结构调谐共振的齿轮缺陷快速检测方法及检测装置

摘要

本发明公开了结构调谐共振的齿轮缺陷快速检测方法及检测装置，涉及一种齿轮的毛刺、划痕、磕碰伤和微裂纹的快速检测方法，属于检测技术与仪器、机械传动技术领域。在专用的齿轮缺陷调谐共振的快速检机上，齿轮在额定负载条件下，通过选择合理的转速使得齿轮的啮合频率及其谐波频率与齿轮缺陷调谐共振快速检测装置的固有频率或其某一阶谐振频率相近，进而在检测过程中使被检测齿轮与标准齿轮单面啮合时发生共振。通过分析处理安装在振动感应敏感位置处的加速度传感器获得的齿轮振动信号，准确、可靠的识别齿轮缺陷，实现齿轮缺陷快速检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种齿轮的毛刺、划痕、磕碰伤和微裂纹的快速检测方法，属于检测技术与仪器、机械传动技术领域。

背景技术

齿轮产品包括各种齿轮及由齿轮组成的各种减速器、增速器、车辆变速器和后桥、齿轮泵等传递运动、动力或输送介质的机械部件和装置，是机械装备的重要基础件，这些基础件的性能和可靠性决定了机械装备的性能和可靠性。随着齿轮传动技术向高速、重载、高精度的方向发展，对其缺陷检测提出了愈来愈高的要求，对齿轮传动的强度和振动的要求更加严格。

目前对齿轮缺陷的检测手段主要有视觉检测法、超声检测法、射线检测法和滚动检查法等，每种方法的检测能力、检测指标和检测范围也不一样。超声检测法和射线检测法，主要应用于检测齿轮内部较大的缺陷，并且该方法极易受到生产现场复杂工作环境的影响。射线检测法，往往会产生对人体有害的辐射，不是一种环保的检测方法。图像、机器视觉检测法主要应用于齿轮表面缺陷及一些齿轮几何参数的检测，但齿轮的材质、光源和CCD等多种因素制约了其检测精度，并且当图像较大时，处理速度慢。单面啮合滚动检查法主要用于检查齿轮的传动误差、振动噪声，进而发现齿轮的一些缺陷，典型的锥齿轮振动噪声检查机就可以综合检测齿轮的传动误差、接触斑点和振动噪声等。虽然振动信号能够清晰准确地反映旋转部件的运转状态，使得实测振动响应信号包含信息丰富、故障信号易获得，但当振动特征微弱时，噪声干扰强烈且复杂多变，单一地采用某一种固定不变的去噪方法难以达到良好的去噪效果，需要在振动信号处理方面想尽各种方法来获取相应的振动特征量。

齿轮缺陷的快速检测一直以来都是齿轮检测的难题，尤其是微小裂纹的检测，目前尚无有效的解决办法和成熟的技术。齿面失效的根本原因是微裂纹，齿面微小凸包对齿面微观裂纹的形成有着密切关系。由于齿轮的微裂纹未能及时发现而酿成设备事故，带来巨大的经济损失的事例屡见不鲜。例如，在汽车变速制造过程中经常出现单个齿轮的精度指标检测合格，安装到变速器中就会出现振动值超标，终检不过的情况。齿轮的微小裂纹未能及早发现是造成这种情况的主要原因，终检不合格再返修，费时费力，造成巨大的经济损失。我国齿轮生产厂家为降低齿轮生产的成本，提高经济效益，多采用国产钢材，所生产的齿轮内部容易出现裂纹、夹杂、气孔等缺陷。研究一种适用于齿轮装配到传动部件前就能有效检测出齿轮的缺陷，尤其是齿轮的微裂纹的检测方法及装置设备，就可以避免齿轮传动产品因发生故障造成的巨大经济损失，对提高齿轮产品的性能和可靠具有重要的应用价值。

因此，为了提高齿轮产品的性能和可靠性，急需研究齿轮缺陷检测方法，对影响齿轮传动的齿轮的毛刺、划痕、磕碰伤、裂纹等进行检测。

发明内容

为了实现齿轮缺陷快速检测，本发明提供了结构调谐共振的方法和结构调谐共振的齿轮缺陷快速检测方法及检测装置，可以快速实现结构调谐共振，可以模拟运行工况，可以快速检测齿轮的毛刺、划痕、磕碰伤和微裂纹。

结构调谐共振是通过模态频率测量系统获知检测装置的固有频率及模态振型，利用结构模态频率调整系统和工况调整系统调整检测装置的固有频率及其谐波频率与被检测组件(零件)装置的转频及其谐波频率相一致，从而使结构产生共振。模态频率测量系统的由测量硬 件振动传感器和模态频率数据采集分析系统组成；结构模态频率调整系统由主动端、被动端和床身底座等机械本体结构组成；工况调整系统由驱动装置、主、被端扭矩测量装置和加载装置组成。结构调谐共振的方法，该方法包括：S1利用安装在检测装置机械本体结构上的传感器(至少一个)，通过模态分析技术获得检测系统的模态频率及其谐波频率；S2通过结构模态频率调整系统改变检测装置的本征模态频率及其谐波频率，使检测装置的本征模态频率及其谐波频率与被检测组件(零件)所处实际工作系统(环境)的本征模态频率或其谐波频率相近或一致；S3通过工况调整系统改变检测装置的运行工况，使被检测组件(零件)的转频及其谐波频率与检测装置的本征模态频率或谐波频率相近或一致，从而产生共振。

结构调谐共振的齿轮缺陷快速检测方法，该方法包括：S1利用安装在检测装置壳体上的传感器(至少一个)，通过模态分析技术获得检测系统的模态频率，通过改变检测装置的机械系统结构，改变其本征模态频率及其谐波频率，逼近被检测齿轮所处实际工作系统的模态频率，使检测在模拟的真实工况下进行；S2通过改变检测机的运行转速，是被检测齿轮的啮合频率及其谐波频率与检测装置的本征模态频率或谐波频率相近或一致，从而产生共振。

一种结构调谐共振的齿轮缺陷检测装置如图1所示，该检测装置由第一导轨锁(1)、被动端扭矩测量装置(2)、丝杠座(3)、被动端手轮(4)、丝杠(5)、被动端手轮箱(6)、第二导轨锁(7)、被动端箱体(8)、驱动装置(9)、丝杠(10)、联轴器(11)、主动端扭矩测量装置(12)、主动端箱体(13)、齿轮安装轴(14)、齿轮(15)、x轴导轨(16)、齿轮胀套(17)、床身底座(18)、y轴导轨(19)、丝杠座后座(20)、长光栅(21)、加载装置(22)、精密轴系(23)和振动传感器(24)组成，该检测装置分为实验机基座调节平台、主动端和被动端三大部分。

主动端采用驱动装置(9)作为整个实验机的动力源，该装置最高转速可达3000r/min,最大输入扭矩为100N.m，既可以满足低转速高扭矩的测量要求又可以满足低扭矩高转速的测量要求。驱动装置(9)悬挂于主动端箱体(13)的末端，驱动装置(9)和主动端箱体(13)采用止口定位进行装配，保证轴系的同轴度，驱动装置(9)和主动端箱体(13)之间采用八个螺钉连接以保证连接强度。驱动装置(9)经联轴器(11)将动力传输到主动端扭矩测量装置(12)，联轴器(11)与主动端扭矩测量装置(12)和驱动装置(9)之间的联接采用螺纹驱动胀紧方式，方便调整与检修。精密轴系(23)通过小锥度外筒并采用螺钉压紧，从主动端箱体(13)前端装入，精密轴系(23)与主动端扭矩测量装置(12)之间采用止口定位螺纹连接，既保证精密轴系(23)与主动端箱体(13)的配合精度及连接强度，又保证主动端扭矩测量装置(12)与轴系的同轴度及动力同步，避免轴系跳动和动力迟滞对检测结果的影响。精密轴系前端的齿轮安装轴(14)，采用短锥轴导向，螺纹固接的方式安装在精密轴系前端，齿轮(15)通过齿轮胀套(17)安装在齿轮安装轴(14)上。

被动端采用加载装置(22)作为整个实验机的加载动力源，该装置通过电流调节的方式进行加载扭矩大小的调节，最大加载扭矩400N.m，既可以满足一般正常工况的齿轮加载测试的要求。加载装置(22)悬挂于被动端箱体(8)的末端，驱动装置(9)和被动端箱体(8)采用止口定位进行装配，保证轴系的同轴度，驱动装置(9)和被动端箱体(8)之间采用八个螺钉连接以保证连接强度。加载装置(22)经联轴器(11)将负载传输到被动端扭矩测量装置(2)上，避免加载力的波动影响检测结果的精度。联轴器(11)与被动端扭矩测量装置(2)之间的联接采用螺纹驱动胀紧的方式，方便调整与检修。精密轴系(23)通过小锥度的外筒，采用螺钉从的压紧的方式，从被动端箱体(8)前端装入，精密轴系(23)与被动端扭矩测量装置(2)之间采用止口定位螺纹连接的方式，既保证精密轴系(23)与被动端箱体(8)的配合精度及连接强度，又保证被动端扭矩测量装置(2)与轴系的同轴度及负载同步，避免轴系跳动和负载波动迟滞对检测结果的影响。精密轴系前端的齿轮安装结构与主动端的齿轮安装结构相同。

实验机基座调节平台的床身底座(18)为铸造成型的箱体结构，在床身底座(18)的主动端通过螺纹连接装有手轮和手轮箱，手轮和手轮箱连接以调节主动端的行程。x轴导轨(16) 通过螺纹连接，压块压紧的方式安装在床身底座(18)上，保证主动移动的平稳性及定位精度。x轴的两条导轨(16)上通过螺纹连接分别装有第一导轨锁(1)、第二导轨锁(7)，当x轴行程满足要求时，第一导轨锁(1)、第二导轨锁(7)用以锁定主动端的移动。丝杠座后座(20)和丝杠座(3)通过螺钉直接固结在床身底座(18)上，丝杠(5)架在丝杠座后座(20)和丝杠座(3)之间，丝杠(5)的末端穿过手轮箱。在床身底座(18)的前面通过螺栓将被动端手轮箱(6)固连在床身底座(18)上，通过螺纹连接配合导向键定位的方式，将被动端手轮(4)安装在被动端手轮箱(6)上。y轴导轨(19)通过螺纹连接和压块压紧的方式安装在床身底座(18)上，以保证主动移动的平稳性及定位精度。在床身底座(18)的y轴导轨(19)附近安装有长光栅(21)，精度空中心距的调整。

主动端通过导轨滑块安装在x轴导轨(16)上；被动端通过导轨滑块，采用螺纹连接的方式，安装在y轴导轨(19)上。加载装置(22)改变施加载荷的大小，主动端扭矩测量装置(12)和被动端扭矩测量装置(2)组成加载扭矩是否满足要求的监测系统。驱动装置(9)通过PLC与伺服控制组成的控制系统进行转速调节，满足任意检测要求。振动传感器(23)获取结构调谐共振下的齿轮缺陷的振动加速度信号。

利用结构调谐共振的齿轮缺陷检测方法将被检测齿轮安装于齿轮缺陷检测装置上，在结构调谐共振的条件下，通过振动传感器获取齿轮缺陷的振动信号，经过信号处理的获得振动信号的特征值，综合比对缺陷特征样本，最终分析出可能的缺陷类型及其程度。其实现方法是：通过加载装置改变加载载荷的大小，利用主动端扭矩测量装置和被动端扭矩测量装置监测加载扭矩是否满足要求，通过驱动装置改变检测转速并监测转速是否满足要求，使齿轮缺陷检测处于最佳检测条件。最终通过在数据采集软件中设置采样频率、采样时间、采样方式、传感器的灵敏度和滤波放大器的相关参数等，获得检测齿轮的振动信号。通过对信号在时频域的分析处理，采用相应的齿轮缺陷识别算法可以确定齿轮缺陷的类型及其严重程度。

利用结构调谐共振的齿轮缺陷检测装置，采用结构调谐共振方法的齿轮缺陷的快速检测方法的实施方法如下：

1)、了解被检测齿轮实际工作所在的齿轮传动装置的结构形式特点，利用实验模态技术获取该传动装置的模态频率及模态特征，确定齿轮异常频率及其各阶谐波频率；

2)、利用安装在检测装置底座及其他壳体上的传感器(至少一个)，通过模态分析技术获得检测系统的模态频率。通过改变检测装置的机械系统结构，改变其本征模态频率及其谐波频率，逼近被检测齿轮所处实际工作系统的模态频率；

3)、通过齿轮胀套将标准齿轮安装在齿轮安装轴上，将被测齿轮安装在被动端。分别通过手轮驱动丝杠推动主动端和被动端移动，使标准齿轮和被测齿轮组成的齿轮副在公称中心距下作单面啮合。

4)、开启结构调谐共振的齿轮缺陷检测装置，按照要求输入被测齿轮、标准准齿轮和运行工况参数。通过丝杠-导轨移动平台调整中心距，利用长光栅检测中心距是否满足要求；通过加载装置改变加载载荷的大小，利用主动端扭矩测量装置和被动端扭矩测量装置监测加载扭矩是否满足要求；通过PLC控制油泵的开启及油量的大小，并监测润滑是否满足要求；通过驱动装置改变检测转速并监测转速是否满足要求，使齿轮缺陷检测处于最佳检测条件。在分别调整中心距、载荷、润滑和转速满足齿轮缺陷检测的要求后，按照检测机的运行流程操作；

5)、在数据采集软件中设置采样频率、采样时间、采样方式、传感器的灵敏度和滤波放大器的相关参数等后，利用安装在主被轴靠近齿轮的主轴前端的振动传感器在结构调谐共振的条件下，获取被测齿轮缺陷的振动信号；

6)、通过对信号在时频域的分析处理，获得振动信号的特征值，综合比对缺陷特征样本，最终分析出可能的缺陷类型及其程度。

本发明与以往的齿轮缺陷检测方法的显著优点在于：

通常在齿轮传动系统的设计与应用过程中，要求避开齿轮的共振区域，本发明项目创新 性的应用共振对齿轮微小缺陷引起的微弱振动信号的放大作用，提出了齿轮缺陷调谐共振的齿轮缺陷快速检测技术，在调谐共振条件下，被检测齿轮与标准齿轮单面滚动啮合，通过分析处理加速传感器采集到的被检测齿轮的振动信号，探测到过去以精度检测为主的检测手段所不能发现的齿轮缺陷，特别是微小裂纹。本项目所研究的检测系统不仅能用于生产现场齿轮缺陷的快速检测，还可用于NVH性能检测及诊断故障齿轮箱的故障。

附图说明

图1为一种用于结构调谐共振的齿轮缺陷检测装置。

图2为结构调谐共振检测装置剖视图。

图3为齿轮缺陷的振动信号处理流程。

图4结构调谐共振的齿轮缺陷检测装置运行流程。

图5为结构调谐共振齿轮缺陷检测流程。

图中标记：1-导轨锁，2-被动端扭矩测量装置，3-丝杠座，4-被动端手轮，5-丝杠，6-被动端手轮箱，7-导轨锁8-被动端箱体，9-驱动装置，10-丝杠，11-联轴器，12-主动端扭矩测量装置，13-主动端箱体，14-齿轮安装轴，15-齿轮，16-x轴导轨，17-齿轮胀套，18-床身底座，19-y轴导轨，20-丝杠座后座，21-长光栅，22-加载装置，23-精密轴系，24-振动传感器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施方式，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图4所示结构调谐共振齿轮缺陷检测流程，结构调谐共振的齿轮缺陷检测的实施方步骤如下：

1)、确定某被检测齿轮实际工作所在的齿轮传动装置的结构形式特点，利用实验模态技术获取该传动装置的模态频率及模态特征，确定齿轮异常频率及其各阶谐波频率；

2)、利用安装在检测装置底座及其他壳体上的传感器(至少一个)，通过模态分析技术获得检测系统的模态频率。通过改变检测装置的机械系统结构，改变其本征模态频率及其谐波频率，逼近被检测齿轮所处实际工作系统的模态频率；

3)、通过齿轮胀套将标准齿轮安装在齿轮安装轴上，将被测齿轮安装在被动端。分别通过手轮驱动丝杠推动主动端和被动端移动，使标准齿轮和被测齿轮组成的齿轮副在公称中心距下作单面啮合。

4)、开启结构调谐共振的齿轮缺陷检测装置，按照要求输入被测齿轮、标准准齿轮和运行工况参数。通过丝杠-导轨移动平台调整中心距，利用长光栅检测中心距是否满足要求；通过加载装置改变加载载荷的大小，利用主动端扭矩测量装置和被动端扭矩测量装置监测加载扭矩是否满足要求；通过PLC控制油泵的开启及油量的大小，并监测润滑是否满足要求；通过驱动装置改变检测转速并监测转速是否满足要求，使齿轮缺陷检测处于最佳检测条件。在分别调整中心距、载荷、润滑和转速满足齿轮缺陷检测的要求后，按照图5所示的结构调谐共振的齿轮缺陷检测装置运行流程进行齿轮缺陷检测。

5)、在数据采集软件中设置采样频率、采样时间、采样方式、传感器的灵敏度和滤波放大器的相关参数等后，齿轮缺陷的振动信号处理流程图3所示。利用安装在主被轴靠近齿轮的主轴前端的振动传感器在结构调谐共振的条件下，获得如图6所示的缺陷检测的加速度信号，采集获得的加速信号的总点数记为N，N取正整数，第i时刻的信号值记为x_i(t)，i＝1,2,3..N.；6)、通过对信号在时频域的分析处理，提取平均值、均方值和峭度作为评价齿轮缺陷的。平均值X是信号的一阶矩统计平均，用于描述信号的稳定分量，是机械振动的平衡点位置。

均方值是信号的二阶矩统计平均，与有效值均用于描述振动信号的能量，常用于判别运转状态是否正常。

其中X_rms为有效值，又称均方根值。

峭度C_q是信号的四阶矩平均，常用于表征机械的运动状况中存在冲击性振动。其指标对信号中的冲击特征很敏感，正常值在3左右，如果接近4或超过4，则说明机械的运动状况中存在冲击性振动，间隙过大、滑动副表面存在破碎是主要原因。

通过综合比较获得振动信号的特征值与缺陷特征样本值，最终分析出可能的缺陷类型及其程度。