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摘要:為提升齒輪液壓泵的穩(wěn)定性和安全性，對(duì)齒輪副的摩擦學(xué)特性進(jìn)行測(cè)試，基于振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)其機(jī)械損傷進(jìn)行定性診斷。通過(guò)摩擦試驗(yàn)機(jī)，得出齒輪副嚙合點(diǎn)相對(duì)速度、嚙合壓力對(duì)平均摩擦系數(shù)和摩擦穩(wěn)定系數(shù)的影響規(guī)律。分析齒輪副的失效機(jī)理，采用振動(dòng)與動(dòng)平衡測(cè)試儀得出齒面磨損和齒面斷裂的振動(dòng)響應(yīng)特性。該研究能夠?yàn)橐簤罕霉ぷ鲄?shù)的優(yōu)化提供重要依據(jù)，有效降低液壓設(shè)備的維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞:液壓泵;齒輪;摩擦;磨損;振動(dòng)

0引言

液壓泵是液壓系統(tǒng)中的重要?jiǎng)恿υ?］，常見(jiàn)的類(lèi)型包括齒輪泵、葉片泵、柱塞泵等。其中，齒輪泵的承載能力［2］較強(qiáng)，在復(fù)雜和高污染條件下的應(yīng)用率更高。齒輪泵內(nèi)的傳動(dòng)副為嚙合的齒輪組，長(zhǎng)期處于高速和高壓狀態(tài)［3］，因此容易出現(xiàn)摩擦失效問(wèn)題。齒輪泵內(nèi)部齒輪副的機(jī)械損傷主要有壓力磨損、顆粒點(diǎn)蝕、接觸面膠合、齒根擦傷等，位置主要位于齒輪副的接觸工作面。液壓泵的齒輪一般選用調(diào)制鋼材料，強(qiáng)度和韌性良好，但是在長(zhǎng)期摩擦條件下將出現(xiàn)接觸面或接觸點(diǎn)的磨損問(wèn)題［4－6］，并在摩擦熱量作用下誘發(fā)“點(diǎn)焊”問(wèn)題，加快齒輪工作面的損傷速度。齒輪泵發(fā)生機(jī)械故障時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將發(fā)生明顯振動(dòng)，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)能夠有效地預(yù)測(cè)齒輪副所發(fā)生的故障以及形成原因。齒輪之間的摩擦接觸是疲勞破壞和機(jī)械沖擊的主要原因，因此，文中基于摩擦學(xué)理論對(duì)液壓泵齒輪副試樣的摩擦學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，研究不同工況條件下的響應(yīng)特性。同時(shí)，通過(guò)振動(dòng)測(cè)試方法檢測(cè)液壓泵外殼的振動(dòng)反饋信號(hào)，為液壓泵的維護(hù)和維修提供重要依據(jù)。

1液壓泵齒輪副的摩擦性能測(cè)試

1.1嚙合面摩擦機(jī)理分析

液壓泵內(nèi)部齒輪副之間的嚙合接觸與摩擦為離散方式，根據(jù)傳動(dòng)比原理可知，分度圓直徑較小的齒輪承受載荷的循環(huán)次數(shù)更多，因此更容易發(fā)生疲勞損傷［7］。齒輪主要依靠正壓力傳遞力矩，在較大的擠壓力作用下，齒輪表面的微凸結(jié)構(gòu)將發(fā)生塑性變形。一般情況下，齒輪傳遞的力矩越大，摩擦副之間的真實(shí)接觸面積越大，因此摩擦力隨之增大。但是，壓力并不是影響摩擦性能的唯一參數(shù)。摩擦系數(shù)的變化與接觸面內(nèi)接觸斑點(diǎn)的生成率有著密切的聯(lián)系，即嚙合區(qū)域的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。齒輪副表面在接觸摩擦中主要有三種狀態(tài):彈性、塑性和彈塑結(jié)合等。當(dāng)塑性狀態(tài)保持的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際接觸面積指數(shù)增大，宏觀表現(xiàn)為磨損。根據(jù)摩擦微凸理論可知，齒輪嚙合面發(fā)生彈性向塑性轉(zhuǎn)變時(shí)滿(mǎn)足:n

1.2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為研究液壓泵工作條件對(duì)齒輪副接觸狀態(tài)的影響，制備標(biāo)準(zhǔn)試樣并采用RTEC摩擦試驗(yàn)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和壓力條件下對(duì)試樣進(jìn)行摩擦學(xué)測(cè)試。在試驗(yàn)機(jī)內(nèi)安裝高頻往復(fù)模塊，設(shè)定采樣頻率為0．01s，摩擦基體與試樣之間的相對(duì)速率定義在5～30m/s，壓力范圍定義在1．0～3．0MPa。在單試驗(yàn)周期內(nèi)，得出摩擦系數(shù)的變化規(guī)律如圖1所示。為確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，摩擦系數(shù)的評(píng)定值采用多個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)的平均值。圖1可以看出:液壓泵齒輪副試樣在摩擦過(guò)程中的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出三個(gè)顯著不同的階段;階段1的摩擦系數(shù)急劇增大，此時(shí)摩擦逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，摩擦力隨之遞增，齒輪副微凸結(jié)構(gòu)的嚙合作用強(qiáng)烈;階段2的摩擦系數(shù)有一定的降低趨勢(shì)，摩擦力進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)，此時(shí)真實(shí)接觸面積內(nèi)的斑點(diǎn)數(shù)量增多;階段3進(jìn)入摩擦穩(wěn)定狀態(tài)，摩擦系數(shù)在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。為進(jìn)一步研究齒輪副接觸狀態(tài)的穩(wěn)定性，在摩擦系數(shù)的基礎(chǔ)上引入摩擦穩(wěn)定系數(shù)的概念。摩擦穩(wěn)定系數(shù)與摩擦系數(shù)不同，其主要用于衡量摩擦系數(shù)在不同工況條件下的波動(dòng)性。在數(shù)值量化方面，摩擦穩(wěn)定系數(shù)的單位為百分比，其數(shù)值越大，越利于液壓泵齒輪副嚙合的平順性。摩擦穩(wěn)定系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

1.3嚙合點(diǎn)相對(duì)速度對(duì)摩擦性能的影響

齒輪副嚙合點(diǎn)的相對(duì)線速度是影響摩擦熱量和摩擦系數(shù)的關(guān)鍵因素，同時(shí)為了排除壓力因素干擾，文中在不同定壓模式下測(cè)試嚙合點(diǎn)相對(duì)速度與摩擦學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，得出平均摩擦系數(shù)和摩擦穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律分別如圖2和圖3所示。圖2可以看出:嚙合壓力不會(huì)改變摩擦系數(shù)的整體變化趨勢(shì)，但是會(huì)改變摩擦系數(shù)值;當(dāng)齒輪處于高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其接觸狀態(tài)更為穩(wěn)定，摩擦系數(shù)值更小;在特定的轉(zhuǎn)速條件下，液壓泵的齒輪副更容易發(fā)生切向力的波動(dòng)，使得運(yùn)行不夠平穩(wěn)，該轉(zhuǎn)速范圍是需要避免的。圖3中可以看出:不同壓力下的摩擦穩(wěn)定系數(shù)隨相對(duì)速度的變化規(guī)律有著明顯的不同，當(dāng)接觸壓力較小時(shí)，摩擦系數(shù)的穩(wěn)定度較低，出現(xiàn)了先增大后減小的變化趨勢(shì);在最大與最小的相對(duì)轉(zhuǎn)速條件下，摩擦穩(wěn)定系數(shù)的差值低于20%，表明齒輪副的總體穩(wěn)定性較高，能夠適應(yīng)大部分工作條件。

1.4嚙合壓力對(duì)摩擦性能的影響

液壓泵在不同的功率條件下，齒輪副的嚙合壓力有著明顯的區(qū)別。嚙合壓力是影響齒輪副摩擦力的關(guān)鍵因素，也是造成齒面磨損的主要原因。同樣地，為了排除速度因素干擾，在不同定速摩擦模式下測(cè)試嚙合壓力與摩擦學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，得出平均摩擦系數(shù)和摩擦穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律分別如圖4和圖5所示。圖4可以看出:在高頻動(dòng)摩擦條件下，摩擦系數(shù)與嚙合壓力之間呈現(xiàn)出遞減變化趨勢(shì);當(dāng)齒輪副之間的嚙合壓力改變時(shí)，較低的相對(duì)速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響更為顯著，當(dāng)相對(duì)速度超過(guò)10m/s時(shí)，摩擦系數(shù)受壓力的影響顯著減小。圖5可以看出:當(dāng)嚙合點(diǎn)相對(duì)線速度達(dá)到30m/s時(shí)，摩擦穩(wěn)定系數(shù)的波動(dòng)性較大，中等相對(duì)速度條件下的摩擦穩(wěn)定性良好;在低速重載工況時(shí)，摩擦穩(wěn)定系數(shù)可達(dá)90%。通過(guò)壓力變量的摩擦學(xué)測(cè)試可知，壓力并不是影響摩擦系數(shù)的唯一因素，而且與摩擦系數(shù)之間并非單調(diào)關(guān)系，在合理的參數(shù)區(qū)間才能達(dá)到最佳的工作效果。

2齒輪副故障診斷

2.1齒輪失效機(jī)理分析

液壓泵的齒輪副發(fā)生失效的本質(zhì)原因?yàn)槟Σ?，根?jù)液壓泵工作原理可將摩擦的主要類(lèi)型分為:齒面滑動(dòng)摩擦、嚙合點(diǎn)滾動(dòng)摩擦和齒輪變形摩擦等。不同類(lèi)型的摩擦均會(huì)導(dǎo)致嚙合面的溫度升高，加劇強(qiáng)化表面的磨損量。齒輪的摩擦和磨損是無(wú)法避免的，但是根據(jù)摩擦學(xué)測(cè)試結(jié)果可知，在特定的工作條件下可有效降低摩擦系數(shù)并提升摩擦穩(wěn)定性［8］，保持良好的動(dòng)態(tài)摩擦平衡狀態(tài)［9］，可有效提升承載部件的工作壽命。在液壓泵內(nèi)，齒輪的失效形式具有多樣化，與齒輪本身的材質(zhì)、熱處理狀態(tài)和運(yùn)行工況等均密切相關(guān)。根據(jù)調(diào)研可知，液壓泵內(nèi)齒輪副的失效占所有動(dòng)力部件失效率的50%以上。當(dāng)齒輪副的制造誤差較大、裝配精度較低或不合理時(shí)，齒輪副將容易發(fā)生磨粒磨損、齒面膠合、表面刮傷、齒根裂紋、齒頂斷裂等。若要避免因這些機(jī)械故障導(dǎo)致的系統(tǒng)失效，需要定期對(duì)液壓泵進(jìn)行故障診斷、檢測(cè)和維護(hù)。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)［10］，正常工作時(shí)的振動(dòng)特性與機(jī)械故障時(shí)的信號(hào)有著顯著的區(qū)別。因此，可根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的特征去辨別不同的故障類(lèi)型［11－12］，對(duì)于液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行有著重要的保障作用。在液壓泵內(nèi)，齒輪副承載著壓力油，而油液中的介質(zhì)往往會(huì)誘發(fā)齒面的磨粒磨損問(wèn)題。根據(jù)磨損面的形貌和磨損機(jī)理，可將齒面的擦傷分為磨料磨損和腐蝕磨損兩大類(lèi)。當(dāng)齒輪發(fā)生磨粒磨損后，齒輪的齒形將發(fā)生變化并進(jìn)一步引發(fā)傳動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械振動(dòng)，增加動(dòng)載荷的負(fù)面作用，長(zhǎng)期工作后，齒面有變薄的趨勢(shì)。腐蝕磨損與磨料磨損一般同時(shí)存在，油液介質(zhì)內(nèi)的酸性物質(zhì)對(duì)齒面產(chǎn)生氧化腐蝕作用，使得表面粗糙度增大，摩擦力隨之增大，加劇了齒面強(qiáng)化表面的磨損量。

2.2振動(dòng)信號(hào)診斷

將振動(dòng)傳感器安裝至靠近齒輪軸的位置，通過(guò)便攜式振動(dòng)與動(dòng)平衡測(cè)試儀可得出低速重載下的齒面磨損和齒面斷裂的時(shí)域和頻率信號(hào)分別如圖6和圖7所示。圖6可以看出:該液壓泵外殼表面的振幅主要在527～20μm之間，振動(dòng)過(guò)程中沒(méi)出現(xiàn)強(qiáng)烈的信號(hào)調(diào)制現(xiàn)象，齒面磨損處于中等水平，沖擊性信號(hào)并不明顯。圖7可以看出:當(dāng)磨損達(dá)到一定程度發(fā)生齒面局部斷裂時(shí)，出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)極值，振幅高達(dá)160μm;不同激振頻率下的振幅有著顯著的差異，在正常工作條件下，激振頻率越高，振幅越大。齒輪副的磨損是一個(gè)逐步發(fā)展的過(guò)程，平穩(wěn)工作下的液壓泵振動(dòng)測(cè)試結(jié)果將呈現(xiàn)出周期性的波動(dòng)曲線，磨損量的大小可以從實(shí)際振幅的波動(dòng)性來(lái)進(jìn)行定性預(yù)測(cè)。一般地，當(dāng)齒輪副表面的磨損量增大到一定程度后，振幅曲線中將呈現(xiàn)出明顯的諧波偏離成分，而且振動(dòng)能量隨之增大，甚至頻譜分析中的二次諧波振幅將超過(guò)激振頻率下的最大幅值。磨損測(cè)試曲線具有較寬的脈沖特性，因此振幅的起伏特性是判定磨損量的主要參照和依據(jù)。液壓泵內(nèi)齒輪副發(fā)生斷裂失效問(wèn)題時(shí)，在測(cè)試周期內(nèi)將出現(xiàn)明顯的沖擊性振幅和噪聲，諧波間隔將減小，邊頻帶的數(shù)量明顯增多，而且幅值也會(huì)相比初始狀態(tài)有著較大的增幅。在較大沖擊能量作用下，頻譜響應(yīng)曲線呈現(xiàn)出明顯的峰值特點(diǎn)。由于齒輪與主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在軸端的測(cè)試結(jié)果具有良好的可靠性。依據(jù)振動(dòng)響應(yīng)曲線對(duì)液壓泵進(jìn)行故障診斷，能夠有效地調(diào)節(jié)工作參數(shù)，避免激振頻率與工作頻率的重疊，從而改善齒輪副的工作條件。

3結(jié)論

齒輪副是齒輪泵中容易損壞的承載元件，制造誤差、安裝誤差等在長(zhǎng)期工作后將發(fā)生集聚問(wèn)題，使得齒面在摩擦力和正壓力作用下產(chǎn)生較大磨損。文中通過(guò)摩擦學(xué)測(cè)試方法對(duì)齒輪副試樣的摩擦響應(yīng)特性進(jìn)行了研究，能夠?yàn)橐簤罕玫淖罴压ぷ鲄?shù)調(diào)節(jié)提供可靠依據(jù)。摩擦作用的負(fù)面效果為齒輪副的傳動(dòng)失效，因此需要采用先進(jìn)合理的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行診斷和維護(hù)。振動(dòng)信號(hào)作為有效的檢測(cè)信號(hào)，能夠?yàn)槌Ｒ?jiàn)的失效故障作出定性的判斷和預(yù)測(cè)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

作者:賈丹丹 單位:煙臺(tái)汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院