不做讨论 ；第二项表示裂纹的扩展项 ，是本文研究的重点内容。从形式上来看，将第-项去掉后，式(3)的第二项和式(1)、式 (2)表达式是完全类似 的。

因此 ，齿轮接触疲劳裂纹扩展 阶段 的速率 和 Ak的取值有关。如果 Ak是常数，那么，扩展速率就是-个常数。P.Zieh1等学者认为[g]：Ak-K A P (4)上式中，K是-个常数，和试样的形状、材料有关，△P是和加载有关的载荷幅度。因此，只要载荷幅度保持不变，应力密度因子幅度 zSk的大型保持不变∮触疲劳试 验中，加载 的参数都是由人工设定 的，只要设定加载过程 中载荷大小不发生变化 ，Ak就不会有太大的波动。以撞击数 H 来描述齿轮接触疲劳第二阶段的扩展规律，可以表示为：dH- C。 (5) ～这里，C0表示-个常数。式中，用了时间的微分 ，而没有用 dn，是由于在数据处理 的过程中，都是以撞击数随时间的变化来考察接触疲劳裂纹扩展的规律的。实际上，二者表示的都是时间单位。理论的分析认为，只要保持加载的载荷幅度不发生改变，在扩展阶段，疲劳裂纹的扩展速率是不发生变化的，扩展速率是常数。

3 接触疲劳试验整个疲劳试验系统包括接触疲劳试验机、-台实时控制的计算机、声发射采集设备。图 2所示为试验齿轮箱内部结构以及传感器的安装示意图，该齿轮箱是整个疲劳试验机的右半边 内部结构 。从 图中可以看到，AE传感器贴在齿轮箱纵向方向上，靠磁铁固定。润滑油从齿轮轴顶端输入，由-对齿轮啮合模拟真实的工作环境∮触疲劳还包括振动信号采集，扭矩信号采集，油液温度、转速等采集系统，实时地在控制界面中显示 出来 。

图2 齿轮接触疲劳试验系统AE传感器测试齿轮润滑油进口齿轮箱从动轴测试齿轮驱动轴· 35 ·工程与试验从显示出来的数据来看，两个齿轮箱的振动信号的大小略有不同。以实际情况分析，大小的差异是由功率的损耗引起的，对信号的处理分析没有大的影响∮触疲劳测试的时间较长，-般来讲，其停机时间都是依据理论时间来定。但有时为了加快研究进程，增加输入转速，使得疲劳加快，在较短的时间内可以得到明显的点蚀坑。

用美国物理声学公司设计的 AEwin PCI-2型声发射采集系统来实时记录、分析、显示声发射信号。前置 增益 设 定 为 60dB，采样 频 率 设 定 为2MHz。由于金属疲劳信号的裂纹扩展频率约处于110kHz550kHz之间，因此设定较大的采样频率。

阈值设定为 60dB，低于阈值的信号不采集，超过阈值的声发射信号采集来作为真实的疲劳信号。声发射参数诸如振铃计数、能量计数、样本均方根值等，由于数据量大，不容易进行计算，因此本研究采用撞击数来描述接触疲劳状态。

4 试验结果本次接触疲劳试验共持续了约有 8h，采集到了大量的声发射数据。实际的情况下，齿轮是不可能只工作8h就发生疲劳损坏的，常常要上百个小时，甚至更多。由于只需要研究裂纹扩展阶段的扩展规律 ，因此其它的因素没有考虑，仅仅是为了得到数据而加大了试验载荷，但仍然保持载荷幅度不发生变化。

以 5rain为-个采样点，将每 5min的撞击数用最小二乘法拟合起来。数据处理图以-小时为单位，只取了-部分数据点，即仅有 0-lh、2-3h、4-5h、6-7h等 4幅累积撞击数图(如图 3所示)。由于数据量大，虽然采用了简化的处理方式，但并不影响最终的试验验证结果。

从图 3(a)中可以看出，虽然是拟合的数据点，但大部分曲线的走势类似于-条直线。对具体的数据进行分析后发现，除第-个 5rain外，其余每 5min撞击数的增长数 目依次是 2970，2971，2970，2970，2970，2971，2970，2966，2970，2970。曲线的斜率约为 593.96(counts/min)，这-斜率接近于前面-组数据的1/5。而在最初的 lmin内，并不满足这-趋势，这是因为，接触疲劳裂纹扩展包含 3个阶段，最初不稳定的撞击数变化情况是由于起初的疲劳裂纹的萌生，萌生过程复杂而且迅速。lmin过后，萌生阶段结束，正式进入了扩展阶段。2-5min内的撞击数变化显示，这时的曲线斜率基本接近 593.96了。这种情况的出现，更加支持了本研究，对试验的· 36 ·结果没有影响，反而证明了试验前的某些猜想。

2-3h的累积撞击数变化情况如图3(b)所示，依然是每5min累积-个数据点，这-小时的撞击数速率依次为 2970，2970，2971，2970，2970，2970，2971，2970，2970，2971，2970，曲 线 的斜 率 约 为 594.05(counts/min)。通过对这两组试验数据分析，可以初步得出以下结论：在这两段时间内，齿轮接触疲劳裂纹扩展阶段的速率几乎是-个常数，变化极校1重耋1§喜O 5 1O l5 2O 25 3O 35 40 45 50 55 60 65Time(rain)(a)O-1小时Time(min1(b)2-3小时245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300Time(min)咖 吣 哪 o3 2 l -∞高I ∞ j旨j8 (s董j0 -旦- ∞ 暑 《石鹏 飞 ：齿轮接触疲 劳的声 发射研究365 370 375 380 385 390 395 400 405 410 415 420Time(min)(d)6-7小时图 3 裂纹扩展 阶段 累积撞 击数- 0.O2- 0.03- 0.04图 3(c)是 4-5h的累积撞击数变化情况图 ，图3(d)是 6-7h的累积撞击数变化情 况图。从这两 幅图所表达的信息来看，每 5min撞击数的增长量持续保持在 2970或者是 2971个，而曲线的斜率分 0.8别是 594.05、594.05。通过对以上 4组试验数据处 墨理图的分析，有理由认为，在接触疲劳裂纹扩展阶 聪，、段，扩展速率是不发生变化的。

5 波形分析波形分析是指对记录信号的时域波形和频域特性进行分析。为了进行波形分析，首先必须进行信号识别，哪些是有用的接触疲劳信号，哪些是噪声信号。通过前面的趋势分析，疲劳信号在整个扩展阶段普遍存在，又因为阈值选认大，因此将这-类具有同样特点的时域波形和频域特性信号确认为疲劳信号，如图4、图 5所示。观察图 5发现，齿轮接触疲劳裂纹扩展的信号是-种宽频信号，含有丰富的高频信息，能量主要集 中于 100kHz～400kHz之间。对所有的信号进行功率谱平均处理后，如图 6所示，信号的集中信号更为明显。取最大值的2 ，认为最大值 2%以下为 0，画-条横线，与平均功率谱曲线相交的两个端点，笔者认为，它就是比较准确的接触疲劳裂纹扩展特征频率。经过计算，该特征频率约为：109.6kHz～368.6kHz。

6 结 论本文通过理论分析，公式推导得出，在载荷幅度不 发生改变时 ，齿轮接触疲劳裂纹扩展阶段 的扩展时间(us)图 4 齿轮接触疲劳 时域信 号1.20.8槲0.4O.O4OO 6OO 800 1000频率(kHz)齿轮接触疲劳频域特性0 200 400 6oo 8oo 10o0频率(kHz)图6 平均功率谱速率不变的初步结论 。经过对大量的扩展阶段声发射参数撞击数的分析 ，试验结果有力地 支持 了该观点。此外，通过波形分析，发现齿轮接触疲劳裂纹的扩展频率约为 109.6kHz368.6kHz。

(下转第56页)· 37 ·叫 ∞ 叭 ∞ 叭 ㈣ ㈣ 似-A) 墚髯苔舢s售 0 薯- 0 I1吕j0u∞ 52 图0工程与试验 March 2O13根据上述测试数据分析如下 ：(1)从32/26mm硅芯管动态摩擦系数重复性数据来看，最大值为0.148，最小值为0.142，差值为0.006。而从 40/33mm硅芯管动态摩擦系数重复性数据来看，最大值为0.147，最小值为 0.141，差值同样为 0.006。从上述统计数据来看，可以证明动态摩擦系数测试器的重复性是满足要求的。

(2)由于两规格产品是在 同-机 台、同-模具、同-配方 、同-生产工艺条件下生产的，在材料摩擦系数恒定情况下 ，再结合两规格产品实测数据 ，可以证明动态摩擦系数测试器的稳定性是满足要求的 。

4 结 论(1)通过用动态摩擦系数测试器(圆鼓)对两种规格型号硅芯管的重复性和稳定性进行试验 ，可以证明动态摩擦系数测试器(圆鼓)满足试验要求，可开展动态摩擦系数测试工作。

(2)当然，在前期设计时未考虑测试样安装的简易程度，操作起来用时相对较长，后期将对其进行相应的安装配件改造，以此来提高安装、测试效率。