外文翻譯--關(guān)于直升機變速器齒輪的自動故障預(yù)測 中文版【優(yōu)秀】

1、<p>　　關(guān)于直升機變速器齒輪的自動故障預(yù)測</p><p>　　阿維納什 V. Sarlashkar 肯尼思.巴洛 </p><p>　　Wangming Lu教授 邁克爾 J.羅默教授</p><p>　　Impact Teconologies有限公司

2、 海軍航空系統(tǒng)司令部 </p><p>　　運河景大道200號，300號套房 AIR 4.4.3.3</p><p>　　羅切斯特, 紐約14623 馬里蘭州帕塔克森特河</p><p>　　摘要：在直升機電力輸送裝置故障是非常重要的，無論從乘客的安全，還是從資產(chǎn)的能力考慮來完成這個任務(wù)

3、。兩個突出的失效模式存在于使用直升機傳動的螺旋錐齒輪中。這些失效模式是a）齒疲勞分離的高周期裂紋原產(chǎn)于牙片和b）表面損傷表面劃傷造成牙齒接觸的齒輪損傷。一個來執(zhí)行齒輪故障預(yù)測的自動化過程已經(jīng)開發(fā)出來，包括了螺旋錐齒輪所需要的關(guān)鍵要素，失敗進展率的可靠估計和提供相關(guān)的置信區(qū)間。螺旋錐齒輪預(yù)測系統(tǒng)（GPS）描述了自動生成齒輪的幾何形狀及相關(guān)有限元模型，計算估計的齒面接觸載荷，三維斷裂力學，導(dǎo)致剩余使用壽命預(yù)測。該軟件系統(tǒng)被設(shè)計能在Windo

4、ws PC上運行，該Windows PC能運行微軟Windows操作系統(tǒng)和無縫地使用ANSYS有限元程序及Franc3D三維斷裂力學方案。AISI 9310也載有對齒輪膠合材料的測試結(jié)果。特別指出的是，試驗結(jié)果頒發(fā)了關(guān)于劃傷損壞的程度和相關(guān)特征，例如石油碎片濃度和牽引系數(shù)的變化。</p><p>　　關(guān)鍵詞：故障預(yù)測，HCF，螺旋錐齒輪，斷裂力學，F(xiàn)ranc3D，ANSYS</p><p>

5、;<b>　　序 言</b></p><p>　　螺旋錐齒輪被廣泛應(yīng)用于直升機的傳動。因此，單個螺旋錐齒輪的可靠性在整架直升機的可靠性和安全性中起關(guān)鍵作用。齒輪的故障有兩種主要模式，第一種模式是高周疲勞（HCF）在裂紋擴展之后驅(qū)動裂紋萌生的。裂紋通常在強載荷的齒根地區(qū)產(chǎn)生。它有可能從一處表面的損傷，如點蝕，或交替導(dǎo)致牙齒表面產(chǎn)生裂紋，也有可能從一處標記或其他加工表面損傷裝配過程中產(chǎn)生。最壞的

6、結(jié)果涉及裂紋擴展，最終導(dǎo)致牙齒分離和隨后的變速箱功能喪失。</p><p>　　第二個故障模式涉及齒面惡化，結(jié)果可以是以下一個或多個：磨損，點蝕和劃傷。與表面損傷相關(guān)的典型癥狀是振動和噪音水平的提高。在螺旋錐齒輪預(yù)后系統(tǒng)（GPS）中，相對于其他形式的表面損傷，劃傷和磨損后更嚴重，因此可以迅速減少剩余使用壽命（RUL）。劃傷是牙齒表面的不正常磨損，由于高接觸壓力和界面滑動速度的組合。接觸面之間的高接觸壓力和高滑動速

7、度會導(dǎo)致重復(fù)局部焊和表面斷裂，從而導(dǎo)致嚴重惡化。</p><p>　　計算螺旋錐齒輪系統(tǒng)中的剩余使用壽命取決于故障模式。對于上述第一個故障模式，總的使用壽命由兩部分組成：裂紋萌生壽命和裂紋擴展的疲勞壽命。對于第二個故障模式，表面耐用性決定其使用壽命，一定量的表面損傷是需要時間積累的，例如，接觸表面的磨損深度。表面耐久性取決于許多因素，例如，滾動和滑動速度，接觸壓力，潤滑劑類型和潤滑類型，材料和相關(guān)的熱處理材料等。

8、</p><p>　　承包商在Phase II SBIR的努力和影響科技有限公司的發(fā)展下，該原型的全球定位系統(tǒng)，目的是為了表現(xiàn)一個以物理為基礎(chǔ)的強大工具，該工具是螺旋錐齒輪不同故障模式的物理模型和為提高螺旋錐齒輪故障預(yù)測系統(tǒng)，同時有能力使用振動和其他系統(tǒng)級的功能。此系統(tǒng)包括幾個模塊：1）自動生成的螺旋錐齒輪幾何尺寸及相關(guān)的有限元模型，2）齒輪齒面接觸分析，3）裂紋萌生和三維裂紋擴展的計算，4）齒輪表面劃傷模型，5

9、）一個具有健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）數(shù)據(jù)集成的例子。全球定位系統(tǒng)的核心是齒輪預(yù)后內(nèi)核，不同的模塊之間進行交互。</p><p>　　圖1螺旋錐齒輪預(yù)后系統(tǒng)中的建筑構(gòu)造（GPS）</p><p>　　該方案開發(fā)出來后是在Windows PC上運行，該Windows PC能運行微軟軟件，并且能和商業(yè)有限元分析軟件ANSYS，三維斷裂力學方案Franc3D，格里森的齒輪齒面接觸分析程序T90

10、0無周期交互運行。ANSYS主要用于分析主要結(jié)構(gòu)和后處理模塊，F(xiàn)ranc3D用于三維裂紋擴展的分析，T900方案用于齒輪有限元模型的生成和齒輪齒面接觸分析。</p><p>　　全球定位系統(tǒng)輸出的是估計剩余使用壽命，如經(jīng)營小時的時間測量。首先，輸入數(shù)據(jù)包括螺旋錐齒輪的幾何，轉(zhuǎn)矩，材料性能，和其他系統(tǒng)級功能數(shù)據(jù)，可以用來“轉(zhuǎn)換”預(yù)測分析結(jié)果。更重要的是，這有兩種類型的測試數(shù)據(jù)：基于振動信號特征和實驗獲得的劃傷進度的

11、信息。如果處理得當，數(shù)值預(yù)測的結(jié)果（ANSYS軟件，F(xiàn)ranc3D，T900）與那些測試和實時的測量數(shù)據(jù)相融合，可以顯著提高RUL預(yù)測的魯棒性和準確性。</p><p>　　在接下的章節(jié)中，介紹了GPS發(fā)展的基本概念，提出了關(guān)于一個模塊對模塊的基礎(chǔ)。在下一節(jié)中，介紹了齒輪幾何和有限元模型生成模塊。其次是介紹了齒輪齒面接觸分析模塊。這兩個模塊使用的T900方案是由格里森公司開發(fā)的。一個關(guān)于三維斷裂力學方案，F(xiàn)ran

12、c3D</p><p>　　修改的版本，是由斷裂分析顧問開發(fā)的，用于執(zhí)行三維裂縫模擬。這個關(guān)于Franc3D修改后的版本是緊接ANSYS的耦合計算，以提高效率。</p><p>　　全球定位系統(tǒng)內(nèi)核收集所有信息的來源，然后“融合”這一信息，以產(chǎn)生最佳RUL的在職資產(chǎn)的估計。融合的基本思想是使用盡可能多的證據(jù)，如檢測數(shù)據(jù)，為了提高將要由單獨的分析模型產(chǎn)生結(jié)果的質(zhì)量。</p>&

13、lt;p>　　自動生成的有限元模型與齒輪幾何模塊</p><p>　　齒輪幾何尺寸及相關(guān)有限元（FE）模型作為全球定位系統(tǒng)的起點。格里森的T900方案的自定義版本用來自動地生成這些信息。圖2顯示了齒輪/齒輪有限元模型的生成是使用格里森的方案。有限元模型進入ANSYS的目的是為了隨后的分析。</p><p>　　圖2 一個小齒輪的有限元模型</p><p>　　

14、在全球定位系統(tǒng)中，顯示了齒輪/齒輪有限元模型，使用精確的齒輪間隙和齒輪軸的幾何形狀可以進一步改善上面結(jié)果。隨著最終用戶通過友好的圖形用戶界面（GUI）提供的幾何數(shù)據(jù)，軸的有限元模型利用ANSYS創(chuàng)建宏。軸生成模塊允許定義邊界條件（不同的軸承配置）和嚙合控制參數(shù)。局部齒輪/齒輪模型上面顯示的是已經(jīng)擴展的模型，該模型包含完整軸和軸承座的定義。圖3所示是以整個小齒輪軸的有限元模型為例。對于齒輪幾何間隙的一個更精確的定義是，軸幾何和軸支撐條件與

15、齒輪幾何間隙相結(jié)合，該定義提供了更好的壓力的定義，尤其是對航天航空齒輪。</p><p>　　圖3小齒輪軸的有限元模型完成的相關(guān)幾何軸</p><p><b>　　齒輪齒面接觸分析</b></p><p>　　除了自動生成的齒輪幾何和相關(guān)的有限元模型以外，齒輪齒面接觸分析使用T900方案來執(zhí)行的。該T900方案生成的理論共軛線是互相聯(lián)系的。圖4

16、所示為齒面共軛接觸線的一個樣本。T900方案將其他連續(xù)接觸過程分離成一系列的共軛接觸線。一系列的接觸點代表著一條接觸線。齒面接觸分析在每一個接觸點中提供了接觸壓力和滑動速度。接觸壓力和滑動速度都將被用來預(yù)測齒輪表面磨損率和（或）劃傷程度。</p><p>　　圖4 T900方案得出的相互聯(lián)系的共軛線。</p><p>　　實際上，每條接觸線是一個相聯(lián)系的長橢圓。</p>&l

17、t;p><b>　　裂紋擴展壽命分析</b></p><p>　　如果故障模式是牙齒分離，那么疲勞壽命可以被認為是由兩個部分組成：裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命。第一部分可以使用本地應(yīng)變方法計算[1]，第二部分是本節(jié)討論。兩個變量是用來描述裂紋擴展：擴展速率和方向。這些參數(shù)都顯著地影響工作組件的剩余使用壽命。此外，初始裂紋可以定義為一系列的特征參數(shù)，即，裂縫位置，裂縫方位，裂縫的形狀和大小

18、，這些參數(shù)都是用于確定初始裂紋或缺陷所必需的參數(shù)。</p><p>　　在SBIR Phase第二階段的努力下 ，改進工作完善了Franc3D方案。FAC和影響科技有限公司對Franc3D與ANSYS商業(yè)計劃的結(jié)合進行了共同的改進工作。這些改進工作包括：a）開發(fā)一批模式用于執(zhí)行一系列框架模擬b）沿著裂紋前緣能產(chǎn)生25個基點的元素，為了能夠建立一個含有應(yīng)力奇異性的精確模型c）提供選擇使用M積分計算應(yīng)力強度因子的解決

19、方案和 d）添加能結(jié)合最好的Franc3D和ANSYS框架模擬的界面。在這種新的方法中，裂紋模擬是用有限元素進行的，而不是邊界元素。允許使用ANSYS求解器用于高效率的解決方案。然而，裂紋前緣預(yù)測/傳播和再劃分任務(wù)在Franc3D中獲得通過。圖5顯示了在一個全球定位系統(tǒng)的圖形化工具中來確定初始缺陷形狀/大小/位置和方向。</p><p>　　圖5 GPS的圖形界面工具方便的表達了形狀/大小/位置和初始缺陷的方向&

20、lt;/p><p>　　流程圖如圖6Error！未找到引用源。為了預(yù)測裂紋演化，顯示Franc3D與“ANSYS循環(huán)中”。 為了支持功能，具體到3 - D對齒輪斷裂分析，提出了以下對Franc3D方案有所改善的額外改進工作：</p><p>　　作為距離功能的材料性能變化到齒輪材料里可以被定義。這一功能的目的是讓材料的性能變化，至少是那些與斷裂力學和在滲碳層有關(guān)的。這種變化被假定為一維。<

21、;/p><p>　　作為距離功能的殘余壓應(yīng)力到齒輪里也可以被定義。此功能的目的是為了模型在滲碳層壓應(yīng)力的存在。同樣，壓應(yīng)力變化被假定為一維的。有效應(yīng)力場占據(jù)壓應(yīng)力之后，將會被用于斷裂力學分析。剩余壓應(yīng)力場的存在將降低裂紋擴展速率（至少當裂縫處于硬化層狀態(tài)）。</p><p>　　圖6綜合Franc3D / ANSYS的方法對三維裂縫模擬</p><p>　　在三維裂紋擴

22、展模擬中，每一步的傳播，方向和裂紋沿著裂紋前方各點增長的程度必須確定。齒輪中的裂紋增長是復(fù)雜的，因為負載的移動性意味著在模式1的應(yīng)力強度因子和比例和模式2和模式1的應(yīng)力強度因子通過牙齒網(wǎng)格不斷變化。在這個程序中，一個由Spievak [2]開發(fā)的過程用于確定在裂紋擴展每一步中，裂紋隨著裂紋前方所有點的增長方向和范圍。</p><p>　　Franc3D程序的輸出是裂紋演化。圖7從齒輪腳跟效果，比較了計算和觀察到的

23、裂紋表面軌跡[3]。計算和觀察軌跡顯示非常相似。</p><p>　　圖7計算（左）與觀察（右）齒根表面裂紋軌跡視圖[3]。</p><p>　　裂紋擴展壽命預(yù)測在確定性的基礎(chǔ)上是首先進行的。使用一個蒙特.卡羅包裝，這些確定性的預(yù)測被轉(zhuǎn)換為統(tǒng)計分布。為此，參數(shù)確定所選的裂紋擴展模型被認為是統(tǒng)計變量。目前，有兩種裂紋擴展模型支持GPS：Paris模型和Walker模型。Paris模型由兩個材

24、料常數(shù)確定：C和m。對于Walker模型，除了C和m外，另一個參數(shù)，n也是必要的。理論上，這些參數(shù)的統(tǒng)計分布可以是任何類型。</p><p>　　從事件發(fā)生概率的角度來看，失敗的總概率在任何時候都是兩個獨立事件的組合：裂紋萌生的概率和裂紋擴展失敗的概率?？偟母怕适牵?lt;/p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中：=裂紋萌

25、生的概率，=裂紋擴展失敗的概率</p><p><b>　　齒輪表面狀態(tài)模塊</b></p><p>　　該模塊對齒輪劃傷事件中的RUL估計起主要作用。符合AISI 9310硬化材料的劃傷模型在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上已經(jīng)開發(fā)出來。對于這些測試，海軍通常使用指定的潤滑油。</p><p>　　H - 60直升機傳動系統(tǒng)中的不同齒輪網(wǎng)格被認為是確定齒面接

26、觸條件的范圍，如滑動速度，滾動速度，接觸壓力，閃光溫度和彈流（電場）潤滑油膜厚度。表面測試所使用的選擇接觸條件在圓盤機器中進行了，被稱作WAM機器，這是模擬同步滾動和滑動的能力。圖8顯示了在球直徑13/16處的測試裝置卸載了一個單位光盤。由AISI 9310鋼盒制成的球和光盤滲碳到62.5-63.5 RC硬度。光盤和球都是獨立驅(qū)動，以達到理想的滑動和滾動速度。這樣做的目的是通過加載接觸啟動磨損過程，直到宏觀擦傷故障事件的發(fā)生，然后繼續(xù)以

27、擦傷負荷狀態(tài)運行不，并且測量磨損進展程度。經(jīng)過測試開發(fā)階段已經(jīng)完成，收集了磨損，牽引系數(shù)，聲，磨損顆粒和溫度數(shù)據(jù)和分析了5個不同滑動條件，這些條件代表了在H - 60直升機傳動系統(tǒng)和Ryder齒輪試驗機中操作條件的范圍。這些數(shù)據(jù)為開發(fā)含有一個原始檫傷磨損失效的失效進展模型奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　圖8 WAM磁盤表面耐久性試驗機</p><p>　　一個適用于直齒和斜齒輪的簡化磨損

28、模型，已經(jīng)開發(fā)出來并且使用阿奇德的磨損模型作為基礎(chǔ)[4-5]。該模型將適應(yīng)螺旋錐齒輪接觸條件，并且首次嘗試用于開發(fā)RUL估計。磨損顆粒分析表明，磨損系數(shù)的嚴重程度是與磨損顆粒生成的粒度分布和增加分布有關(guān)。通過以下條件可以形成發(fā)展一個預(yù)后模型的基礎(chǔ)：1）監(jiān)測一代磨損顆粒的增長和粒度分布，2）將適當?shù)哪p系數(shù)用到一個磨損顆粒正在進行急速增長的磨損模型中。</p><p>　　在測試中，一個旋轉(zhuǎn)球的增量加載直到宏觀劃傷

29、事件發(fā)生后，該測試持續(xù)了額外的300秒，而負荷保持不變。磨粒在整個一代進行了監(jiān)測，每個測試計數(shù)器使用頗爾公司模式PFC400粒子計數(shù)器。石油散發(fā)的900秒優(yōu)先用于負載，以獲得一個在粒子計數(shù)器上的基線閱讀。如果沒有宏觀劃傷事件發(fā)生，在實驗結(jié)束前，負載會提高測試裝置的能力（140磅），并且持續(xù)300秒。在測試結(jié)束時，球和光盤磨痕會被測量出來，并且磨損量的估計結(jié)果也會立刻出來。圖9中生動的表明了測試結(jié)果，在該圖中是發(fā)生了宏觀擦傷。圖10顯示了

30、相關(guān)的磨損顆粒測量。該油在測試程序用的是Royco 555，該程序符合軍事規(guī)格的DOD-PRF-85734。這是一種高承載齒輪油，目前用于海軍直升機運輸。在WAM初試標準測試使用的是Herco A，它是一種合成的基礎(chǔ)庫存油，全部用于制定混合油。</p><p>　　WAM高速承載能力實驗</p><p><b>　　鎢-線粒子探測</b></p><

31、;p>　　圖9 表面耐久性試驗中典型變化的系統(tǒng)參數(shù)</p><p>　　WAM高速承載能力實驗</p><p><b>　　鎢-線粒子探測</b></p><p>　　圖10磨損顆粒表面損傷程度函數(shù)分布</p><p><b>　　HUMS數(shù)據(jù)</b></p><p>

32、　　目前正在進行的研究是通過HUMS數(shù)據(jù)庫，嘗試使用振動和其他類型可用的數(shù)據(jù)來評估目前一項健康的資產(chǎn)。大量的信息被監(jiān)控/記錄。從使用GPS和HUMS數(shù)據(jù)的角度來看，重要的信息是：</p><p>　　“健康資訊”， 如變速箱中振動水平的關(guān)鍵地點和可能的實時石油分析。健康信息就好比是預(yù)計的變速箱振動水平將提供內(nèi)部變速箱齒輪健康的跡象。原始振動數(shù)據(jù)可能在一個實時的基礎(chǔ)上將被處理，目的是為了提取某些特征，如殘余峰度，殘

33、余峰值到峰值，殘余偏斜，窄帶峰，和能量算符峰態(tài)。</p><p>　　過去和未來“用法描述” (扭矩、速度，期間)都是重要的。過去使用的信息將允許估計消耗的生命，因此，知道未來使用配置文件將允許RUL的估計。在RUL預(yù)測過程中，集成化的特征數(shù)據(jù)是非常重要，它可以幫助校準基本模型問題和減少不確定性水平。這意味著更嚴格的置信區(qū)間可以為RUL計算。</p><p>　　用戶圖形界面（GUI）設(shè)計

34、</p><p>　　對于GPS，直觀的GUI已經(jīng)開發(fā)出來，促進了從齒輪幾何到RUL估計的整個過程。進入每個模塊根據(jù)個人提供的下拉菜單。圖11和圖12顯示了GUI的例子。其中圖11顯示了高層次的菜單，圖12顯示了接口定義齒輪/齒輪軸幾何，承重結(jié)構(gòu)和邊界條件。</p><p>　　圖11 GPS中的高級別用戶界面菜單</p><p>　　圖12齒輪/小齒輪軸的幾何數(shù)據(jù)

35、輸入屏幕</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　在直升機電力輸送裝置故障是非常重要的，無論從乘客的安全，還是從資產(chǎn)的能力考慮來完成這個任務(wù)。一個執(zhí)行齒輪預(yù)后的自動化過程已經(jīng)被開發(fā)出來，它是由影響科技有限公司和一些組織共同開發(fā)出來的。</p><p>　　提出的GPS集成了先進的隨機故障模擬模式，故障進展振動特點，檢查數(shù)據(jù)

36、，以及現(xiàn)有的經(jīng)驗基礎(chǔ)，目的是為了在關(guān)鍵的直升機傳動系統(tǒng)中建立一個齒輪故障預(yù)測。預(yù)測策略的失敗率在一個概率框架內(nèi)實施，目的是為了直接確定與特定組件的失效模式進展有關(guān)的置信區(qū)間。一個通過更新材料/疲勞性能來減少固有模式和運作的不確定性建模方案，已經(jīng)通過遙感系統(tǒng)測量進行了論證。GPS嘗試帶來了大量的技術(shù)組合，從齒輪幾何一代，齒輪接觸分析，三維斷裂力學，齒輪膠合模型直到下一個接口，目的是為了方便螺旋錐齒輪故障預(yù)測。</p><

37、;p><b>　　致謝</b></p><p>　　這些幫助都是由海軍航空系統(tǒng)司令部SBIR合同N68335-03-C–0082所提供的。作者非常感謝外交事務(wù)委員會的卡特.布魯斯博士和Wawrzynek保羅，EDO公司雷瓦洛里先生，Wedeven協(xié)會的Vern Wedeven博士和比爾布萊克先生，以及格里森公司的洛厄爾. 威爾科克斯博士的幫助。</p><p>

38、<b>　　參考文獻</b></p><p>　　1. Bannantine Julie A .，金屬疲勞基礎(chǔ)</p><p>　　2. Spievak L. E，螺旋錐齒輪中的疲勞裂紋擴展模擬：[碩士論文]，康奈爾大學土木與環(huán)境工程學院，1999年</p><p>　　3.哈德曼W.和赫斯A.：“一個美國海軍戰(zhàn)略的機械和推進系統(tǒng)故障預(yù)測與示范

39、結(jié)果，”美國直升機協(xié)會第58屆年度論壇，加拿大，魁北克，蒙特利爾，2002</p><p>　　4.安德森S.，埃里克森B.，“直齒圓柱齒輪滑動磨損的預(yù)測”NORDTRIB 90年代，1990年6月10-13日丹麥希茨海爾斯第四屆北歐摩擦學專題研討會</p><p>　　5.安德斯F.，安德森S.，“斜齒輪磨損預(yù)測的簡化模型”磨損原理 第249期（2001）285-292</p>