齿轮磨损

研究生课程论文

学院机电工程学院专业机械工程

课程名称摩擦学原理

研究生姓名唐联耀学号 ***********

开课时间 2012 至 2013 学年第 2 学期

说明

一、研究生课程论文必须与本封面一起装订。阅卷教师务必用红笔批阅，并在本封面规定位置打分、写完评语后连同成绩登记表（一式两份）交学院研究生秘书，各学院研究生秘书在第二学期开学后两周内将成绩登记表交研究生学院。论文由开课学院研究生办公室保管。

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直齿渐开线圆柱齿轮啮合磨损的研究概况

唐联耀湖南科技大学湖南湘潭

摘要：齿轮传动是机械中最重要和应用最广泛的传动形式之一。在齿轮传动的失效形式中，齿面磨损占了很大一部分。国内外很多专家学者都在致力于研究渐开线圆柱齿轮啮合磨损。本文通过概述其研究进展，包括渐开线圆柱齿轮啮合原理、磨损类型、磨损监测与测量以及减小磨损和预测寿命的方法，希望能够对今后该领域的发展提供参考。

关键词：磨损类型、磨损监测与测、减小磨损

Abstract: Gear mechanical transmission is one of the most important and widely used form of transmission. In failure forms of gear transmission, the tooth surface abrasion is the main form . a large part of many experts are dedicated to the study of involute cylindrical gear meshing and wear. Overview in this article, through its research progress, including the principle of involute cylindrical gear meshing and wear type, wear monitoring and measurement and the method of reduced wear and forecasting life, hoping to provide reference for the development of the field

Key words: wear type wear monitoring and measurement the method of reduced wear

前言：齿轮传动是通过其轮齿交替啮合而实现的。图1所示为一对轮齿的啮合过程。主动轮1顺时针方向转动，推动从动轮2作逆时针方向转动。一对轮齿的开始啮合点是从动轮齿顶圆η2与啮合线N1N2的交点B2，这时主动轮的齿根与从动轮的齿顶接触，两轮齿进入啮合。随着啮合传动的进行，两齿廓的啮合点将沿着啮合线向左下方移动。一直到主动轮的齿顶圆η1与啮合线的交点B1，主动轮的齿顶与从动轮的齿根即将脱离接触，两轮齿结束啮合，B1点为终止啮合点。线段B1B2为啮合点的实际轨迹，称为实际啮合线段。当两轮齿顶圆加大时，点B1、B2分别趋于点N1、N2，实际啮合线段将加长。但因基圆内无渐开线，故点B1、B2不会超过点N1、N2，点N1、N2称为极限啮合点。线段N1N2是理

论上最长的实际啮合线段，称为理论啮合线段。

齿轮磨损分析与减小磨损

磨损是影响机械寿命的主要因素之一，对于齿轮系统，轮齿的过度磨损不仅会影响齿轮的传动精度和效率，还会造成机构振动、产生噪声等，严重时甚至会使轮齿断裂，造成重大事故．磨损具有缓慢的渐进性特点，对机械系统性能的影响也是一个渐进性缓慢失效过程，与突发性失效相比往往容易被忽视，但其危害性却很大［3］。对于齿轮磨损问题国内外学者作了多年的研究，但由于磨损问题的复杂性，至今仍没形成一套成熟有效的方法，以往的研究主要是以实验为主，通过实验测量磨损量或根据磨粒的铁谱分析、尺寸分析来预测齿轮轮齿的磨损程度，但是由于实验成本高，周期长，且不同的齿轮副、不同的工况条件其磨损特性也不一样，实验获得的结果缺乏普适性．基于理论分析，结合物理实验，应用数值仿真技术研究齿轮的磨损问题将是一条行之有效的途径［4］。齿面磨损是评价齿轮寿命的主要指标之一,对于采用固体润滑齿轮副,齿面涂层的磨损就成为齿轮失效的主要形式.因此,测定齿轮的磨损量和其在齿面上的分布,研究运转速度、润滑剂、齿轮材质、齿面粗糙度和载荷大小等对轮齿磨损的影响,是齿轮试验的重要课题之一[1]。齿轮磨损试验的关键技术是测定齿轮磨损量和判定磨损状态。目前采用的各种测定齿轮磨损量和判定磨损状态的不同方法各有其优缺点#称重法是测量精度较高的方法,这种方法要进行齿轮和轴承的拆装,并要有大称重、高感量的分析天平。几何尺寸或形状比较法可以测量不同磨损程度的齿厚、公法线、基节等。用精密的齿廓检测仪测定齿形的变化,能获得齿面磨损的全貌,但需卸下齿轮才能测量，铁谱分析法可以对磨屑的形貌、大小、颜色和浓度进行观察分析#光谱分析法通过检测润滑油中各种元素含量的变化得到磨损量。

东北大学王淑仁等，研究磨损齿轮的线磨损量在齿面上的分布情况,采用齿廓检测仪测定方法作为判定齿面磨损状态的方法。为使试验更接近实际,他们直接

采用实际的齿轮进行试验,试验在CL-100型齿轮试验机上进行,齿形的检测在UMC 1000C型三坐标测量仪上进行。试验结果得出出,节圆附近的线磨损量最小,齿顶附近的线磨损量最大,线磨损量分布的规律与齿面啮合相对速率的变化规律基本一致。啮合节点处的啮合相对滑动速度为零,但齿面在该处仍有轻量磨损,这是因为实际啮合传动的齿轮副,除本文所分析的啮合摩擦疲劳磨损外,还附有其他形式的磨损,如接触疲劳磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等

齿轮磨损监测与测量

目前对齿轮故障信号的监测手段主要集中在振动检测手段。但是,对于振动信号比较微弱的故障,如金属腐蚀和表层疲劳磨损等,使用振动监测手段就相对比较困难,而声发射检测方法因其对微弱故障信息的敏感性,在设备早期故障诊断中越来越受到重视。

沈阳工业大学于洋等利用声发射检测技术对齿轮运行状态进行实时监测,并通过Hilbert-Huang变换(HHT)方法对采集的数据进行分析处理。通过对比正常齿轮与故障齿轮的经验模态分解图、Hilbert谱,得出齿轮磨损故障的频率特征,证明声发射检测方法可以有效地检测到齿轮磨损故障,对齿轮故障诊断具有重要意义[2]。

江苏信息职业技术学院何宇漾等，将分形理论用于齿轮磨损的监测, 从工程应用角度介绍了振动信号盒维数的计算方法。通过对齿轮振动信号分形维数的计算, 揭示了分形维数与信号复杂程度之间的内在联系。结果表明: 随齿轮磨损的增加, 齿轮振动信号盒维数呈下降趋势, 运用振动信号的分形维数特征可有效实现齿轮磨损监测[5]。

上海海事大学张卫国等采用基于逆向工程的原理，对齿轮磨损件进行表面信息获取、磨损实体模型重构，并与标准件进行对比分析，得到了磨损部位定量、精确的待修复信息，为磨损件的绿色再制造提供数字化依据 [6]。

东北大学王淑仁等，研究了齿轮啮合摩擦疲劳磨损的计算模型。闭式齿轮传动中的齿面疲劳磨损机制类似于剥层磨损机制,由此建立了齿面啮合摩擦疲劳磨损计算的数学模型、磨损层厚度的表达式中,涉及磨损率、每啮合一次轮齿的滑动距离、工作转速、工作时间、相啮合齿轮副数以及齿面改性系数、润滑系数、载荷系数等参数#给出了计算模型中各参数的确定方法,讨论了计算模型的适用场合#通过反映齿面磨损物理过程规律的数学模型,寻找不同工况下减小齿面啮合疲劳磨损的途径;该模型具有工程实际意义,为齿轮啮合磨损过程的计算机仿真提供了依据[7]。

齿轮寿命预测

随着“精确”维修理念的引入，提出了基于状态的维修CBM 理论，实施CBM 的前提是对设备的状态参数进行监测。状态参数可以分为直接状态参数和间接状态参数。直接状态数据能够准确地反映设备状态退化过程，但是在实际的状态监测过程中，由于受到设备自身结构、经济性、技术性等要求的限制，往往很难或很少采集直接状态数据。如对直升机助减速器磨损情况的探测，需要在直升机停机情况下对主减速器进行拆卸，由于主减速器本身结构复杂，拆卸过程需要耗费大量的时间、人力和物力，因此不适宜频繁对磨损情况进行监测。而另一方面，随着状态监测技术的不断发展，可以获得大量可用的间接状态数据，如振动信号，但是由于间接状态数据与设备实际健康状态之间存在一定的不确定性关系，因此单纯地从间接状态参数入手，建立预测模型，难以准确地实现状态预测。针对这一问题，重点研究如何利用有限的直接状态信息和大量的间接状态信息，