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1、关于直升机变速器齿轮的自动故障预测阿维纳什 V. Sarlashkar 肯尼思.巴洛 Wangming Lu教授 迈克尔 J.罗默教授Impact Teconologies有限公司 海军航空系统司令部 运河景大道200号，300号套房 AIR 4.4.3.3罗切斯特, 纽约14623 马里兰州帕塔克森特河摘要：在直升机电力输送装置故障是非常重要的，无论从乘客的安全，还是从资产的能力考虑来完成这个任务。两个突出的失效模式存在于使用直升机传动的螺旋锥齿轮中。这些失效模式是a）齿疲劳分离的高周期裂纹原产于牙片和b）表面损伤表面划伤造成牙齿接触的齿轮损伤。一个来执行齿轮故障预测的自动化过程已经开发出来
2、，包括了螺旋锥齿轮所需要的关键要素，失败进展率的可靠估计和提供相关的置信区间。螺旋锥齿轮预测系统（GPS）描述了自动生成齿轮的几何形状及相关有限元模型，计算估计的齿面接触载荷，三维断裂力学，导致剩余使用寿命预测。该软件系统被设计能在Windows PC上运行，该Windows PC能运行微软Windows操作系统和无缝地使用ANSYS有限元程序及Franc3D三维断裂力学方案。AISI 9310也载有对齿轮胶合材料的测试结果。特别指出的是，试验结果颁发了关于划伤损坏的程度和相关特征，例如石油碎片浓度和牵引系数的变化。关键词：故障预测，HCF，螺旋锥齿轮，断裂力学，Franc3D，ANSYS序
3、言螺旋锥齿轮被广泛应用于直升机的传动。因此，单个螺旋锥齿轮的可靠性在整架直升机的可靠性和安全性中起关键作用。齿轮的故障有两种主要模式，第一种模式是高周疲劳（HCF）在裂纹扩展之后驱动裂纹萌生的。裂纹通常在强载荷的齿根地区产生。它有可能从一处表面的损伤，如点蚀，或交替导致牙齿表面产生裂纹，也有可能从一处标记或其他加工表面损伤装配过程中产生。最坏的结果涉及裂纹扩展，最终导致牙齿分离和随后的变速箱功能丧失。第二个故障模式涉及齿面恶化，结果可以是以下一个或多个：磨损，点蚀和划伤。与表面损伤相关的典型症状是振动和噪音水平的提高。在螺旋锥齿轮预后系统（GPS）中，相对于其他形式的表面损伤，划伤和磨损后更严
4、重，因此可以迅速减少剩余使用寿命（RUL）。划伤是牙齿表面的不正常磨损，由于高接触压力和界面滑动速度的组合。接触面之间的高接触压力和高滑动速度会导致重复局部焊和表面断裂，从而导致严重恶化。计算螺旋锥齿轮系统中的剩余使用寿命取决于故障模式。对于上述第一个故障模式，总的使用寿命由两部分组成：裂纹萌生寿命和裂纹扩展的疲劳寿命。对于第二个故障模式，表面耐用性决定其使用寿命，一定量的表面损伤是需要时间积累的，例如，接触表面的磨损深度。表面耐久性取决于许多因素，例如，滚动和滑动速度，接触压力，润滑剂类型和润滑类型，材料和相关的热处理材料等。承包商在Phase II SBIR的努力和影响科技有限公司的发展下
5、，该原型的全球定位系统，目的是为了表现一个以物理为基础的强大工具，该工具是螺旋锥齿轮不同故障模式的物理模型和为提高螺旋锥齿轮故障预测系统，同时有能力使用振动和其他系统级的功能。此系统包括几个模块：1）自动生成的螺旋锥齿轮几何尺寸及相关的有限元模型，2）齿轮齿面接触分析，3）裂纹萌生和三维裂纹扩展的计算，4）齿轮表面划伤模型，5）一个具有健康与使用监控系统（HUMS）数据集成的例子。全球定位系统的核心是齿轮预后内核，不同的模块之间进行交互。图1螺旋锥齿轮预后系统中的建筑构造（GPS）该方案开发出来后是在Windows PC上运行，该Windows PC能运行微软软件，并且能和商业有限元分析软件A
6、NSYS，三维断裂力学方案Franc3D，格里森的齿轮齿面接触分析程序T900无周期交互运行。ANSYS主要用于分析主要结构和后处理模块，Franc3D用于三维裂纹扩展的分析，T900方案用于齿轮有限元模型的生成和齿轮齿面接触分析。全球定位系统输出的是估计剩余使用寿命，如经营小时的时间测量。首先，输入数据包括螺旋锥齿轮的几何，转矩，材料性能，和其他系统级功能数据，可以用来“转换”预测分析结果。更重要的是，这有两种类型的测试数据：基于振动信号特征和实验获得的划伤进度的信息。如果处理得当，数值预测的结果（ANSYS软件，Franc3D，T900）与那些测试和实时的测量数据相融合，可以显著提高RUL
7、预测的鲁棒性和准确性。在接下的章节中，介绍了GPS发展的基本概念，提出了关于一个模块对模块的基础。在下一节中，介绍了齿轮几何和有限元模型生成模块。其次是介绍了齿轮齿面接触分析模块。这两个模块使用的T900方案是由格里森公司开发的。一个关于三维断裂力学方案，Franc3D修改的版本，是由断裂分析顾问开发的，用于执行三维裂缝模拟。这个关于Franc3D修改后的版本是紧接ANSYS的耦合计算，以提高效率。全球定位系统内核收集所有信息的来源，然后“融合”这一信息，以产生最佳RUL的在职资产的估计。融合的基本思想是使用尽可能多的证据，如检测数据，为了提高将要由单独的分析模型产生结果的质量。自动生成的有限
8、元模型与齿轮几何模块齿轮几何尺寸及相关有限元（FE）模型作为全球定位系统的起点。格里森的T900方案的自定义版本用来自动地生成这些信息。图2显示了齿轮/齿轮有限元模型的生成是使用格里森的方案。有限元模型进入ANSYS的目的是为了随后的分析。图2 一个小齿轮的有限元模型在全球定位系统中，显示了齿轮/齿轮有限元模型，使用精确的齿轮间隙和齿轮轴的几何形状可以进一步改善上面结果。随着最终用户通过友好的图形用户界面（GUI）提供的几何数据，轴的有限元模型利用ANSYS创建宏。轴生成模块允许定义边界条件（不同的轴承配置）和啮合控制参数。局部齿轮/齿轮模型上面显示的是已经扩展的模型，该模型包含完整轴和轴承座
9、的定义。图3所示是以整个小齿轮轴的有限元模型为例。对于齿轮几何间隙的一个更精确的定义是，轴几何和轴支撑条件与齿轮几何间隙相结合，该定义提供了更好的压力的定义，尤其是对航天航空齿轮。图3小齿轮轴的有限元模型完成的相关几何轴齿轮齿面接触分析除了自动生成的齿轮几何和相关的有限元模型以外，齿轮齿面接触分析使用T900方案来执行的。该T900方案生成的理论共轭线是互相联系的。图4所示为齿面共轭接触线的一个样本。T900方案将其他连续接触过程分离成一系列的共轭接触线。一系列的接触点代表着一条接触线。齿面接触分析在每一个接触点中提供了接触压力和滑动速度。接触压力和滑动速度都将被用来预测齿轮表面磨损率和（或）
10、划伤程度。图4 T900方案得出的相互联系的共轭线。实际上，每条接触线是一个相联系的长椭圆。裂纹扩展寿命分析如果故障模式是牙齿分离，那么疲劳寿命可以被认为是由两个部分组成：裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。第一部分可以使用本地应变方法计算1，第二部分是本节讨论。两个变量是用来描述裂纹扩展：扩展速率和方向。这些参数都显著地影响工作组件的剩余使用寿命。此外，初始裂纹可以定义为一系列的特征参数，即，裂缝位置，裂缝方位，裂缝的形状和大小，这些参数都是用于确定初始裂纹或缺陷所必需的参数。在SBIR Phase第二阶段的努力下 ，改进工作完善了Franc3D方案。FAC和影响科技有限公司对Franc3D与ANS
11、YS商业计划的结合进行了共同的改进工作。这些改进工作包括：a）开发一批模式用于执行一系列框架模拟b）沿着裂纹前缘能产生25个基点的元素，为了能够建立一个含有应力奇异性的精确模型c）提供选择使用M积分计算应力强度因子的解决方案和 d）添加能结合最好的Franc3D和ANSYS框架模拟的界面。在这种新的方法中，裂纹模拟是用有限元素进行的，而不是边界元素。允许使用ANSYS求解器用于高效率的解决方案。然而，裂纹前缘预测/传播和再划分任务在Franc3D中获得通过。图5显示了在一个全球定位系统的图形化工具中来确定初始缺陷形状/大小/位置和方向。 图5 GPS的图形界面工具方便的表达了形状/大小/位置和
12、初始缺陷的方向流程图如图6Error！未找到引用源。为了预测裂纹演化，显示Franc3D与“ANSYS循环中”。 为了支持功能，具体到3 - D对齿轮断裂分析，提出了以下对Franc3D方案有所改善的额外改进工作：作为距离功能的材料性能变化到齿轮材料里可以被定义。这一功能的目的是让材料的性能变化，至少是那些与断裂力学和在渗碳层有关的。这种变化被假定为一维。作为距离功能的残余压应力到齿轮里也可以被定义。此功能的目的是为了模型在渗碳层压应力的存在。同样，压应力变化被假定为一维的。有效应力场占据压应力之后，将会被用于断裂力学分析。剩余压应力场的存在将降低裂纹扩展速率（至少当裂缝处于硬化层状态）。图6
13、综合Franc3D / ANSYS的方法对三维裂缝模拟在三维裂纹扩展模拟中，每一步的传播，方向和裂纹沿着裂纹前方各点增长的程度必须确定。齿轮中的裂纹增长是复杂的，因为负载的移动性意味着在模式1的应力强度因子和比例和模式2和模式1的应力强度因子通过牙齿网格不断变化。在这个程序中，一个由Spievak 2开发的过程用于确定在裂纹扩展每一步中，裂纹随着裂纹前方所有点的增长方向和范围。Franc3D程序的输出是裂纹演化。图7从齿轮脚跟效果，比较了计算和观察到的裂纹表面轨迹3。计算和观察轨迹显示非常相似。 图7计算（左）与观察（右）齿根表面裂纹轨迹视图3。裂纹扩展寿命预测在确定性的基础上是首先进行的。使
14、用一个蒙特.卡罗包装，这些确定性的预测被转换为统计分布。为此，参数确定所选的裂纹扩展模型被认为是统计变量。目前，有两种裂纹扩展模型支持GPS：Paris模型和Walker模型。Paris模型由两个材料常数确定：C和m。对于Walker模型，除了C和m外，另一个参数，n也是必要的。理论上，这些参数的统计分布可以是任何类型。从事件发生概率的角度来看，失败的总概率在任何时候都是两个独立事件的组合：裂纹萌生的概率和裂纹扩展失败的概率。总的概率是： （2）其中：=裂纹萌生的概率，=裂纹扩展失败的概率齿轮表面状态模块该模块对齿轮划伤事件中的RUL估计起主要作用。符合AISI 9310硬化材料的划伤模型在实
15、验数据的基础上已经开发出来。对于这些测试，海军通常使用指定的润滑油。H - 60直升机传动系统中的不同齿轮网格被认为是确定齿面接触条件的范围，如滑动速度，滚动速度，接触压力，闪光温度和弹流（电场）润滑油膜厚度。表面测试所使用的选择接触条件在圆盘机器中进行了，被称作WAM机器，这是模拟同步滚动和滑动的能力。图8显示了在球直径13/16处的测试装置卸载了一个单位光盘。由AISI 9310钢盒制成的球和光盘渗碳到62.5-63.5 RC硬度。光盘和球都是独立驱动，以达到理想的滑动和滚动速度。这样做的目的是通过加载接触启动磨损过程，直到宏观擦伤故障事件的发生，然后继续以擦伤负荷状态运行不，并且测量磨损
16、进展程度。经过测试开发阶段已经完成，收集了磨损，牵引系数，声，磨损颗粒和温度数据和分析了5个不同滑动条件，这些条件代表了在H - 60直升机传动系统和Ryder齿轮试验机中操作条件的范围。这些数据为开发含有一个原始檫伤磨损失效的失效进展模型奠定了基础。图8 WAM磁盘表面耐久性试验机一个适用于直齿和斜齿轮的简化磨损模型，已经开发出来并且使用阿奇德的磨损模型作为基础4-5。该模型将适应螺旋锥齿轮接触条件，并且首次尝试用于开发RUL估计。磨损颗粒分析表明，磨损系数的严重程度是与磨损颗粒生成的粒度分布和增加分布有关。通过以下条件可以形成发展一个预后模型的基础：1）监测一代磨损颗粒的增长和粒度分布，2
17、）将适当的磨损系数用到一个磨损颗粒正在进行急速增长的磨损模型中。在测试中，一个旋转球的增量加载直到宏观划伤事件发生后，该测试持续了额外的300秒，而负荷保持不变。磨粒在整个一代进行了监测，每个测试计数器使用颇尔公司模式PFC400粒子计数器。石油散发的900秒优先用于负载，以获得一个在粒子计数器上的基线阅读。如果没有宏观划伤事件发生，在实验结束前，负载会提高测试装置的能力（140磅），并且持续300秒。在测试结束时，球和光盘磨痕会被测量出来，并且磨损量的估计结果也会立刻出来。图9中生动的表明了测试结果，在该图中是发生了宏观擦伤。图10显示了相关的磨损颗粒测量。该油在测试程序用的是Royco 5
18、55，该程序符合军事规格的DOD-PRF-85734。这是一种高承载齿轮油，目前用于海军直升机运输。在WAM初试标准测试使用的是Herco A，它是一种合成的基础库存油，全部用于制定混合油。WAM高速承载能力实验钨-线粒子探测图9 表面耐久性试验中典型变化的系统参数WAM高速承载能力实验钨-线粒子探测图10磨损颗粒表面损伤程度函数分布HUMS数据目前正在进行的研究是通过HUMS数据库，尝试使用振动和其他类型可用的数据来评估目前一项健康的资产。大量的信息被监控/记录。从使用GPS和HUMS数据的角度来看，重要的信息是：“健康资讯”， 如变速箱中振动水平的关键地点和可能的实时石油分析。健康信息就好
19、比是预计的变速箱振动水平将提供内部变速箱齿轮健康的迹象。原始振动数据可能在一个实时的基础上将被处理，目的是为了提取某些特征，如残余峰度，残余峰值到峰值，残余偏斜，窄带峰，和能量算符峰态。过去和未来“用法描述” (扭矩、速度，期间)都是重要的。过去使用的信息将允许估计消耗的生命，因此，知道未来使用配置文件将允许RUL的估计。在RUL预测过程中，集成化的特征数据是非常重要，它可以帮助校准基本模型问题和减少不确定性水平。这意味着更严格的置信区间可以为RUL计算。用户图形界面（GUI）设计对于GPS，直观的GUI已经开发出来，促进了从齿轮几何到RUL估计的整个过程。进入每个模块根据个人提供的下拉菜单。
20、图11和图12显示了GUI的例子。其中图11显示了高层次的菜单，图12显示了接口定义齿轮/齿轮轴几何，承重结构和边界条件。图11 GPS中的高级别用户界面菜单图12齿轮/小齿轮轴的几何数据输入屏幕结论在直升机电力输送装置故障是非常重要的，无论从乘客的安全，还是从资产的能力考虑来完成这个任务。一个执行齿轮预后的自动化过程已经被开发出来，它是由影响科技有限公司和一些组织共同开发出来的。提出的GPS集成了先进的随机故障模拟模式，故障进展振动特点，检查数据，以及现有的经验基础，目的是为了在关键的直升机传动系统中建立一个齿轮故障预测。预测策略的失败率在一个概率框架内实施，目的是为了直接确定与特定组件的失
21、效模式进展有关的置信区间。一个通过更新材料/疲劳性能来减少固有模式和运作的不确定性建模方案，已经通过遥感系统测量进行了论证。GPS尝试带来了大量的技术组合，从齿轮几何一代，齿轮接触分析，三维断裂力学，齿轮胶合模型直到下一个接口，目的是为了方便螺旋锥齿轮故障预测。致谢这些帮助都是由海军航空系统司令部SBIR合同N68335-03-C0082所提供的。作者非常感谢外交事务委员会的卡特.布鲁斯博士和Wawrzynek保罗，EDO公司雷瓦洛里先生，Wedeven协会的Vern Wedeven博士和比尔布莱克先生，以及格里森公司的洛厄尔. 威尔科克斯博士的帮助。参考文献1. Bannantine Julie A .，金属疲劳基础2. Spievak L. E，螺旋锥齿轮中的疲劳裂纹扩展模拟：硕士论文，康奈尔大学土木与环境工程学院，1999年3.哈德曼W.和赫斯A.：“一个美国海军战略的机械和推进系统故障预测与示范结果，”美国直升机协会第58届年度论坛，加拿大，魁北克，蒙特利尔，2002 4.安德森S.，埃里克森B.，“直齿圆柱齿轮滑动磨损的预测”NORDTRIB 90年代，1990年6月10-13日丹麦希茨海尔斯第四届北欧摩擦学专题研讨会5.安德斯F.，安德森S.，“斜齿轮磨损预测的简化模型”磨损原理 第249期（2001）285-29213
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