齿轮断齿故障虚拟维修决策方法

维修又统称为修理，是指为保持或恢复机械产品和设备 的规定功能所采取的技术措施。产品的可维修性则是指已发 生故障的产品，在规定的时间内通过维修使之保持或恢复到 规定使用条件下完成规定功能的能力[1]。然而，传统的维修 性工作开展中存在一些问题，许多工作项目需要设计人员在 样机上或前期产品上模拟真实产品的维修过程来进行，如新 型齿轮减速器的开发前就是通过做样机来测试其功能。正是 由于这种对实物样机的需求，导致了工作项目开展的时间一 般比同期产品实时开发要滞后得多。同样，维修规程制订、 维修训练资料开发和完善等工作的开展时间会更晚一些，可 能要等到产品定型之后或者正式使用。因此，这种传统的、 受产品样机限制的工作方式不能尽早地发现产品设计中存在 的问题。有些与维修相关的问题甚至要等到产品投入使用之 后才暴露出来。这样，由于此时设计工作已接近尾声，很难 再对产品进行大的改进。
知识采取一定的搜索策略并通过推理手段去解决某一特定领 域的困难问题，故障诊断专家系统结构如图 3 所示。
齿轮箱系统
检测系统
信号处理
专家
图像处理
知识获取
故障症兆
知识库
推理机
解释器
人机交互界面
图 3 齿轮箱故障诊断专家系统结构图
齿轮虚拟装拆是整个维修作业的重要过程，通过该过程， 实现齿轮箱内部结构的了解，检查个零部件有无干涉现象。 因此齿轮虚拟装拆要建立一个齿轮工作条件的全过程的虚拟 装拆数据模型，即建立齿轮箱系统。该模型能够对维修过程 中的拆装作业进行分解。虚拟环境中产品拆卸是虚拟装配的 逆过程，并基于“装拆可逆”的假定，确定拆卸顺序与拆卸 路径，规划出若干个可行的装拆顺序，并通过自动优化决策， 得到最佳的装拆方案。而虚拟装拆技术是利用虚拟现实技术， 建立产品的虚拟环境，通过分析、可视化数据表示等技术帮 助工程师进行装配关系分析和工程决策。
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中国水运
第 09 卷
以及时发现和修正设计中的不足， 提高齿轮箱在安装、调试、 运行阶段的可靠性。
二、齿轮断齿虚拟维修技术知识表述 从目前齿轮断齿维修实际来看，维修过程主要还是先找 出断齿源，确定断齿部位，拆下断齿齿轮部件并予以更换， 其实质就是一个拆卸、再装配过程。而齿轮箱维修好坏也是 一个拆卸、装配以及功能模拟的过程，尤其对齿轮箱这样的 整机部件，利用虚拟制造中的装配模块和功能模拟模块便可 实现以上过程[5]。齿轮断齿虚拟维修系统包括齿轮建模、啮 合仿真、故障诊断、虚拟拆卸、维修决策。其中齿轮建模、 故障诊断、虚拟拆卸、维修决策是系统的重要组成部分，通 常，齿轮维修是否达到规定的强度和精度要求，很大一部分 往往又与维修决策有关。其结构图如图 2 所示：
一、断齿齿轮虚拟维修特性
断齿是齿轮发生故障形式最高的一种形式，据国外抽样 统计的结果表明，断齿占齿轮的各种损伤形式总的 41%，同 时也是齿轮是最严重的损伤形式[4]。齿轮的断齿失效不仅会 造成生产设备完全停机，甚至导致人员伤亡事故。生产作业 对齿轮箱及齿轮的监测、检查和维修尤为必要。而一旦在生 产现场发生断齿，如何维修又是工人们面临的问题。因此，
第 09 卷 第 9 期 2009 年 9 月
中国水运 China Water Transport
Vol.9 September
No.9 2009
齿轮断齿故障虚拟维修决策方法
聂勇军，冯 伟
（广州航海高等专科学校 轮机系，广东 广州 510725）
摘 要：轮齿断齿是齿轮发生故障最高的一种形式，也是齿轮最严重的损伤形式。虚拟维修技术可进行断齿齿轮快
齿 轮 箱 产 品 数 据 管 理 系 统 （P D M）
虚 拟 现 实 系 统 （V R）
修
齿
啮
故 虚维
改 维
轮 建Fra Baidu bibliotek模
合 仿 真
障 拟修 诊 拆决 断 卸策
修 方 案
不行 断齿虚拟维修评价
实施维修作业
图 2 齿轮断齿虚拟维修技术结构图 三维建模是故障齿轮虚拟维修系统设计的核心，齿轮实 体模型的建立是整个虚拟维修训练系统的基础，模型在虚拟 维修训练环境下的有效表达是构建整个虚拟维修训练环境的 重要因素，而齿轮模型的维修装拆仿真和工作过程仿真是构 建整个系统的关键。因此，做好齿轮建模是进行可行性维修 的第一步。如今的三维造型软件都能实现，如美国 PTC 公司 的 Pro/Engineer Wildfire 软件，EDS 公司的 Unigraphics （简 称 UG）软 件 是目 前较为 先 进的 、面向 制 造行业的 CAD/CAE/CAM 大型高端软件。 齿轮啮合仿真是现代 CAE 技术应用到虚拟维修系统的一个 重 要 方 面 ， 通 过 现 代 有 限 元 仿 真 软 件 （ 如 ANSYS 、 MSC.Nastran、ABAQUS）可实现齿轮接触应力计算和弯曲应 力计算，动态虚拟仿真齿轮啮合处的应力分布，并校核齿轮强度。 同时，利用疲劳分析软件 MSC.Fatigue 对轮齿齿根弯曲疲劳寿 命进行仿真计算，并根据设计寿命计算出安全寿命系数。 齿轮故障诊断往往是通过建立专家系统来表达的。由知 识库、知识获取系统、推理机、数据库、人机接口和解释器 组成，通过推理的方式来解决问题，并且得到与专家相同的 结论[6]。知识库和推理机是一个专家系统的核心部分。专家 系统本质上是一个（或一组）计算机程序，它能借助人们的
三、齿轮断齿虚拟维修决策
齿轮断齿根据不同的加载情况分为疲劳折断、过载折断、 冲击折断以及随机断裂等，其中实际生产中典型的是过载折 断、疲劳折断两种形式[7]。过载折断大多数是操作不当，齿 轮传动的设计不佳齿轮加工装配工艺及材料质量不能满足要 求等原因造成的；疲劳折断往往是由于起源与最大过应力区 的疲劳裂纹不断扩展所形成的断齿。针对不同的断齿形式， 制定齿轮的虚拟维修决策时，也是不同的，目的是满足齿轮 维修后能正常的工作。齿轮虚拟维修作业关键在制定齿轮维 修决策，从图 2 虚拟维修结构示意图中可知，维修最终的目 的是实现维修决策；用现实车间维修作业讲，即是确定断齿 齿轮的相关修复工艺。在计算机上进行虚拟模拟维修后齿轮 恢复的情况。维修决策可从表 1 选择。图 4 分别为对应的断 齿维修示意图，在虚拟维修作业时，可参考该修复工艺。
如果在计算机上采用虚拟现实技术，实时仿真齿轮的维修过 程、装配过程，便可为维修带来便利。断齿故障的虚拟维修 特性主要表现以下三点：
1．通过该项技术，可组织工人平时以在计算机上进行齿 轮故障维修培训。对变速齿轮箱在实际运行过程中因操作失 误带来的断齿故障进行分析、模拟预处理。虚拟维修技术可 以在计算机上提供一个实时、三维的虚拟环境，通过视觉、 听觉、触觉等效果，随着参与者的动作而变化场景，使人获 得身临其境的感觉。
操纵盘从而使操纵轴朝顺时针方向转动，长期的作用导致驱 动换向阀摇臂复位的偏心轴 5 出现不均匀磨损，即偏心轴 5 在朝顺时针方向的一边磨损多一点而逆时针方向的一边磨损 少一点，这样，当进行倒车操作时，由于偏心轴在两个方向 上厚度不均匀，导致换向阀摇臂被卡在扇形控制块上而不能 回中，导致柴油机不能向倒车方向起动。
教育出版社，1992，289~294.
（上接 169 页） 不能起动柴油机；同时因换向阀摇臂 10 不 能复位，无法切断压缩空气管路，导致压缩空气的持继作用 引起换向油缸中机油经换向阀上的气孔中溢出，如果此时你 用螺丝刀强制将换向阀摇臂复位，泄漏立刻停止，此便是倒 车油缸中机油异常泄漏的原因。
我们在详细分析了整个系统的结构，初步认为柴油机在 长期的工作过程中，它绝大部分的时间是在顺车方向上运行， 由于该柴油机是机旁操纵的原因，每次油门的调整都得转动
学技术出版社，1986，95~96. [5] 许 炜，何 庆，赵耀军.虚拟维修[J].设备管理与维修，
2006，（8），12~13. [6] 关惠玲，韩捷著.设备故障诊断专家系统原理及实践[M].
北京：机械工业出版社，2002，16~18. [7] 朱孝录，鄂中凯主编.齿轮承载能力分析[M].北京：高等
业”时，用计算机来模拟拆卸、维修过程过程。维修决策的 3 种 方法的设计，为工人们维修作业提供参考。同时，运用该技术还 可以通过工人的操作，制定合理的拆卸维修工艺、统计维修作业 的时间、计算维修作业所需的空间、预计维修费用等。因此，该 方法的研究可以提高工人的实际操作能力，具有较高的维修效率。
参考文献 [1] 陈学楚主编.维修基础理论[M].北京：科学出版社，1998，
知道了故障的原因，解决问题就很简单了，由于它是因 磨损不均匀引起偏心轴的不平衡，所以我们可以通过一定的 措施让它重新恢复平衡或对原来的不平衡进行补偿。在排除 这一故障时，我们用锉刀对换向阀摇臂右边的小缺口进行修 锉，将被扇形控制块顶住的部分用锉刀锉去，以补偿偏心轴 在倒车方向上的不平衡。反复多次进行，只到换向阀摇臂在 换向到位时能顺利脱开即可。后来，另一条船的 6135ACa3 柴油机也出现同类问题，采用这一方法也取得很好的效果。
1~2. [2] 马 麟，吕 川.虚拟维修技术的探讨[J].计算机辅助设计与
图形学学报，2005，17（12）：2729-2733. [3] 杨宇航，李志忠，郑 力.虚拟维修研究综述[J].系统仿真
学报，2005，17（5），2191~2195. [4] 屈梁生，何正嘉编著.机械故障诊断学[M].上海：上海科
2．在对齿轮箱进行维修“预作业”时，计算机可以模拟 拆卸过程（图 1）。在产品的维修性分析过程中，零部件的拆 卸与重新安装是整个维修事件的重要组成部分。拆卸与重新 安装所需的时间在整个维修事件所需时间中占有相当的比 例。因此，在产品的维修性设计与分析中，对零部件的拆卸 与重装进行分析是一项十分重要的工作。虚拟维修技术可以 通过仿真操作过程，统计维修作业的时间、维修工种的配置、 维修工具的选择、设备部件拆卸的顺序，维修作业时需的空 间、预计维修费用。
第9期
聂勇军等：齿轮断齿故障虚拟维修决策方法
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整处理，也是可行的。 表 1 齿轮断齿维修决策（工艺）
维修决策
适用范围
1、堆焊 轮齿崩断
2、镶齿 受载不大、大模数、一个齿轮断齿
大齿轮部分断齿。在虚拟环境下做一个同型号的齿轮，切割 3、拼接
相同的一块，拼接起来。
1）堆焊区 2）焊接区
3）拼接区
图 4 齿轮断齿维修方法示意图 四、结语 齿轮断齿虚拟维修有利于工人们在作业前进行维修培训，对 齿轮箱断齿的故障进行分析、维修处理，即实现对齿轮箱“预作
图 1 齿轮箱模拟拆卸图 3．通过实施齿轮箱虚拟维修方案，为后期的新型齿轮箱 的设计提供参考，并在设计阶段就引入虚拟维修技术，则可
收稿日期：2009-07-13 作者简介：聂勇军（1976-），男，广州航海高等专科学校轮机系讲师，主要从事 CAD\CAM 及机械维修教学研究。 基金项目：广州航海高等专科学校校级科研资助项目（200712B04）
方法 1）为堆焊法修复崩断齿轮，在焊前必须认真判别 断齿模式，对于断口面上的裂纹，特别是疲劳裂纹必须清根 至裂纹前沿，再予施焊。方法 2）为镶齿法修复断齿，对于 个别断齿，且该齿轮上其他轮齿完好，同时，工作中对该齿 轮精度要求不很高、负载不高、工作速度较低的情况下，可 用该方法修复。方法 3）为拼接法修复齿轮，当齿轮局部断 裂时，采用该方法。先气焊或锯 （或无齿锯）割去齿轮的损 坏部位，然后用专用工具使变形的齿轮恢复原形，再在另一 个不能修复的同样齿轮上取下需要的部分，或按缺口尺寸形 状用与原齿轮相同或相近材质的材料制成一部分齿环，焊到 缺口上。对局部断裂的轮齿，采用焊补修复工艺，焊后再光
速维修的“预作业”，模拟拆卸、维修过程；通过对齿轮断齿维修决策的探讨，针对不同的齿轮断齿形式，指出了
三种可行维修工艺，既堆焊法、镶齿法和拼接法，为虚拟维修作业提供参考。
关键词：齿轮断齿；故障；虚拟维修；维修决策
中图分类号：TH132.41
文献标识码：A
文章编号：1006-7973（2009）09-0173-03
为了在产品设计初期更好地设计、评价产品的维修特性， 需要引入新的设计手段与方法。机器的虚拟维修技术正是适 应了维修业的发展需要而成功地运用到该领域。虚拟现实技 术，是一个由计算机软硬件和各种传感器构成的三维信息的 人工环境，即计算机模拟的三维环境[2~3]。在现代化船舶维修 过程中，由于作业周期越来越短，进行维修预演和仿真是必 要的。虚拟维修技术突破了设备维修在空间和时间上的限制， 可以实现逼真的反映设备拆装、故障维修等操作，提取生产 设备的已有资料、状态数据，检验设备维修后性能，以此评 价机械零件的维修性能。