CN112035779B - 齿轮的剩余寿命评判方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及齿轮技术领域,尤其是涉及一种齿轮的剩余寿命评判方法,包括如下步骤:获取多个判废齿轮,测量判废齿轮的磨损量以及判别出判废齿轮的受力形式,根据判废齿轮的磨损量以及受力形式对多个判废齿轮进行分类,在每一分类下抽取多个判废齿轮作为试验齿轮,并且确定每一分类下的判废齿轮的寿命影响因子;将每一分类下的试验齿轮分别进行齿轮疲劳强度试验,并记载截止至试验齿轮失效时试验齿轮的剩余寿命;计算得出每一分类下的试验齿轮的剩余寿命与剩余寿命影响因子之间的函数关系式。通过本方法对不同分类的齿轮分别建立起计算齿轮的剩余寿命的经验公式,在实际生产中依据经验公式可快速、直观、方便以及有效地获取齿轮的剩余寿命。
Description
技术领域
本申请涉及齿轮技术领域,尤其是涉及一种齿轮的剩余寿命评判方法。
背景技术
目前,大部分退役被判废的齿轮的齿面检测并无损坏,磨损程度一般也较轻,根据齿轮疲劳强度方面的研究结果及相应的经验认为,这些齿轮应该是可以继续使用的,但苦于目前国内外无相关标准或评定方法可以对这些已有一定使用程度的齿轮的剩余寿命进行准确地估,不能判断这些齿轮到底能够使用多久、会不会造成停产,为避免使用不当造成失效后导致其他齿轮、轴承损坏及停产的风险而不得不放弃使用,造成了极大的资源浪费和高额的维修、配件费用。
发明内容
本申请的目的在于提供一种齿轮的剩余寿命评判方法,在一定程度上解决了现有技术中存在的缺乏对齿轮剩余寿命的评定方法的技术问题。
本申请提供了一种齿轮的剩余寿命评判方法,包括如下步骤:
步骤100、获取多个判废齿轮,测量所述判废齿轮的磨损量以及判别出所述判废齿轮的受力形式,根据所述判废齿轮的磨损量以及受力形式对多个所述判废齿轮进行分类,在每一分类下抽取多个所述判废齿轮作为试验齿轮,并且确定每一分类下的所述判废齿轮的寿命影响因子;
步骤200、将每一分类下的所述试验齿轮分别进行齿轮疲劳强度试验,并记载截止至所述试验齿轮失效时所述试验齿轮的剩余寿命;
步骤300、计算得出每一分类下的试验齿轮的剩余寿命与剩余寿命影响因子之间的函数关系式。
在上述技术方案中,进一步地,所述步骤100包括:获取多个判废齿轮并且测量所述判废齿轮的磨损量,根据所述判废齿轮的磨损量对判废齿轮进行分类,再将磨损量相同的多个所述判废齿轮按照受力形式进行二次分类,并且确定每一分类下的所述判废齿轮的寿命影响因子以及在每一分类下抽取多个所述判废齿轮作为试验齿轮。
在上述任一技术方案中,进一步地,对多个所述判废齿轮按照轴齿轮、单向受力齿轮以及双向受力齿轮进行二次分类。
其中,Ft-齿轮的端面内分度圆上的名义切向力(N),m-齿轮模数(mm),b-齿轮的工作齿宽(mm)。
在上述任一技术方案中,进一步地,对试验数据进行线性最小二乘法拟合,拟合出分布函数曲线,并确定曲线表达式作为剩余寿命与剩余寿命影响因子之间的函数关系式。
在上述任一技术方案中,进一步地,所述步骤200中判别所述试验齿轮失效的依据包括:
将M值与预设值进行比较,当M值大于或者等于预设值时,判定所述判废齿轮失效。
在上述任一技术方案中,进一步地,所述步骤200中判别所述试验齿轮失效的依据还包括:
齿面点蚀失效判据;和/或
齿面剥落失效判据;和/或
齿面胶合失效判据;和/或
轮齿塑变失效判据;和/或
折断、裂纹失效的判据。
在上述任一技术方案中,进一步地,采用机械功率流全封闭型齿轮试验装置对所述试验齿轮进行疲劳强度试验。
在上述任一技术方案中,进一步地,所述齿轮的剩余寿命评判方法还包括如下步骤:将根据分类信息以及剩余寿命与剩余寿命影响因子之间的函数关系式建立数据库;
所述齿轮的剩余寿命评判方法还包括如下步骤:对已经给出剩余寿命判定结果的试验齿轮,进行有选择的实际应用并进行跟踪,而后根据使用情况,对所述数据库的数据进行及时的修正与完善。
在上述任一技术方案中,进一步地,在所述步骤100中,所述获取多个判废齿轮之后,测量所述判废齿轮的磨损量以及判别出所述判废齿轮的受力形式之前还包括如下步骤:对所述判废齿轮进行清理,而后对所述判废齿轮是否出现裂纹进行检测,并且选取其中没有出现裂纹的所述判废齿轮进行后期的评判。
与现有技术相比,本申请的有益效果为:
通过本申请提供的齿轮的剩余寿命评判方法,对不同分类的齿轮分别建立起计算齿轮的剩余寿命的经验公式,在实际生产中依据经验公式可快速、直观、方便以及有效地获取齿轮的剩余寿命,即可对齿轮的后期使用以及再制造做出相应的指导,此外,也避免了齿轮的随意判废而造成的浪费,有效节约了成本,减少了相关费用,即使经过本方法判别后的齿轮继续可靠地使用,最终延长至少一倍的使用寿命,一定幅度上减少更换齿轮的数量,降低修理经成本。此外,本方法采用将齿轮进行有效、科学地分类,既避免了无头绪的过多试验,而且便于后期的统计。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本申请的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的齿轮的剩余寿命评判方法的流程示意图;
图2为本申请实施例提供的齿轮的剩余寿命评判方法的又一流程示意图;
图3为本申请实施例提供的机械功率流全封闭型齿轮试验装置的结构示意图。
附图标记:
1-试验齿轮箱,2-陪试齿轮箱,3-电动机,4-弹性联轴节,5-动态加载装置,6-刚性联轴节,7-弹性扭力轴,8-控制柜,9-二次仪表,10-转矩及转速传感器,11-热电偶,12-油温指示器,13-涡轮减速器,14-机械计数器,15-封闭功率流向件。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。
基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面参照图1至图3描述根据本申请一些实施例所述的齿轮的剩余寿命评判方法。
参见图1所示,本申请的实施例提供了一种齿轮的剩余寿命评判方法,包括:
步骤100、获取多个判废齿轮,测量判废齿轮的磨损量以及判别出判废齿轮的受力形式,根据判废齿轮的磨损量以及受力形式对多个判废齿轮进行分类,在每一分类下抽取多个判废齿轮作为试验齿轮,并且确定每一分类下的判废齿轮的寿命影响因子;
步骤200、将每一分类下的试验齿轮分别进行齿轮疲劳强度试验,并记载截止至试验齿轮失效时试验齿轮的剩余寿命;
步骤300、计算得出每一分类下的试验齿轮的剩余寿命与剩余寿命影响因子之间的函数关系式。
通过上述方法,对不同分类的齿轮分别建立起计算齿轮的剩余寿命的经验公式,在实际生产中依据经验公式可快速、直观、方便以及有效地获取齿轮的剩余寿命,即可对齿轮的后期使用以及再制造做出相应的指导,此外,也避免了齿轮的随意判废而造成的浪费,有效节约了成本,减少了相关费用,即经过本方法判别后具有剩余寿命的齿轮能够继续可靠地使用,最终延长至少一倍的使用寿命,一定幅度上减少更换齿轮的数量,降低修理经成本。
此外,本方法采用将齿轮进行有效、科学地分类,既避免了无头绪的过多试验,而且便于后期的统计。
在该实施例中,优选地,步骤100包括:获取多个判废齿轮并且测量判废齿轮的磨损量,根据判废齿轮的磨损量对判废齿轮进行分类,再将磨损量相同的多个判废齿轮按照受力形式进行二次分类,并且确定每一分类下的判废齿轮的寿命影响因子以及在每一分类下抽取多个判废齿轮作为试验齿轮。此处注意,在本步骤中,获取多个判废齿轮之后,测量判废齿轮的磨损量以及判别出判废齿轮的受力形式之前还包括如下步骤:对判废齿轮进行清理,而后对判废齿轮是否出现裂纹进行检测,并且选取其中没有出现裂纹的判废齿轮进行后期的评判。之所以要做好此前期的准备工作,是因为一旦齿轮出现裂纹,那么后期裂纹的扩展规律极其难掌握,存在较大的安全风险,因而对于出现裂纹的齿轮不适宜采用本方法进行使用寿命的评判。其中,可采用超声波探伤方法检测内部缺陷,也可采用超声波和渗透两者结合的方法检查齿面裂纹状态。
因判废齿轮的种类繁多,数量庞大,对其一一进行疲劳试验是不现实的,也是不科学的。因此,试验前针对某一特定领域的某类齿轮,如航天齿轮、海工齿轮、煤炭设备齿轮,进行科学分类,更加符合齿轮的实际状态,有助于科学、准确地评估其剩余寿命。
硬齿面齿轮的主要失效形式是齿面疲劳点蚀或因齿根裂纹的疲劳扩展导致的轮齿崩裂及断齿,而该类齿轮的剩余寿命主要取决于齿面或齿根表面裂纹发展程度。齿面磨损虽然与齿面疲劳点蚀和齿根裂纹的疲劳扩展无直接因果关系,但由于都是和使用时间直接相关的,因此认为齿面的磨损量是和其剩余寿命是直接相关的。在齿轮工作的稳定磨损阶段,齿面磨损量反映了齿面疲劳点蚀和齿根裂纹的疲劳扩展程度。因此将磨损量M作为划分的首要指标,根据该类齿轮的磨损量大小,对其进行分类。
此外,由于不同的齿轮的受力形式也不同,因而在判废齿轮的齿面磨损量相同的情况下,需要按照受力形式对多个判废齿轮进行二次分类,这样使得最后的统计结果更加科学、准确以及合理。
其中,优选地,对多个判废齿轮按照轴齿轮、单向受力齿轮以及双向受力齿轮进行二次分类。
其中,优选地,关于抽样的具体操作如下:针对上述分好类别的判废齿轮进行抽样,例如对于同一分类的判废齿轮分5次进行抽取试样,假设同一分类下的判废齿轮的总数为600件,将其分为四组,每组数量为150件,分别编号为000~599,第一组随机抽取1件,记录其编号为Ni,其后抽取第二组的Ni+150号,随后抽取第三组的Ni+300号,最后抽取第四组的Ni+450号,抽出4件齿轮进行试验。
其中,优选地,轮齿疲劳强度主要取决于相啮合齿面的接触应力、齿根弯曲应力和应力循环次数。应力循环次数决定于齿轮啮合的转速和运转时间,可以通过计算进行转化,因此,影响齿轮齿面疲劳的关键因素即为啮合齿面的单位面积上的受力。其数学表达式如下:
根据《齿轮手册》、《机械设计手册》,齿轮齿面接触强度计算公式如表一所示。
表一齿面接触强度计算公式
其中,KA-使用系数;KV-动载系数;KHβ-接触强度计算的齿向载荷分布系数;KHα-接触强度计算的齿间载荷分配系数,ZB为小轮单对齿啮合系数,ZD为大轮单对齿啮合系数。
由表一可以看出,公式中存在大量修正系数,用来对依据标准齿轮疲劳试验得到的经验公式进行修正,以期得到较为精确的计算应力进行疲劳强度校核。基于我们目前的应用,对公式进行简化后得到:其中,Ft-齿轮的端面内分度圆上的名义切向力(N),m-齿轮模数(mm),b-齿轮的工作齿宽(mm),u-齿数比,Z1-小齿轮的齿数,K1=ZHZEZεZβ,ZH为节点区域系数,ZE为弹性系数Zε为重合度系数,Zβ为螺旋角度系数,d1为小齿轮分度圆直径(mm),且d1=mb。
因只考虑单位面积齿面受力,忽略齿数、齿数比的影响,因此取:作为判废齿轮的剩余寿命影响因子(上述关于轴齿轮、单向受力齿轮以及双向受力齿轮的剩余寿命影响因子的计算公式均采用上述公式),使分类方法更加简单实用。
根据《齿轮手册》、《机械设计手册》,齿根弯曲应力接触强度计算公式如表二所示。
表二齿面接触强度计算公式
在该实施例中,优选地,在步骤200例如使用现有技术中的机械功率流全封闭型齿轮试验装置对上述的试验齿轮进行齿轮疲劳强度试验,当然,不仅限于上述设备,还可采用现有技术中的其他合适的齿轮疲劳强度试验装置。
此处以机械功率流全封闭型齿轮试验装置加以举例说明,试验系统使用机械功率流全封闭型齿轮试验装置,该试验装置的组成如图3所示。试验装置中由试验齿轮箱1、陪试齿轮箱2、电动机3、弹性联轴节4、动态加载装置5、刚性联轴节6、弹性扭力轴7、控制柜8、二次仪表9、转矩及转速传感器10、热电偶11、油温指示器12、涡轮减速器13、机械计数器14以及封闭功率流向件15组成一个机械封闭系统,其中,动态加载装置5采用逐级加载方式对试验齿轮进行加载。封闭系统的转矩和转速可通过转矩及转速传感器10和它的二次仪表显示出来。热电偶11和油温指示器12用来测量、显示两个齿轮箱的油温变化。试验齿轮的循环次数,由机械计数器14记录。
具体地,此机械功率流全封闭型齿轮试验装置的工作原理如下:利用动态加载装置5给两端轴一相对扭矩,则封闭系统内的弹性扭力轴7和其他零件就会产生弹性扭转变形,只要此扭转变形能保持不变(由动态加载装置5来保证),那么封闭系统内的扭矩就不会变化,封闭系统加载后,再启动电动机,试验机就进入运转状态,这时,试验齿轮箱1和陪试齿轮箱2都传递一定的功率P,称之为封闭功率,封闭功率和普通功率一样可其有流向,如图3所示的P为顺时针流向,但是应注意,此封闭功率并非有效功率,它只不过是封闭系统中平衡内力的转矩和转速的乘积而已,封闭功率的特点是它可以循环利用,电动机3供给的能量仅用来克服封闭系统中各零部件运转时的率攘报失,其值只有封闭功率值的10%~15%左右,因而能达到节能的目的。
综合考虑各类试验齿轮的尺寸大小及结构形式,合理设计试验齿轮箱结构,严格模拟该类齿轮的工作现场环境,进行该类齿轮的剩余寿命疲劳试验。试验过程中保证散热、润滑等条件,实时采集与状态有关的试验数据,如振动信号,温度和压力等,获得该类齿轮的剩余寿命值。
进一步地,关于失效判剧包括以下几种:齿面磨损失效判据、齿面点蚀失效判据、齿面剥落失效判据、齿面胶合失效判据、轮齿塑变失效判据以及折断、裂纹失效的判据,当出现其中的一种或者几种时,判定试验齿轮失效。以下将分别以齿面磨损失效判据、齿面点蚀失效判据判定试验齿轮失效加以举例说明:
将M值与预设值进行比较,当M值大于或者等于预设值时,判定判废齿轮失效。
齿面点蚀失效判据:获取所述试验齿轮的齿面点蚀面积与轮齿工作面面积的比率α、20%以上点蚀的坑最大尺寸与模数值的比率β以及20%以上的点蚀坑的最大深度与模数值的比率中的两者超过对应的预设值时,判定所述试验齿轮失效。
进一步地,当判定齿轮失效后停止疲劳强度试验,并且将前述的试验齿轮在试验前的初始磨损量、Ft、m、b以及剩余寿命等数据记录在表格中,此处以试验齿轮为单向受力齿轮为例加以举例说明,具体参见如下表三所示:
表三试验齿轮为单向受力齿轮时的疲劳试验参数
进一步,优选地,对试验数据进行线性最小二乘法拟合,拟合出分布函数曲线,并确定曲线表达式作为剩余寿命与剩余寿命影响因子之间的函数关系式。
例如针对磨损量为5%的单向受力齿轮这一分类下的试验齿轮而言,随着试验齿轮的剩余寿命影响因子TK值的不同,试验齿轮的剩余寿命T也发生变化,且存在一定的规律。通过大量实验,对试验点进行统计分析,求出试验齿轮的剩余寿命T与试验齿轮的剩余寿命影响因子之间的函数关系T=f(TK),就可以评判出这一分类下的所有齿轮的剩余寿命。而后利用MATLAB软件(当然不仅限于此软件)对试验数据进行线性最小二乘法拟合,拟合出分布函数曲线,确定曲线表达式,即确定此分类下的判废齿轮的剩余使用寿命的经验公式。
在该实施例中,优选地,如图2所示,所述齿轮的剩余寿命评判方法还包括如下步骤:
将根据分类信息以及剩余寿命与剩余寿命影响因子之间的函数关系式建立数据库;其中,可选地,建立ACCESS数据库,试验后,及时填写数据库内容,保证数据库数据的及时、准确、有效。
对已经给出剩余寿命判定结果的试验齿轮,进行有选择的实际应用并进行跟踪,而后根据使用情况,对数据库数据进行及时的修正与完善。
可知,上述方法步骤为使用者提供较全面以及正确的数据库信息,用于科学指导对齿轮的使用。
综上,参见图2所示,申请的实施例提供了一种齿轮的剩余寿命评判方法,包括如下步骤:
步骤201、获取多个判废齿轮,测量判废齿轮的磨损量以及判别出判废齿轮的受力形式,根据判废齿轮的磨损量以及受力形式对多个判废齿轮进行分类,在每一分类下抽取多个判废齿轮作为试验齿轮,并且确定每一分类下的判废齿轮的寿命影响因子;
步骤202、将每一分类下的试验齿轮分别进行齿轮疲劳强度试验,并记载截止至试验齿轮失效时试验齿轮的剩余寿命;
步骤203、计算得出每一分类下的试验齿轮的剩余寿命与剩余寿命影响因子之间的函数关系式;
步骤204、将根据分类信息以及剩余寿命与剩余寿命影响因子之间的函数关系式建立数据库;
步骤205、对已经给出剩余寿命判定结果的试验齿轮,进行有选择的实际应用并进行跟踪,而后根据使用情况,对数据库数据进行及时的修正与完善。
对齿轮的剩余寿命进行科学、直观地评判。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种齿轮的剩余寿命评判方法,其特征在于,包括:
步骤100、获取多个判废齿轮,测量所述判废齿轮的磨损量以及判别出所述判废齿轮的受力形式,根据所述判废齿轮的磨损量以及受力形式对多个所述判废齿轮进行分类,在每一分类下抽取多个所述判废齿轮作为试验齿轮,并且确定每一分类下的所述判废齿轮的寿命影响因子;
步骤200、将每一分类下的所述试验齿轮分别进行齿轮疲劳强度试验,并记载截止至所述试验齿轮失效时所述试验齿轮的剩余寿命;
步骤300、计算得出每一分类下的试验齿轮的剩余寿命与剩余寿命影响因子之间的函数关系式;
所述步骤100包括:获取多个判废齿轮并且测量所述判废齿轮的磨损量,根据所述判废齿轮的磨损量对判废齿轮进行分类,再将磨损量相同的多个所述判废齿轮按照受力形式进行二次分类,并且确定每一分类下的所述判废齿轮的寿命影响因子以及在每一分类下抽取多个所述判废齿轮作为试验齿轮。
2.根据权利要求1所述的齿轮的剩余寿命评判方法,其特征在于,对多个所述判废齿轮按照轴齿轮、单向受力齿轮以及双向受力齿轮进行二次分类。
4.根据权利要求1所述的齿轮的剩余寿命评判方法,其特征在于,所述步骤300包括:对试验数据进行线性最小二乘法拟合,拟合出分布函数曲线,并确定曲线表达式作为剩余寿命与剩余寿命影响因子之间的函数关系式。
6.根据权利要求1所述的齿轮的剩余寿命评判方法,其特征在于,所述步骤200中判别所述试验齿轮失效的依据还包括:
齿面点蚀失效判据;和/或
齿面剥落失效判据;和/或
齿面胶合失效判据;和/或
轮齿塑变失效判据;和/或
折断、裂纹失效的判据。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的齿轮的剩余寿命评判方法,其特征在于,采用机械功率流全封闭型齿轮试验装置对所述试验齿轮进行疲劳强度试验。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的齿轮的剩余寿命评判方法,其特征在于,所述齿轮的剩余寿命评判方法还包括如下步骤:将根据分类信息以及剩余寿命与剩余寿命影响因子之间的函数关系式建立数据库;
所述齿轮的剩余寿命评判方法还包括如下步骤:对已经给出剩余寿命判定结果的试验齿轮,进行有选择的实际应用并进行跟踪,而后根据使用情况,对所述数据库的数据进行及时的修正与完善。
9.根据权利要求8所述的齿轮的剩余寿命评判方法,其特征在于,在所述步骤100中,所述获取多个判废齿轮之后,测量所述判废齿轮的磨损量以及判别出所述判废齿轮的受力形式之前还包括如下步骤:对所述判废齿轮进行清理,而后对所述判废齿轮是否出现裂纹进行检测,并且选取其中没有出现裂纹的所述判废齿轮进行后期的评判。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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