基于自愈化的齿轮箱常见故障修复

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齿轮箱是改变转速和传递动力最常用的传动部件，常因磨损、裂纹、不平衡等故障而失效。虽然状态监测和故障诊断，预知维修(PDM)和智能维护(IM)等先进技术已被广泛应用到了选择机械设备中，但工作过程中也往往因为齿轮箱的故障造成重大损失，甚至机毁人亡。

如何准确的诊断、预测出这些故障，通过智能决策和主动控制，使这些故障在运行中自行消除，最终使齿轮箱实现正常运转，就变得尤为重要。

2 故障自愈机理故障自愈是模仿生物体损伤愈合，通过物质补给或能量补给机制，使材料 的微损伤能得以 自动愈合 ，从而消除隐患。其自愈过程如图 1所示。

目前故障自愈在机械装备系统上得到了广泛应用，其研究主要包括以下几方面：故障白愈调控技术、自修复技术、代偿技术、自防护技术和免疫技术。机器故障自愈(Fault Self-recovery Theory，FST)主要是通过对机械设备运行状态及工况实时监测，分析可能产生故障的条件及预兆，采用比较判别、诊断预测、智能决策和主动控制方法在运行中使机械设备 自行修复机器部件的损伤，从而抑制故障的产生 2 J。

3 故障自愈化研究现状随着智能材料研究的日益深入及自平衡技术的发展，如何实现材料磨损、裂纹、转子不平衡等故障的自愈合，已成为学术界关注的热点。

我国从乌克兰进 口的-种金属磨损 自修复材料”，可在摩擦副表面形成-层具有-定硬度的摩擦改性修复膜。通过北京铁路局用其在内燃机车上的试验表明，这种材料可降低油耗，增长内燃机寿命。

哈尔滨第-工具厂通过对麻花钻实施金属磨损自修复材料应用技术，与未采取该技术的同种型号直柄麻花钻在同等加工条件下的对比试验表明：采用金属磨损自修复材料应用技术的麻花钻使用寿命提高了5倍以上，切削刃可保持持久锋利 。

2003年赵迎祥、肖亚航等综述了工程材料表面及内部微裂纹自愈合技术及其机理的研究现状和进展，并提出了普通金属材料使用过程中所产生裂纹的愈合技术和机制 。

Scot White等人在复合材料中放入有愈合剂的微型胶囊(1.3%的环烷酸钴)和催化剂(1.3%的二甲胺)，当材料中出现裂纹时，胶囊中的愈合剂释放出来通过纤维导管流到损伤区并与埋人的催化剂接触产生聚合作用，将裂纹闭合 。

收稿日期：2013-06-16作者简介：殷 杰(1988-)，男，湖南益阳人 ，在读硕士 ，研究方向：齿轮箱的状态监测与故障诊断技术。

· 167·经验交流 2013年第4期(第26卷，总第126期)·机械研究与应用 ·纪晓钢通过加入少量微胶囊到复合材料的齿轮中，并通过对比试验发现微胶囊可修复齿轮中的疲劳点蚀裂纹等缺陷，利于延长齿轮的寿命和降低成本。

在实现转子的自动平衡方面，2008年，王仲生、陈晓理通过对转子不对中的故障机理进行分析，提出了利用量子调控原理对早期不对中故障进行 自愈的方法，该方法通过外加-种力来抵消不对中力，使转子恢复至0对中位置 j。

李忠平、刘杰中针对风机运行过程中产生不平衡振动问题，提出了利用在线 自动平衡系统对其不平衡振动进行消除，并在实际风机转子上对 自动平衡系统的平衡性进行了验证 。

黄立权，王维民等提出了-种快速相位搜索算法，利用电磁装置在特定的平面上产生幅值和相位可控的旋转矢量力来补偿转子的不平衡旋转矢量力，实现在线快速抑制单平面转子系统工频振动故障 。

4 齿轮箱常见故障的自愈4.1 磨 损磨损是齿轮箱中最常见的故障之-，在齿轮箱运转过程中，轴承滚动体和套圈之间2个相互粘合的齿轮之间的滑动，都会引起零件接触面的磨损；另外，齿轮箱中渗入的杂质、电化学反应都会造成零件的表面损伤。装备再制造技术国防科技重点实验室提出的摩擦 自修复机制主要有以下几种：吸附 自修复机制；摩擦化学自修复机制；渗透 自修复机制；釉化自修复机制；纳米金属粒子自修复机制；微纳米矿粉体添加剂的自修复机制 。

齿轮箱中轴承和齿轮的磨损 自修复主要是往齿轮箱中添加具有极性元素的油溶性减摩添加剂或者非油溶性的悬浮于油中的固体微粒，在齿轮箱运转过程中，扩散到摩擦微观表层，与齿轮或轴承的磨损表面发生摩擦化学反应，沉积并填平凹凸不平的磨损表面，生成具有抗磨减摩的修复膜，改善摩擦表面的润滑性能，阻碍相互作用的零件直接接触而减少摩擦磨损，延长使用寿命。

4.2 裂 纹裂纹具有难发现、易扩展、强破坏的特点，是旋转机械三大故障之-，据统计 80%的大型旋转机械结构因裂纹失效。在齿轮箱中，往往由于运行时载荷过大、转速过高、润滑不良或工作表面的交变应力引起微观疲劳裂纹。

针对齿轮箱中齿轮和轴承中的微观裂纹，可采取外植型和本征型自修复材料两种材料来实现裂纹的自愈合。本征型自修复是对齿轮和轴承的裂纹发生位置加热，使裂纹内部的原子扩散激活能增大，依靠. 1 68 。

大分子的断链结合可逆反应能力，通过类似于扩散焊接的机理焊合裂纹，实现自修复。

外置型自愈合技术通过在齿轮箱各零件中易发生裂纹的部位布置纤维导管或微胶囊，当基体材料在外界作用下产生裂纹时，齿轮或轴承的裂纹前沿的纤维导管或者微胶囊受力破裂，其内部的粘接剂在毛细作用下流出并渗入到裂纹中，与固化剂混合，发生固化反应把裂纹面粘结起来，从而阻止裂纹的进-步扩展，实现裂纹 自愈合。其愈合过程如图2所示。

(a)机体出现裂纹(b)裂纹扩展修复剂流出(c)裂纹愈合图2 裂纹自修复示意图4.3 不平衡不平衡是转动件质量偏心造成的-种故障形式，对于大型高速齿轮转子系统，不平衡会引起转子附加载荷的增加，使机器产生较大振动，损耗轴承和齿轮等零件。目前，自动平衡技术有了很大发展，主要应用电磁技术、喷液方法和主动控制技术，通过向转子提供偏心力或电磁力来实现转子的自平衡。

由于齿轮箱中齿轮轴的结构不对称、加工和装配中存在误差，转子部件缺损，负载扭矩的波动，轴系的扭振，电动机的平衡情况等都会影响齿轮系统的平衡。电磁 自愈力的平衡机构是非接触式，平衡力自适应的装置，能很好解决齿轮箱中不平衡的问题。其主要工作原理是当传感器检测到齿轮轴的不平衡力时，反馈给故障白愈调控系统，然后传送指令到电磁作用力装置产生电磁力来抵消转子的不平衡产生的离心力，从而实现同频振动的在线消除。其工作示意图如· 机械研究与应用 ·2013年第4期(第26卷，总第126期) 经验交流图3所示。

图 3 电磁 自愈力 自动平衡系统模型5 结 论概述工程材料表面及内部微裂纹 自愈合技术以及转子自动平衡系统的研究现状和进展，将故障自愈合技术引入齿轮箱的故障修复中，提出利用自修复添加剂实现齿轮箱中裂纹、磨损等故障的自愈以及电磁自愈力自动平衡来调节齿轮和轴系不平衡状态的原理和方法，它可避免因故障停机引起的经济损失，延长机器的稳定运行周期，具有很好的工程应用前景。