基于自愈化的齒輪箱常見(jiàn)故障修復(fù)?

殷 杰，何 俊，周素萍，黃 煒

（汕頭大學(xué)，廣東汕頭 515063）

基于自愈化的齒輪箱常見(jiàn)故障修復(fù)?

殷 杰，何 俊，周素萍，黃 煒

（汕頭大學(xué)，廣東汕頭 515063）

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外工程材料表面磨損、裂紋自愈合技術(shù)以及轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，將故障自愈化技術(shù)引進(jìn)到齒輪箱中，以實(shí)現(xiàn)在工作過(guò)程中齒輪箱內(nèi)零件的磨損、裂紋以及軸系不平衡的故障自修復(fù)。

齒輪箱；自愈；磨損；裂紋；不平衡

1 引 言

齒輪箱是改變轉(zhuǎn)速和傳遞動(dòng)力最常用的傳動(dòng)部件，常因磨損、裂紋、不平衡等故障而失效。雖然狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，預(yù)知維修（PDM）和智能維護(hù)（IM）等先進(jìn)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到了選擇機(jī)械設(shè)備中，但工作過(guò)程中也往往因?yàn)辇X輪箱的故障造成重大損失，甚至機(jī)毀人亡。

如何準(zhǔn)確的診斷、預(yù)測(cè)出這些故障，通過(guò)智能決策和主動(dòng)控制，使這些故障在運(yùn)行中自行消除，最終使齒輪箱實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，就變得尤為重要。

2 故障自愈機(jī)理

故障自愈是模仿生物體損傷愈合，通過(guò)物質(zhì)補(bǔ)給或能量補(bǔ)給機(jī)制，使材料的微損傷能得以自動(dòng)愈合［1］，從而消除隱患。其自愈過(guò)程如圖1所示。

圖1 機(jī)器設(shè)備的自愈原理

目前故障自愈在機(jī)械裝備系統(tǒng)上得到了廣泛應(yīng)用，其研究主要包括以下幾方面：故障自愈調(diào)控技術(shù)、自修復(fù)技術(shù)、代償技術(shù)、自防護(hù)技術(shù)和免疫技術(shù)。機(jī)器故障自愈（Fault Self－recovery Theory，F(xiàn)ST）主要是通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析可能產(chǎn)生故障的條件及預(yù)兆，采用比較判別、診斷預(yù)測(cè)、智能決策和主動(dòng)控制方法在運(yùn)行中使機(jī)械設(shè)備自行修復(fù)機(jī)器部件的損傷，從而抑制故障的產(chǎn)生［2］。

3 故障自愈化研究現(xiàn)狀

隨著智能材料研究的日益深入及自平衡技術(shù)的發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)材料磨損、裂紋、轉(zhuǎn)子不平衡等故障的自愈合，已成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。

我國(guó)從烏克蘭進(jìn)口的一種“金屬磨損自修復(fù)材料”，可在摩擦副表面形成一層具有一定硬度的摩擦改性修復(fù)膜。通過(guò)北京鐵路局用其在內(nèi)燃機(jī)車(chē)上的試驗(yàn)表明，這種材料可降低油耗，增長(zhǎng)內(nèi)燃機(jī)壽命。哈爾濱第一工具廠(chǎng)通過(guò)對(duì)麻花鉆實(shí)施金屬磨損自修復(fù)材料應(yīng)用技術(shù)，與未采取該技術(shù)的同種型號(hào)直柄麻花鉆在同等加工條件下的對(duì)比試驗(yàn)表明：采用金屬磨損自修復(fù)材料應(yīng)用技術(shù)的麻花鉆使用壽命提高了5倍以上，切削刃可保持持久鋒利［3］。

2003年趙迎祥、肖亞航等綜述了工程材料表面及內(nèi)部微裂紋自愈合技術(shù)及其機(jī)理的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，并提出了普通金屬材料使用過(guò)程中所產(chǎn)生裂紋的愈合技術(shù)和機(jī)制［4］。

Scott White等人在復(fù)合材料中放入有愈合劑的微型膠囊（1.3%的環(huán)烷酸鈷）和催化劑（1.3%的二甲胺），當(dāng)材料中出現(xiàn)裂紋時(shí)，膠囊中的愈合劑釋放出來(lái)通過(guò)纖維導(dǎo)管流到損傷區(qū)并與埋入的催化劑接觸產(chǎn)生聚合作用，將裂紋閉合［4］。

紀(jì)曉鋼通過(guò)加入少量微膠囊到復(fù)合材料的齒輪中，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微膠囊可修復(fù)齒輪中的疲勞點(diǎn)蝕裂紋等缺陷，利于延長(zhǎng)齒輪的壽命和降低成本。在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的自動(dòng)平衡方面，2008年，王仲生、陳曉理通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子不對(duì)中的故障機(jī)理進(jìn)行分析，提出了利用量子調(diào)控原理對(duì)早期不對(duì)中故障進(jìn)行自愈的方法，該方法通過(guò)外加一種力來(lái)抵消不對(duì)中力，使轉(zhuǎn)子恢復(fù)到對(duì)中位置［5］。

李忠平、劉杰中針對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生不平衡振動(dòng)問(wèn)題，提出了利用在線(xiàn)自動(dòng)平衡系統(tǒng)對(duì)其不平衡振動(dòng)進(jìn)行消除，并在實(shí)際風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子上對(duì)自動(dòng)平衡系統(tǒng)的平衡性進(jìn)行了驗(yàn)證［6］。

黃立權(quán)，王維民等提出了一種快速相位搜索算法，利用電磁裝置在特定的平面上產(chǎn)生幅值和相位可控的旋轉(zhuǎn)矢量力來(lái)補(bǔ)償轉(zhuǎn)子的不平衡旋轉(zhuǎn)矢量力，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)快速抑制單平面轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工頻振動(dòng)故障［7］。

4 齒輪箱常見(jiàn)故障的自愈

4.1 磨 損

磨損是齒輪箱中最常見(jiàn)的故障之一，在齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，軸承滾動(dòng)體和套圈之間2個(gè)相互粘合的齒輪之間的滑動(dòng)，都會(huì)引起零件接觸面的磨損；另外，齒輪箱中滲入的雜質(zhì)、電化學(xué)反應(yīng)都會(huì)造成零件的表面損傷。裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出的摩擦自修復(fù)機(jī)制主要有以下幾種：吸附自修復(fù)機(jī)制；摩擦化學(xué)自修復(fù)機(jī)制；滲透自修復(fù)機(jī)制；釉化自修復(fù)機(jī)制；納米金屬粒子自修復(fù)機(jī)制；微納米礦粉體添加劑的自修復(fù)機(jī)制［2］。

齒輪箱中軸承和齒輪的磨損自修復(fù)主要是往齒輪箱中添加具有極性元素的油溶性減摩添加劑或者非油溶性的懸浮于油中的固體微粒，在齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，擴(kuò)散到摩擦微觀(guān)表層，與齒輪或軸承的磨損表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，沉積并填平凹凸不平的磨損表面，生成具有抗磨減摩的修復(fù)膜，改善摩擦表面的潤(rùn)滑性能，阻礙相互作用的零件直接接觸而減少摩擦磨損，延長(zhǎng)使用壽命。

4.2 裂 紋

裂紋具有難發(fā)現(xiàn)、易擴(kuò)展、強(qiáng)破壞的特點(diǎn)，是旋轉(zhuǎn)機(jī)械三大故障之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)80%的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)因裂紋失效。在齒輪箱中，往往由于運(yùn)行時(shí)載荷過(guò)大、轉(zhuǎn)速過(guò)高、潤(rùn)滑不良或工作表面的交變應(yīng)力引起微觀(guān)疲勞裂紋。

針對(duì)齒輪箱中齒輪和軸承中的微觀(guān)裂紋，可采取外植型和本征型自修復(fù)材料兩種材料來(lái)實(shí)現(xiàn)裂紋的自愈合。本征型自修復(fù)是對(duì)齒輪和軸承的裂紋發(fā)生位置加熱，使裂紋內(nèi)部的原子擴(kuò)散激活能增大，依靠大分子的斷鏈結(jié)合可逆反應(yīng)能力，通過(guò)類(lèi)似于擴(kuò)散焊接的機(jī)理焊合裂紋，實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。

外置型自愈合技術(shù)通過(guò)在齒輪箱各零件中易發(fā)生裂紋的部位布置纖維導(dǎo)管或微膠囊，當(dāng)基體材料在外界作用下產(chǎn)生裂紋時(shí)，齒輪或軸承的裂紋前沿的纖維導(dǎo)管或者微膠囊受力破裂，其內(nèi)部的粘接劑在毛細(xì)作用下流出并滲入到裂紋中，與固化劑混合，發(fā)生固化反應(yīng)把裂紋面粘結(jié)起來(lái)，從而阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)裂紋自愈合。其愈合過(guò)程如圖2所示。

圖2 裂紋自修復(fù)示意圖

4.3 不平衡

不平衡是轉(zhuǎn)動(dòng)件質(zhì)量偏心造成的一種故障形式，對(duì)于大型高速齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，不平衡會(huì)引起轉(zhuǎn)子附加載荷的增加，使機(jī)器產(chǎn)生較大振動(dòng)，損耗軸承和齒輪等零件。目前，自動(dòng)平衡技術(shù)有了很大發(fā)展，主要應(yīng)用電磁技術(shù)、噴液方法和主動(dòng)控制技術(shù)，通過(guò)向轉(zhuǎn)子提供偏心力或電磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的自平衡。

由于齒輪箱中齒輪軸的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)、加工和裝配中存在誤差，轉(zhuǎn)子部件缺損，負(fù)載扭矩的波動(dòng)，軸系的扭振，電動(dòng)機(jī)的平衡情況等都會(huì)影響齒輪系統(tǒng)的平衡。電磁自愈力的平衡機(jī)構(gòu)是非接觸式，平衡力自適應(yīng)的裝置，能很好解決齒輪箱中不平衡的問(wèn)題。其主要工作原理是當(dāng)傳感器檢測(cè)到齒輪軸的不平衡力時(shí)，反饋給故障自愈調(diào)控系統(tǒng)，然后傳送指令到電磁作用力裝置產(chǎn)生電磁力來(lái)抵消轉(zhuǎn)子的不平衡產(chǎn)生的離心力，從而實(shí)現(xiàn)同頻振動(dòng)的在線(xiàn)消除。其工作示意圖如圖3所示。

圖3 電磁自愈力自動(dòng)平衡系統(tǒng)模型

5 結(jié) 論

概述工程材料表面及內(nèi)部微裂紋自愈合技術(shù)以及轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，將故障自愈合技術(shù)引入齒輪箱的故障修復(fù)中，提出利用自修復(fù)添加劑實(shí)現(xiàn)齒輪箱中裂紋、磨損等故障的自愈以及電磁自愈力自動(dòng)平衡來(lái)調(diào)節(jié)齒輪和軸系不平衡狀態(tài)的原理和方法，它可避免因故障停機(jī)引起的經(jīng)濟(jì)損失，延長(zhǎng)機(jī)器的穩(wěn)定運(yùn)行周期，具有很好的工程應(yīng)用前景。

［1］ 章明秋，榮敏智.結(jié)構(gòu)用自修復(fù)型高分子材料的的制備［J］.高分子學(xué)報(bào)，2012（11）：1183－1199.

［2］ 高金吉.機(jī)器故障診斷與自愈化［M］.北京：高等教育出版社，2012.

［3］ 董偉達(dá).工程機(jī)械減摩自修復(fù)材料技術(shù)［J］.機(jī)械工程師，2003（4）：3－6.

［4］ 趙迎祥，肖亞航.工程材料微裂紋自愈合技術(shù)及其機(jī)理［J］.熱加工工藝，2003（4）：44－45.

［5］ 王仲生，陳曉理.轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障自愈系統(tǒng)設(shè)計(jì)［A］.第27屆中國(guó)控制工程會(huì)議輯［C］.北京，2008.

［6］ 李忠平，劉杰中.旋轉(zhuǎn)機(jī)械不平衡故障自愈調(diào)控方法研究［J］.狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)，2010（2）：56－57.

［7］ 黃立權(quán)，王維民.基于電磁自愈力的轉(zhuǎn)子快速自動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)［J］.振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2011（31）：704－708.

Common Fault of the Gearbox and its Recovery Based on Self－h(huán)ealing

YIN Jie，HE Jun，ZHOU Su－ping，HUANG Wei
（Shantou University，Shantou Guangdong 515063，China）

Through the research on current status and progresses of the self－h(huán)ealing technologies of engineering material sur?face abrasion and crack and the automatic balance system of the rotor，the self－recovery theory is introduced into the gearbox，it can make the fault recovered by itself such as abrasion，crack and imbalance of the shaft system in gearbox.

gearbox；self－h(huán)ealing；abrasion；crack；imbalance

TH12

B

1007－4414（2013）04－0167－02

2013－06－16

殷 杰（1988－），男，湖南益陽(yáng)人，在讀碩士，研究方向：齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)。