减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测研究.pdf

减速齿轮箱是工业生产中常见的机械传动装置，用于降低输入转速并增加输出扭矩，其中的蜗杆轴是承载主要载荷的重要组成部分1。然而，在长期使用和高负荷工况下，蜗杆轴容易发生疲劳失效，导致设备的损坏和停机。疲劳失效是由于材料在反复加载下逐渐累积的微小损伤而导致的。对于减速齿轮箱的蜗杆轴来说，由于其特殊的工作环境和工作方式，容易产生应力集中和塑性变形，进而导致疲劳裂纹的形成和传播，最终造成疲劳失效2。当前对于该问题的研究还处于起步阶段，研究成果相对较少。例如，学者潘淑微3采用振动信号的多尺度小波分解实现对设备运行信号的关联谱特征检测，并通过多维空间融合实现信号特征聚类，由此实现设备失效检测；学者吴俊杰等4基于热力耦合原理建立了轴承的有限元分析模型，考虑应力场和温度场的耦合作用，对轴承进行仿真分析，结合仿真分析结果进行轴承失效检测，得到相关的检测结果。将这两种方法应用至减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测中发现，检测精度低以及检测时间较长。针对该问题，文章提出了一种新的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测方法。一、减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测方法（一）基于光纤光栅应变传感器的运行信号采集光纤光栅应变传感器是一种基于光纤光栅技术的传感器，用于测量物体表面的应变变化5-6，它利用光纤中的光栅结构对应变引起的光纤长度和折射率的变化进行测量，转化为光学信号。光纤光栅应变传感器在减速齿轮箱二级蜗杆轴运行数据采集过程中具有高精度、实时性、长测距、抗干扰能力强和可重复使用等优势，能够为轴的应变监测提供可靠且准确的数据，提升检测精度与效率。光纤光栅应变传感器所反射的中心波长利用下述公式计算得出：B=neff（1）公式（1）中，表示光纤光栅运行周期，neff表示减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测研究孟灵（襄阳职业技术学院汽车工程学院，湖北襄阳441050）摘要：为了提升减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测精度，文章提出了一种新的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测方法。在减速齿轮箱二级蜗杆轴上安装光纤光栅应变传感器，采集蜗杆轴运行信号，采用滤波器系数预处理运行信号，根据预处理后的信号样本建立减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测模型，进而判断其是否存在疲劳失效的迹象。实验结果表明，该方法可以实现减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态精准快速检测，检测结果具备可靠性。关键词：减速齿轮箱；二级蜗杆轴；疲劳失效；状态检测；光纤光栅应变传感器；滤波器系数中图分类号：TH132文献标识码：A文章编号：2095-6584-（2024）02-0083-05收稿日期：2023-09-25作者简介：孟灵（1985-），女，湖北十堰人。讲师，研究方向：职业教育、机械设计技术。2024年4月第23卷第2期襄阳职业技术学院学报Journal of Xiangyang PolytechnicApr.，2024Vol.23 No.283第23卷第2期襄阳职业技术学院学报2024年第2期光纤光栅应变传感器纤芯的有效折射率。不考虑温度变化时，对公式（1）进行求导，所得结果用以下公式表示：BB=1-n2effP12-vP11+P12x（2）公式（2）中，v表示光纤光栅应变传感器材料的泊松比，P11与P12分别表示单模和多模光纤的弹光系数，x表示轴向应变。光纤光栅应变传感器的有效弹光系数利用以下公式计算得出：Peff=n2eff2P12-v()P11+P12（3）当光栅以w的速度运行时，光栅衍射的多普勒频移的计算公式如下：f=fowc()sin+sini（4）公式（4）中，c表示光速，fo表示多普勒频移参数，与i表示入射角和反射角。结合上述分析，对于光纤光栅应变传感器参数进行调整，具体的调整公式如下：W=f()BB()1-Peffx（5）利用调整参数后的光纤光栅应变传感器采集减速齿轮箱二级蜗杆轴运行数据，具体过程如下。第一，将光纤光栅应变传感器固定在二级蜗杆轴上。传感器通常是通过粘贴或绑扎的方式与轴表面紧密接触，确保传感器可以准确感知轴体的应变情况。第二，连接数据采集系统。将传感器连接至一个数据采集系统，该系统会收集、存储和处理传感器所生成的应变信号。第三，施加载荷/力量。将所需的载荷或力量施加在二级蜗杆轴上，这可以通过外部负载或设备上的其他部件的工作来实现。在此过程中，载荷或力量会导致蜗杆轴产生应变。第四，采集和记录应变数据。通过光纤光栅应变传感器，数据采集系统会实时采集并记录蜗杆轴上的应变信号。传感器会根据材料的变形情况改变光的传播特性，从而生成相应的应变信号。（二）减速齿轮箱二级蜗杆轴运行信号预处理光纤光栅应变传感器是一种基于光纤光栅原理的应变测量装置，能够实时、准确地监测减速齿轮箱二级蜗杆轴的应变情况。光纤光栅应变传感器产生的信号往往包含一定的噪声和干扰，对减速齿轮箱二级蜗杆轴运行信号进行预处理是必要的，它能够提高信号质量，降低噪声干扰，确保测量的准确性和可靠性，并对后续的信号解析和应用提供有价值的数据基础。假设在t时刻利用传感器采集到的减速齿轮箱二级蜗杆轴运行信号样本分别用x1()t,x2()t,.,xn()t，则每一个信号样本均可以进行独立编码，信号样本 编 码 结 果 用z1()t,z2()t,.,zn()t，以 下 关 系 式成立：x1()tx2()tx3()t=Qz1()tz2()tz3()t（6）公式（6）中，Q表示减速齿轮箱二级蜗杆轴运行信号属性参数。在对减速齿轮箱二级蜗杆轴运行信号处理的过程中，假设存在一个滤波器矩阵W=Q-1，则减速齿轮箱二级蜗杆轴运行信号稀疏，编码结果可以用以下公式表示：yi=WbTx=Wibixi（7）公式（7）中，bT表示线性矩阵。yi也可以利用下述公式计算得出：yi=WbTQz=qTz=iqizi（8）公式（8）中，qT表示正定矩阵。结合滤波器系数对减速齿轮箱二级蜗杆轴运行信号预处理，以此保证减速齿轮箱二级蜗杆轴运行数据采集质量。减速齿轮箱二级蜗杆轴运行信号预处理结果如下：Y=yix()t+1+z()t-qTx()t（9）公式（9）中，表示减速齿轮箱二级蜗杆轴运行信号滤波尺度。（三）减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测本文以非线性疲劳累积损伤理论为基础，对载荷作用在减速齿轮箱二级蜗杆轴中一个循环所造成减速齿轮箱二级蜗杆轴的损伤的计算公式84孟灵：减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测研究如下：D=mcrd（9）公式（9）中，m表示减速齿轮箱二级蜗杆轴损伤核数量，r表示减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳损伤发展速率，c、d表示不同的常数。在减速齿轮箱二级蜗杆轴中所施加的载荷应力幅不相等时，一共循环n次其疲劳累计损伤的计算公式如下：D=i=1pnimcirdi（10）公式（10）中，ni表示第应力为i情况下的循环次数。当减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳损伤为临界疲劳损伤时，则疲劳累计损伤的计算公式如下：D=SS（11）公式（11）中，表示减速齿轮箱二级蜗杆轴表面敏感系数，S表示减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳强度，S表示标准光滑蜗杆轴的疲劳强度。结合上述分析与威布尔分布搭建蜗杆轴的工作状态函数，该函数的具体描述如下：f()x=()x-exp-()x-,x 0,x （12）公式（12）中，表示减速齿轮箱二级蜗杆轴尺度参数，表示位置参数。当=0的情况下，三参数威布尔分布转换为二参数威布尔分布，此时蜗杆轴的工作状态函数为：f()x=()x-1exp-()x（13）在失效概率为p的情况下，收集到的数据可用于建立减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测模型，进而判断其是否存在疲劳失效的迹象。该模型的具体描述如下：xp=+up xp=x +ups（14）公式（14）中，+up表示xp的真值，x +ups表示xp的估计量，up为与失效概率p对应的标准正态偏量；失效概率p=Pr()X x=()up，则up可由p确定。x 与s表示信号样本数据的均值与正态分布的标准离差。二、实验设计为了验证本文所设计的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测方法的有效性，进行了相关仿真实验设计，实验参数见表1。表1实验参数测试平台软件平台硬件平台参数类型操作系统软件仿真工具数据处理内存RAMCPU中央处理器CPU加速库单个CPU频率CPU内核数量具体配置Windows 10LinuxMATLAB 7.2Python3.88GB现代16GGeForse GTX 1080TiIntel i7GUDNN 9.0AMD 3.5 GHz5减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测仿真实验过程中所涉及的数据类型如表2所示。表2实验数据类型实验数据类型应变数据振动数据温度数据转速数据功率数据介 绍通过应变传感器采集到的二级蜗杆轴的应变值。这些数据可以反映轴在工作过程中受到的应力和变形情况通过振动传感器采集到的二级蜗杆轴的振动信号。振动数据可以反映轴的运行状态以及可能存在的故障或异常情况通过温度传感器采集到的二级蜗杆轴的温度信息。温度数据对于评估轴的工作状态和可能存在的过热问题具有重要意义记录二级蜗杆轴的转速，用于分析轴在不同转速条件下的工作性能和疲劳失效状态通过功率传感器采集到的二级蜗杆轴的输出功率信息。功率数据可作为评估轴负荷和运行状态的参考指标具体的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测仿真实验过程如下。第一，以实际减速齿轮箱作为研究基础，结合该减速齿轮箱参数建立减速齿轮箱数学模型，并将其导入仿真软件中，搭建相关的仿真模型，减速齿轮箱实际图及其数学模型（仿真图）如图1所示。第二，设定实验参数，具体为运行功率1.14 Kw，转矩11.58 T（Nm），转速940 r/min，载荷120 N，将设定载荷和转速等条件输入模型中。第三，运行仿真软件进行蜗杆轴的疲劳分析，85第23卷第2期襄阳职业技术学院学报2024年第2期获取应力、应变和振动等相关数据。第四，根据所选的寿命评估指标，对仿真数据进行分析和处理。第五，针对不同载荷、转速和工况进行组合试验，每次试验进行5 000次循环，使得减速齿轮箱二级蜗杆轴处于疲劳失效状态，并记录相应的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测数据。将文献 3、文献 4 方法以及文章所提方法作对比实验，对比这三种方法的检测精度，结果如图2所示。(8D 1230204060801001/%45678(3(4图2减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测精度分析图2中的数据可知，随着循环荷载次数的增加，三种方法的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测精度均呈现不断下降趋势。其中，文章所提方法的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测精度最大值为99.3%，文献 3 方法的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测精度最大值为72.5%，文献 4 方法的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测精度最大值为84.1%。综合来看，文章所提方法的检测精度更高，可以及时发现潜在的故障或异常情况，有助于避免设备的突发故障和停机事故，从而提高工作安全性，保护人员和设备的安全。对比这三种方法的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测时间变化，结果如图3所示。00.51.01.52.02.512345678(8D(4(3Ks图3减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测时间分析图3中的数据可知，随着实验次数的增加，三种方法的检测时间呈现显著变化趋势。其中文献 3 方法的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测时间变化范围是1.181.85 s，文献 4方法的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测时间变化范围是1.251.88 s，而文章所提方法的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测时间始终在0.5 s以下，说明该方法的检测时间更短。短时间的疲劳失效状态检测可以减少设备停机时间和生产线的中断，从而提高生产效率。快速检测能够迅速确定设备是否存在潜在的故障风险，及时采取措施进行维修和保养，避免系统性的停产和生产计划延误。三、结论文章提出了一种新的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测方法。通过实验证明，所提方法的减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测精度最大值为99.3%，检测时间始终在0.5 s以下，说明该方法的检测精度高且时间短，达到了研究预期。结合本文研究成果能够改进设计方案、优化制造工艺和制定维修方案，可以提高产品质量，提高生产效率和安全性，促进工业发展和提升国家经济竞争力。(a)K(b),图1减速齿轮箱实际图及其数学模型86孟灵：减速齿轮箱二级蜗杆轴疲劳失效状态检测研究参考文献：1 刘五合，王鹏，韩浩然，等.某船主减速齿轮箱电动备用滑油泵启停故障处理 J.中国修船，2022（3）：17-19.2 周鹏.减速齿轮箱二级蜗杆轴失效研究 J.金属加工（热加工），2022（10）：77-79.3 潘淑微.机械高压气动减压阀阀芯失效检测方法研究 J.自动化与仪器仪表，2023（1）：26-29.4 吴俊杰，朱振杰，孙德鹏，等.基于热力耦合的轴承失效分析 J.组合机床与自动化加工技术，2021（6）：42-44，58.5 王雅莉，徒芸，涂善东，等.基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法研究 J.仪表技术与传感器，2023（6）：26-33.6 郑术力，喻桂华，郑文炜，等.无封装光纤光栅应变传感器校准系统研究 J.环境技术，2023（6）：157-160.Research on Fatigue Failure Status Detection of Secondary WormShaft in Reduction GearboxMeng Ling(School of Automotive Engineering,Xiangyang Polytechnic,Xiangyang Hubei 441050,China)Abstract：In order to improve the accuracy of fatigue failure detection of the secondary worm shaft in thedeceleration gearbox,a new fatigue failure status detection method of secondary worm shaft in reduction gearboxis proposed.Fiber optic grating strain sensors are installed on the secondary worm shaft of the decelerationgearbox to collect the running signals of the worm shaft.The running signals are preprocessed using filtercoefficient.Based on the preprocessed signal samples,a detection model for the fatigue failure state of thesecondary worm shaft in the deceleration gearbox is established,and then the presence of fatigue failure signs isdetermined.Experimental results show that this method can achieve accurate and fast detection of fatigue failurestate of the secondary worm shaft in the deceleration gearbox,and the detection results are reliable.Keywords：reduction gearbox;secondary worm shaft;fatigue failure;status detection;fiber bragg gratingstrain sensor;filter coefficients（责任编辑：张英杰）87