1關(guān)于直升機(jī)變速器齒輪的自動(dòng)故障預(yù)測阿維納什V.Sarlashkar肯尼思.巴洛WangmingLu教授邁克爾J.羅默教授ImpactTeconologies有限公司海軍航空系統(tǒng)司令部運(yùn)河景大道200號(hào)，300號(hào)套房AIR4.4.3.3羅切斯特,紐約14623馬里蘭州帕塔克森特河摘要：在直升機(jī)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(gè)任務(wù)。兩個(gè)突出的失效模式存在于使用直升機(jī)傳動(dòng)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(gè)來執(zhí)行齒輪故障預(yù)測的自動(dòng)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(jìn)展率的可靠估計(jì)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(dòng)生成齒輪的幾何形狀及相關(guān)有限元模型，計(jì)算估計(jì)的齒面接觸載荷，三維斷裂力學(xué)，導(dǎo)致剩余使用壽命預(yù)測。該軟件系統(tǒng)被設(shè)計(jì)能在WindowsPC上運(yùn)行，該WindowsPC能運(yùn)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(xué)方案。AISI9310也載有對(duì)齒輪膠合材料的測試結(jié)果。特別指出的是，試驗(yàn)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。關(guān)鍵詞：故障預(yù)測，HCF，螺旋錐齒輪，斷裂力學(xué)，F(xiàn)ranc3D，ANSYS序言螺旋錐齒輪被廣泛應(yīng)用于直升機(jī)的傳動(dòng)。因此，單個(gè)螺旋錐齒輪的可靠性在整架直升機(jī)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(kuò)展之后驅(qū)動(dòng)裂紋萌生的。裂紋通常在強(qiáng)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(diǎn)蝕，或交替導(dǎo)致牙齒表面產(chǎn)生裂紋，也有可能從一處標(biāo)記或其他加工表面損傷裝配過程中產(chǎn)生。最壞的結(jié)果涉及裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致牙齒分離和隨后的變速箱功能喪失。第二個(gè)故障模式涉及齒面惡化，結(jié)果可以是以下一個(gè)或多個(gè)：磨損，點(diǎn)蝕和劃傷。與表面損傷相關(guān)的典型癥狀是振動(dòng)和噪音水平的提高。在螺旋錐齒輪預(yù)后系統(tǒng)（GPS）中，相對(duì)于其他形式的表面損傷，劃傷和磨損后更嚴(yán)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(dòng)速度的組合。接觸面之間的高接觸壓力和高滑動(dòng)速度會(huì)導(dǎo)致重復(fù)局部2焊和表面斷裂，從而導(dǎo)致嚴(yán)重惡化。計(jì)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(duì)于上述第一個(gè)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(kuò)展的疲勞壽命。對(duì)于第二個(gè)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(shí)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(dòng)和滑動(dòng)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。承包商在PhaseIISBIR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(gè)以物理為基礎(chǔ)的強(qiáng)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(shí)有能力使用振動(dòng)和其他系統(tǒng)級(jí)的功能。此系統(tǒng)包括幾個(gè)模塊：1）自動(dòng)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(kuò)展的計(jì)算，4）齒輪表面劃傷模型，5）一個(gè)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(jìn)行交互。圖1螺旋錐齒輪預(yù)后系統(tǒng)中的建筑構(gòu)造（GPS）該方案開發(fā)出來后是在WindowsPC上運(yùn)行，該WindowsPC能運(yùn)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(xué)方案Franc3D，格里森的齒輪齒面接觸分析程序T900無周期交互運(yùn)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(kuò)展的分析，T900方案用于齒輪有限元模型的3生成和齒輪齒面接觸分析。全球定位系統(tǒng)輸出的是估計(jì)剩余使用壽命，如經(jīng)營小時(shí)的時(shí)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(jí)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(dòng)信號(hào)特征和實(shí)驗(yàn)獲得的劃傷進(jìn)度的信息。如果處理得當(dāng)，數(shù)值預(yù)測的結(jié)果（ANSYS軟件，F(xiàn)ranc3D，T900）與那些測試和實(shí)時(shí)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(zhǔn)確性。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(gè)模塊對(duì)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(gè)模塊使用的T900方案是由格里森公司開發(fā)的。一個(gè)關(guān)于三維斷裂力學(xué)方案，F(xiàn)ranc3D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(gè)關(guān)于Franc3D修改后的版本是緊接ANSYS的耦合計(jì)算，以提高效率。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(jì)。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(dú)的分析模型產(chǎn)生結(jié)果的質(zhì)量。自動(dòng)生成的有限元模型與齒輪幾何模塊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(diǎn)。格里森的T900方案的自定義版本用來自動(dòng)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(jìn)入ANSYS的目的是為了隨后的分析。圖2一個(gè)小齒輪的有限元模型4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(jìn)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(kuò)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(gè)小齒輪軸的有限元模型為例。對(duì)于齒輪幾何間隙的一個(gè)更精確的定義是，軸幾何和軸支撐條件與齒輪幾何間隙相結(jié)合，該定義提供了更好的壓力的定義，尤其是對(duì)航天航空齒輪。圖3小齒輪軸的有限元模型完成的相關(guān)幾何軸齒輪齒面接觸分析除了自動(dòng)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