本發(fā)明涉及一種齒輪的毛刺、劃痕、磕碰傷和微裂紋的快速檢測方法，屬于檢測技術與儀器、機械傳動技術領域。

背景技術：

齒輪產(chǎn)品包括各種齒輪及由齒輪組成的各種減速器、增速器、車輛變速器和后橋、齒輪泵等傳遞運動、動力或輸送介質的機械部件和裝置，是機械裝備的重要基礎件，這些基礎件的性能和可靠性決定了機械裝備的性能和可靠性。隨著齒輪傳動技術向高速、重載、高精度的方向發(fā)展，對其缺陷檢測提出了愈來愈高的要求，對齒輪傳動的強度和振動的要求更加嚴格。

目前對齒輪缺陷的檢測手段主要有視覺檢測法、超聲檢測法、射線檢測法和滾動檢查法等，每種方法的檢測能力、檢測指標和檢測范圍也不一樣。超聲檢測法和射線檢測法，主要應用于檢測齒輪內部較大的缺陷，并且該方法極易受到生產(chǎn)現(xiàn)場復雜工作環(huán)境的影響。射線檢測法，往往會產(chǎn)生對人體有害的輻射，不是一種環(huán)保的檢測方法。圖像、機器視覺檢測法主要應用于齒輪表面缺陷及一些齒輪幾何參數(shù)的檢測，但齒輪的材質、光源和ccd等多種因素制約了其檢測精度，并且當圖像較大時，處理速度慢。單面嚙合滾動檢查法主要用于檢查齒輪的傳動誤差、振動噪聲，進而發(fā)現(xiàn)齒輪的一些缺陷，典型的錐齒輪振動噪聲檢查機就可以綜合檢測齒輪的傳動誤差、接觸斑點和振動噪聲等。雖然振動信號能夠清晰準確地反映旋轉部件的運轉狀態(tài)，使得實測振動響應信號包含信息豐富、故障信號易獲得，但當振動特征微弱時，噪聲干擾強烈且復雜多變，單一地采用某一種固定不變的去噪方法難以達到良好的去噪效果，需要在振動信號處理方面想盡各種方法來獲取相應的振動特征量。

齒輪缺陷的快速檢測一直以來都是齒輪檢測的難題，尤其是微小裂紋的檢測，目前尚無有效的解決辦法和成熟的技術。齒面失效的根本原因是微裂紋，齒面微小凸包對齒面微觀裂紋的形成有著密切關系。由于齒輪的微裂紋未能及時發(fā)現(xiàn)而釀成設備事故，帶來巨大的經(jīng)濟損失的事例屢見不鮮。例如，在汽車變速制造過程中經(jīng)常出現(xiàn)單個齒輪的精度指標檢測合格，安裝到變速器中就會出現(xiàn)振動值超標，終檢不過的情況。齒輪的微小裂紋未能及早發(fā)現(xiàn)是造成這種情況的主要原因，終檢不合格再返修，費時費力，造成巨大的經(jīng)濟損失。我國齒輪生產(chǎn)廠家為降低齒輪生產(chǎn)的成本，提高經(jīng)濟效益，多采用國產(chǎn)鋼材，所生產(chǎn)的齒輪內部容易出現(xiàn)裂紋、夾雜、氣孔等缺陷。研究一種適用于齒輪裝配到傳動部件前就能有效檢測出齒輪的缺陷，尤其是齒輪的微裂紋的檢測方法及裝置設備，就可以避免齒輪傳動產(chǎn)品因發(fā)生故障造成的巨大經(jīng)濟損失，對提高齒輪產(chǎn)品的性能和可靠具有重要的應用價值。

因此，為了提高齒輪產(chǎn)品的性能和可靠性，急需研究齒輪缺陷檢測方法，對影響齒輪傳動的齒輪的毛刺、劃痕、磕碰傷、裂紋等進行檢測。

技術實現(xiàn)要素：

為了實現(xiàn)齒輪缺陷快速檢測，本發(fā)明提供了結構調諧共振的方法和結構調諧共振的齒輪缺陷快速檢測方法及檢測裝置，可以快速實現(xiàn)結構調諧共振，可以模擬運行工況，可以快速檢測齒輪的毛刺、劃痕、磕碰傷和微裂紋。

結構調諧共振是通過模態(tài)頻率測量系統(tǒng)獲知檢測裝置的固有頻率及模態(tài)振型，利用結構模態(tài)頻率調整系統(tǒng)和工況調整系統(tǒng)調整檢測裝置的固有頻率及其諧波頻率與被檢測組件(零件)裝置的轉頻及其諧波頻率相一致，從而使結構產(chǎn)生共振。模態(tài)頻率測量系統(tǒng)的由測量硬件振動傳感器和模態(tài)頻率數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)組成；結構模態(tài)頻率調整系統(tǒng)由主動端、被動端和床身底座等機械本體結構組成；工況調整系統(tǒng)由驅動裝置、主、被端扭矩測量裝置和加載裝置組成。結構調諧共振的方法，該方法包括：s1利用安裝在檢測裝置機械本體結構上的傳感器(至少一個)，通過模態(tài)分析技術獲得檢測系統(tǒng)的模態(tài)頻率及其諧波頻率；s2通過結構模態(tài)頻率調整系統(tǒng)改變檢測裝置的本征模態(tài)頻率及其諧波頻率，使檢測裝置的本征模態(tài)頻率及其諧波頻率與被檢測組件(零件)所處實際工作系統(tǒng)(環(huán)境)的本征模態(tài)頻率或其諧波頻率相近或一致；s3通過工況調整系統(tǒng)改變檢測裝置的運行工況，使被檢測組件(零件)的轉頻及其諧波頻率與檢測裝置的本征模態(tài)頻率或諧波頻率相近或一致，從而產(chǎn)生共振。

結構調諧共振的齒輪缺陷快速檢測方法，該方法包括：s1利用安裝在檢測裝置殼體上的傳感器(至少一個)，通過模態(tài)分析技術獲得檢測系統(tǒng)的模態(tài)頻率，通過改變檢測裝置的機械系統(tǒng)結構，改變其本征模態(tài)頻率及其諧波頻率，逼近被檢測齒輪所處實際工作系統(tǒng)的模態(tài)頻率，使檢測在模擬的真實工況下進行；s2通過改變檢測機的運行轉速，是被檢測齒輪的嚙合頻率及其諧波頻率與檢測裝置的本征模態(tài)頻率或諧波頻率相近或一致，從而產(chǎn)生共振。

一種結構調諧共振的齒輪缺陷檢測裝置如圖1所示，該檢測裝置由第一導軌鎖(1)、被動端扭矩測量裝置(2)、絲杠座(3)、被動端手輪(4)、絲杠(5)、被動端手輪箱(6)、第二導軌鎖(7)、被動端箱體(8)、驅動裝置(9)、絲杠(10)、聯(lián)軸器(11)、主動端扭矩測量裝置(12)、主動端箱體(13)、齒輪安裝軸(14)、齒輪(15)、x軸導軌(16)、齒輪脹套(17)、床身底座(18)、y軸導軌(19)、絲杠座后座(20)、長光柵(21)、加載裝置(22)、精密軸系(23)和振動傳感器(24)組成，該檢測裝置分為實驗機基座調節(jié)平臺、主動端和被動端三大部分。

主動端采用驅動裝置(9)作為整個實驗機的動力源，該裝置最高轉速可達3000r/min,最大輸入扭矩為100n.m，既可以滿足低轉速高扭矩的測量要求又可以滿足低扭矩高轉速的測量要求。驅動裝置(9)懸掛于主動端箱體(13)的末端，驅動裝置(9)和主動端箱體(13)采用止口定位進行裝配，保證軸系的同軸度，驅動裝置(9)和主動端箱體(13)之間采用八個螺釘連接以保證連接強度。驅動裝置(9)經(jīng)聯(lián)軸器(11)將動力傳輸?shù)街鲃佣伺ぞ販y量裝置(12)，聯(lián)軸器(11)與主動端扭矩測量裝置(12)和驅動裝置(9)之間的聯(lián)接采用螺紋驅動脹緊方式，方便調整與檢修。精密軸系(23)通過小錐度外筒并采用螺釘壓緊，從主動端箱體(13)前端裝入，精密軸系(23)與主動端扭矩測量裝置(12)之間采用止口定位螺紋連接，既保證精密軸系(23)與主動端箱體(13)的配合精度及連接強度，又保證主動端扭矩測量裝置(12)與軸系的同軸度及動力同步，避免軸系跳動和動力遲滯對檢測結果的影響。精密軸系前端的齒輪安裝軸(14)，采用短錐軸導向，螺紋固接的方式安裝在精密軸系前端，齒輪(15)通過齒輪脹套(17)安裝在齒輪安裝軸(14)上。

被動端采用加載裝置(22)作為整個實驗機的加載動力源，該裝置通過電流調節(jié)的方式進行加載扭矩大小的調節(jié)，最大加載扭矩400n.m，既可以滿足一般正常工況的齒輪加載測試的要求。加載裝置(22)懸掛于被動端箱體(8)的末端，驅動裝置(9)和被動端箱體(8)采用止口定位進行裝配，保證軸系的同軸度，驅動裝置(9)和被動端箱體(8)之間采用八個螺釘連接以保證連接強度。加載裝置(22)經(jīng)聯(lián)軸器(11)將負載傳輸?shù)奖粍佣伺ぞ販y量裝置(2)上，避免加載力的波動影響檢測結果的精度。聯(lián)軸器(11)與被動端扭矩測量裝置(2)之間的聯(lián)接采用螺紋驅動脹緊的方式，方便調整與檢修。精密軸系(23)通過小錐度的外筒，采用螺釘從的壓緊的方式，從被動端箱體(8)前端裝入，精密軸系(23)與被動端扭矩測量裝置(2)之間采用止口定位螺紋連接的方式，既保證精密軸系(23)與被動端箱體(8)的配合精度及連接強度，又保證被動端扭矩測量裝置(2)與軸系的同軸度及負載同步，避免軸系跳動和負載波動遲滯對檢測結果的影響。精密軸系前端的齒輪安裝結構與主動端的齒輪安裝結構相同。

實驗機基座調節(jié)平臺的床身底座(18)為鑄造成型的箱體結構，在床身底座(18)的主動端通過螺紋連接裝有手輪和手輪箱，手輪和手輪箱連接以調節(jié)主動端的行程。x軸導軌(16)通過螺紋連接，壓塊壓緊的方式安裝在床身底座(18)上，保證主動移動的平穩(wěn)性及定位精度。x軸的兩條導軌(16)上通過螺紋連接分別裝有第一導軌鎖(1)、第二導軌鎖(7)，當x軸行程滿足要求時，第一導軌鎖(1)、第二導軌鎖(7)用以鎖定主動端的移動。絲杠座后座(20)和絲杠座(3)通過螺釘直接固結在床身底座(18)上，絲杠(5)架在絲杠座后座(20)和絲杠座(3)之間，絲杠(5)的末端穿過手輪箱。在床身底座(18)的前面通過螺栓將被動端手輪箱(6)固連在床身底座(18)上，通過螺紋連接配合導向鍵定位的方式，將被動端手輪(4)安裝在被動端手輪箱(6)上。y軸導軌(19)通過螺紋連接和壓塊壓緊的方式安裝在床身底座(18)上，以保證主動移動的平穩(wěn)性及定位精度。在床身底座(18)的y軸導軌(19)附近安裝有長光柵(21)，精度空中心距的調整。

主動端通過導軌滑塊安裝在x軸導軌(16)上；被動端通過導軌滑塊，采用螺紋連接的方式，安裝在y軸導軌(19)上。加載裝置(22)改變施加載荷的大小，主動端扭矩測量裝置(12)和被動端扭矩測量裝置(2)組成加載扭矩是否滿足要求的監(jiān)測系統(tǒng)。驅動裝置(9)通過plc與伺服控制組成的控制系統(tǒng)進行轉速調節(jié)，滿足任意檢測要求。振動傳感器(23)獲取結構調諧共振下的齒輪缺陷的振動加速度信號。

利用結構調諧共振的齒輪缺陷檢測方法將被檢測齒輪安裝于齒輪缺陷檢測裝置上，在結構調諧共振的條件下，通過振動傳感器獲取齒輪缺陷的振動信號，經(jīng)過信號處理的獲得振動信號的特征值，綜合比對缺陷特征樣本，最終分析出可能的缺陷類型及其程度。其實現(xiàn)方法是：通過加載裝置改變加載載荷的大小，利用主動端扭矩測量裝置和被動端扭矩測量裝置監(jiān)測加載扭矩是否滿足要求，通過驅動裝置改變檢測轉速并監(jiān)測轉速是否滿足要求，使齒輪缺陷檢測處于最佳檢測條件。最終通過在數(shù)據(jù)采集軟件中設置采樣頻率、采樣時間、采樣方式、傳感器的靈敏度和濾波放大器的相關參數(shù)等，獲得檢測齒輪的振動信號。通過對信號在時頻域的分析處理，采用相應的齒輪缺陷識別算法可以確定齒輪缺陷的類型及其嚴重程度。

利用結構調諧共振的齒輪缺陷檢測裝置，采用結構調諧共振方法的齒輪缺陷的快速檢測方法的實施方法如下：

1)、了解被檢測齒輪實際工作所在的齒輪傳動裝置的結構形式特點，利用實驗模態(tài)技術獲取該傳動裝置的模態(tài)頻率及模態(tài)特征，確定齒輪異常頻率及其各階諧波頻率；

2)、利用安裝在檢測裝置底座及其他殼體上的傳感器(至少一個)，通過模態(tài)分析技術獲得檢測系統(tǒng)的模態(tài)頻率。通過改變檢測裝置的機械系統(tǒng)結構，改變其本征模態(tài)頻率及其諧波頻率，逼近被檢測齒輪所處實際工作系統(tǒng)的模態(tài)頻率；

3)、通過齒輪脹套將標準齒輪安裝在齒輪安裝軸上，將被測齒輪安裝在被動端。分別通過手輪驅動絲杠推動主動端和被動端移動，使標準齒輪和被測齒輪組成的齒輪副在公稱中心距下作單面嚙合。

4)、開啟結構調諧共振的齒輪缺陷檢測裝置，按照要求輸入被測齒輪、標準準齒輪和運行工況參數(shù)。通過絲杠-導軌移動平臺調整中心距，利用長光柵檢測中心距是否滿足要求；通過加載裝置改變加載載荷的大小，利用主動端扭矩測量裝置和被動端扭矩測量裝置監(jiān)測加載扭矩是否滿足要求；通過plc控制油泵的開啟及油量的大小，并監(jiān)測潤滑是否滿足要求；通過驅動裝置改變檢測轉速并監(jiān)測轉速是否滿足要求，使齒輪缺陷檢測處于最佳檢測條件。在分別調整中心距、載荷、潤滑和轉速滿足齒輪缺陷檢測的要求后，按照檢測機的運行流程操作；

5)、在數(shù)據(jù)采集軟件中設置采樣頻率、采樣時間、采樣方式、傳感器的靈敏度和濾波放大器的相關參數(shù)等后，利用安裝在主被軸靠近齒輪的主軸前端的振動傳感器在結構調諧共振的條件下，獲取被測齒輪缺陷的振動信號；

6)、通過對信號在時頻域的分析處理，獲得振動信號的特征值，綜合比對缺陷特征樣本，最終分析出可能的缺陷類型及其程度。

本發(fā)明與以往的齒輪缺陷檢測方法的顯著優(yōu)點在于：

通常在齒輪傳動系統(tǒng)的設計與應用過程中，要求避開齒輪的共振區(qū)域，本發(fā)明項目創(chuàng)新性的應用共振對齒輪微小缺陷引起的微弱振動信號的放大作用，提出了齒輪缺陷調諧共振的齒輪缺陷快速檢測技術，在調諧共振條件下，被檢測齒輪與標準齒輪單面滾動嚙合，通過分析處理加速傳感器采集到的被檢測齒輪的振動信號，探測到過去以精度檢測為主的檢測手段所不能發(fā)現(xiàn)的齒輪缺陷，特別是微小裂紋。本項目所研究的檢測系統(tǒng)不僅能用于生產(chǎn)現(xiàn)場齒輪缺陷的快速檢測，還可用于nvh性能檢測及診斷故障齒輪箱的故障。

附圖說明

圖1為一種用于結構調諧共振的齒輪缺陷檢測裝置。

圖2為結構調諧共振檢測裝置剖視圖。

圖3為齒輪缺陷的振動信號處理流程。

圖4結構調諧共振的齒輪缺陷檢測裝置運行流程。

圖5為結構調諧共振齒輪缺陷檢測流程。

圖中標記：1-導軌鎖，2-被動端扭矩測量裝置，3-絲杠座，4-被動端手輪，5-絲杠，6-被動端手輪箱，7-導軌鎖8-被動端箱體，9-驅動裝置，10-絲杠，11-聯(lián)軸器，12-主動端扭矩測量裝置，13-主動端箱體，14-齒輪安裝軸，15-齒輪，16-x軸導軌，17-齒輪脹套，18-床身底座，19-y軸導軌，20-絲杠座后座，21-長光柵，22-加載裝置，23-精密軸系，24-振動傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施方式，凡基于本發(fā)明內容所實現(xiàn)的技術均屬于本發(fā)明的范圍。

如圖4所示結構調諧共振齒輪缺陷檢測流程，結構調諧共振的齒輪缺陷檢測的實施方步驟如下：

1)、確定某被檢測齒輪實際工作所在的齒輪傳動裝置的結構形式特點，利用實驗模態(tài)技術獲取該傳動裝置的模態(tài)頻率及模態(tài)特征，確定齒輪異常頻率及其各階諧波頻率；

2)、利用安裝在檢測裝置底座及其他殼體上的傳感器(至少一個)，通過模態(tài)分析技術獲得檢測系統(tǒng)的模態(tài)頻率。通過改變檢測裝置的機械系統(tǒng)結構，改變其本征模態(tài)頻率及其諧波頻率，逼近被檢測齒輪所處實際工作系統(tǒng)的模態(tài)頻率；

3)、通過齒輪脹套將標準齒輪安裝在齒輪安裝軸上，將被測齒輪安裝在被動端。分別通過手輪驅動絲杠推動主動端和被動端移動，使標準齒輪和被測齒輪組成的齒輪副在公稱中心距下作單面嚙合。

4)、開啟結構調諧共振的齒輪缺陷檢測裝置，按照要求輸入被測齒輪、標準準齒輪和運行工況參數(shù)。通過絲杠-導軌移動平臺調整中心距，利用長光柵檢測中心距是否滿足要求；通過加載裝置改變加載載荷的大小，利用主動端扭矩測量裝置和被動端扭矩測量裝置監(jiān)測加載扭矩是否滿足要求；通過plc控制油泵的開啟及油量的大小，并監(jiān)測潤滑是否滿足要求；通過驅動裝置改變檢測轉速并監(jiān)測轉速是否滿足要求，使齒輪缺陷檢測處于最佳檢測條件。在分別調整中心距、載荷、潤滑和轉速滿足齒輪缺陷檢測的要求后，按照圖5所示的結構調諧共振的齒輪缺陷檢測裝置運行流程進行齒輪缺陷檢測。

5)、在數(shù)據(jù)采集軟件中設置采樣頻率、采樣時間、采樣方式、傳感器的靈敏度和濾波放大器的相關參數(shù)等后，齒輪缺陷的振動信號處理流程圖3所示。利用安裝在主被軸靠近齒輪的主軸前端的振動傳感器在結構調諧共振的條件下，獲得如圖6所示的缺陷檢測的加速度信號，采集獲得的加速信號的總點數(shù)記為n，n取正整數(shù)，第i時刻的信號值記為xi(t)，i＝1,2,3..n.；6)、通過對信號在時頻域的分析處理，提取平均值、均方值和峭度作為評價齒輪缺陷的。平均值x是信號的一階矩統(tǒng)計平均，用于描述信號的穩(wěn)定分量，是機械振動的平衡點位置。

均方值是信號的二階矩統(tǒng)計平均，與有效值均用于描述振動信號的能量，常用于判別運轉狀態(tài)是否正常。

其中xrms為有效值，又稱均方根值。

峭度cq是信號的四階矩平均，常用于表征機械的運動狀況中存在沖擊性振動。其指標對信號中的沖擊特征很敏感，正常值在3左右，如果接近4或超過4，則說明機械的運動狀況中存在沖擊性振動，間隙過大、滑動副表面存在破碎是主要原因。

通過綜合比較獲得振動信號的特征值與缺陷特征樣本值，最終分析出可能的缺陷類型及其程度。