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齿轮齿根的裂纹检测

摘要
齿轮轮齿根部的裂纹是一种最严重的失效形式，它往往引起齿轮机构运动失效。轮齿潜在的损伤情况可以通过检测齿轮机构的振动来获得。关于这一点，在随机信号分析中已作了介绍。通过进行实验可以获得信号。在轮齿根部产生的裂纹将导致轮齿刚度发生显著的变化。因此，与一个完整的轮齿比，其所产生的动态响应是不同的。通过对频率的分析，振幅可以用频率和时间的函数关系来进行描述。

关键词：齿轮；裂纹；振动；信号分析

1.引言
维修的目的是确保机械系统（齿轮组）可以在一个最合适的工作环境中良好运行；它的目标是通过预见，诊断并发现问题，以防止和消除损害。现代维修的目的，不仅仅是消除故障，而且还要界定出那种潜在的能突然使系统运动失效的危险故障。诊断就是界定出当前工作环境中系统损害的位置，形状以及造成破坏的原因。下面的诊断就是界定那些因不同的信号，条件及其他间接因素造成损害而不能正常运行情况。损害形式是通过与完整齿轮的偏差来确定的。

2.裂纹的形成和仿真
将激励直接作用于齿轮的啮合区域是造成以下损害的内部因素：开始啮合时，在激励作用下，由于轮齿的刚度及轴和轴承的几何偏差的影响，都将造成轮齿的变形。疲劳裂纹在轮齿根部的扩展，将显著的改变轮齿的刚度；与完整的轮齿比，其动态响应也不同。将两不同的小齿轮在专用的机械动态实验机上测试，从而形成裂纹。这两条裂纹的深度分别为4.5mm和1.1mm，如图1。
用动态测试（合适的载荷以和载荷作用周期以便获得预期的裂纹宽度）的方式获取参数从而确定有限元法（FEM）。有限元法的目的就是分析出实际生产中的疲劳裂纹。该模型由Glodezetal.提出并运用。这种模式可以随时监控齿轮组在运行中产生的裂纹尺寸。该模型的结论，可以通过有限元法确定有关裂纹长度所必需的周期数。
为了精确计算出齿轮的实际寿命，齿轮的参数如表1所示。齿轮的材料是高强度合金钢16MnCr5 (0.16% C, 1.15% Mn, 1.15% Cr, 0.25% Si)，弹性模量为 ，泊松比为 。齿轮材料热处理如下：火焰加热 ，2分钟；油冷3分钟；自由锻， ，2小时。