王在峰

（浙江省玉環縣質量技術監督檢測中（zhōng）心，浙江玉環　317600）

　　【摘　要】對汽車變速器齒（chǐ）輪在不解體的情況下（xià）進行故障檢測診斷技術進行了介紹，闡述了磨損殘餘物分析技術、振動（dòng）監測（cè）技術、聲發射技術、光纖傳感技術以（yǐ）及人工神經網絡診斷等各種方法的特點及優缺點，以及對故障診斷的進一步發展進行（háng）了展望（wàng）。

　　【關（guān）鍵詞】齒輪；監測技術；故障診斷

　　0　引言

　　由於汽（qì）車的特殊運行條件和運行環境，以及（jí）汽車行（háng）駛過程中經常（cháng）性（xìng）換檔，使得變速箱中齒輪副、軸、軸承（chéng）等常發生故障。據統計由齒輪失效引起的汽車變速器故障占全部原因的（de）60%。在這裏齒輪失效的主要形式（shì）有齒（chǐ）麵過度磨損、較嚴重的（de）點蝕剝落和彎曲疲勞引起的斷齒等（děng），在良好的工作條件下，疲勞斷齒的現象較少，且一旦出現容易判別。因而隨著汽車技術的發展（zhǎn），對變速箱實（shí）施故障診斷、特別是對齒輪的診斷變得尤為重要。

　　目前，對汽車變速器齒輪故障診斷的實施方法有（yǒu）很多種，如磨損殘餘物分析技術（shù）、聲發射技術、光纖傳感技術、振動監測技術等。文中主要介紹了各（gè）種故障診斷方法，並對各（gè）種方（fāng）法進行了比較。

　　1　常見故障診斷（duàn）方法

　　機械設備（bèi）故障診斷技術以機器學（xué）為（wéi）基（jī）礎與信息（xī）科學、係（xì）統科（kē）學、人工智（zhì）能和計算機（jī）技術相結合的多學科（kē）交叉的（de）綜合性實用技術。它以計算機、傳感器、信號分析與處理為基礎（chǔ），通過設備狀態檢測、故障診斷，能定性、定量地掌握（wò）設備運行狀（zhuàng）態參數，預測設備可靠度，對故障產生原因（yīn）、部位和（hé）嚴重程度進行識別、判斷和決策。

　　1.1磨損殘餘物分析（xī）診斷法

　　磨損失效是變（biàn）速箱齒輪Z常見、Z主要的失效形式之一，在運行過程中當發（fā）生齒（chǐ）麵磨損時，磨損的殘餘物可以在（zài）潤滑油中（zhōng）找到。而所謂磨損（sǔn）殘（cán）餘物分析法就是通過測定機械零部件磨損殘餘物在潤滑油中殘餘物含量來迅（xùn）速獲取機（jī）器失效的（de）有關信息（xī）。目前測定的方法分為三種^[1]：一種是直接檢查殘餘物，以及測定油膜間（jiān）隙內電容或電（diàn）感的變化、潤滑油的混濁（zhuó）度變化等方法以迅速獲得零件失效的信息。第二種是殘餘物的（de）收集，例如采用磁性探頭、特殊的過濾器等收集齒輪、滾動軸（zhóu）承等工作表麵疲勞引起的大塊（kuài）剝落顆粒。第三種方（fāng）法是油樣（yàng）分析。

　　油液分析技（jì）術對研究機（jī）械磨損的部位和（hé）過程、磨損失效的類型、磨損的機理、油品的評（píng）價有著重要的作用，它是在不停機、不解體（tǐ）的情（qíng）況下對機械設備進行狀態監測和故（gù）障診斷的重要手段。而油液分析技（jì）術又分為兩大類：（1）油（yóu）液本身（shēn）的（de）物理化學性能分析，即采用潤滑油綜合分析檢查儀，對（duì）使用（yòng）中的潤滑油黏度、酸值（zhí）、水分及不溶物質等主要理化指標進行分析；（2）油液中的（de）不溶物質的（de）分析技（jì）術，也（yě）稱（chēng）為磨屑監測技術。

　　磨屑檢測方法有光譜分析法（fǎ）和（hé）鐵（tiě）譜分析法^[2]。目前常用的是鐵譜分析法，鐵譜分析利用高梯度強（qiáng）磁場將油液中金屬磁性顆粒分離出來（lái）製（zhì）成譜片在顯微鏡下觀（guān）察磨屑的成分、形貌和（hé）尺寸，用光密度計檢測（cè）磨（mó）屑的相（xiàng）對含量。可判斷磨損狀況，預報零部件的失效，該方（fāng）法能分離出潤滑油（yóu）較（jiào）寬（kuān）尺寸（cùn）範圍的磨屑，應用範圍廣，由於采用專門的（de）鐵譜儀，（直讀式鐵譜儀、分析式鐵譜儀（yí））可對磨損程度進行定性分析和定量測量，診斷的結果可靠性（xìng）高，但它（tā）對潤滑油中非鐵係顆粒的監測能力較低，所需設備複（fù）雜，需有經驗的專業人員完成（chéng）。

　　利用磨（mó）損殘餘物（wù）故障分析技術來檢（jiǎn）測診斷變速器中的磨損類（lèi）故障（zhàng）比較有效（xiào）。振動（dòng）診斷法雖然也可（kě）在一定程（chéng）度（dù）上對磨損類故障進行診斷，但（dàn）有很大的局限性。因此該方法是判（pàn）斷變速器磨損故障的有力（lì）工具。

　　1.2振動監測技術診斷法

　　目前在診斷技術上應用Z多的是機械振動信號，其原（yuán）因是由振動（dòng）引起的機械（xiè）損壞比率很高。據統（tǒng）計，因振動（dòng）引起的機械故障占60%以（yǐ）上；其次（cì）是機械運轉過程中振動信號的獲取容（róng）易，且振動（dòng）信（xìn）號中（zhōng）包括大量反映機械設備狀態（tài）的（de）信號，很多機械故障都（dōu）能以振（zhèn）動狀態（tài）的異常反應出來（lái）。振動監（jiān）測診斷（duàn）技術^[3]是通過檢測設備的振動參（cān）數及其（qí）特征來分析（xī）設備的狀態和故障的方法。由於振動的廣泛性、參數多維性（xìng）、測振方法的無損性和在線性，決定了人們將機械設備振動監測診斷作為機（jī）械設備故障（zhàng）診斷（duàn）的首選方法。

　　汽車變速箱齒輪表麵失效後，在運行過程中產生了與正常齒輪（lún）齧（niè）合有別的振動和噪音^[4]。利用振（zhèn）動檢測技術，通過測取汽車運行（háng）過程中的振動信號，振動的測量參數有（yǒu）速度、加速度和位移，可根（gēn）據變速箱頻（pín）率來（lái）選（xuǎn）擇測量的參數和傳感器。為了（le）檢測到（dào）足夠數（shù）量，又能真實地反映變速箱齒（chǐ）輪狀（zhuàng）態的信號，要恰當地選擇振動（dòng）測量點。通常選擇能夠對變速箱齒輪振動狀態（tài）作全麵反映的振動敏感點，離診斷的核心部位Z近的關鍵點和容易發生劣化現象的易損點，以保證振動信號測量的有（yǒu）效性。由於振動監測（cè）診斷（duàn）技術能實時地、直觀地、精確地表征機械動態特（tè）征及其變化過程，監測診斷方法簡單實用，而被廣泛應用。如趙鳳強（qiáng）等人^[5]利（lì）用振動信號（hào）對長春一汽（qì）集團變速箱廠的變速箱噪聲聲壓進行標定，對其（qí）可能存在的故障進行診斷，取得了比較滿意的效果。鄭殿旺等人^[6]研究了基於振動監測技術（shù），探討了倒譜（pǔ）分析機理，通過汽車變速器台架模擬（nǐ）故障試驗（yàn）分析（xī），得出（chū）用倒（dǎo）譜分析汽車變（biàn）速器齒輪故障的闕值，理論分析與（yǔ）實驗結（jié）果一致。

　　1.3聲發射技術診斷（duàn）法

　　所謂聲發射（Acoustic Emission，簡稱AE）^[7] 是指物體（tǐ）在受到形變或外界作用時，因迅速（sù）釋放彈性能（néng）量而產生瞬態應（yīng）力波的物理現象。而彈性（xìng）波可以反映出材料的一些性質，故聲發射技（jì）術（shù）就（jiù）是用儀器檢測、分析聲發射信號和利用聲發射信號診斷故障的一種方法。汽車變速箱齒輪是高速旋轉機械，由於運行過程中不平（píng）衡（héng）、不對稱（chēng）、熱彎曲（qǔ）等，會發生轉子碰磨，此時金屬內（nèi）部晶格將發生滑移或重（chóng）新排列，這個過程中能量的變化以（yǐ）彈性波的形式釋放出來，即產生了聲發射（shè）信號（hào）。然後通過數據采集模塊完成對聲（shēng）發射（shè）檢測數據（jù）的采集（jí）、轉換和存儲，利用計算（suàn）機對數據進行實時分析、處理而對變速箱齒輪進行在（zài）線監測，能夠及時準確地捕捉微弱的故（gù）障信（xìn）號，極大地提高了汽車運行的安（ān）全（quán）性。但應指出的是，由於受聲發（fā）射源形（xíng）狀（zhuàng）、波的傳播途徑及波形變化等諸多因素的影響，利用聲發射信號判斷結構內部缺陷的變化，是需要專門技術的，其關（guān）鍵技術之一就（jiù）是排除背景噪聲的幹擾。

　　聲發射監測是^[8-9]一種動態無損檢測方（fāng）法（fǎ），但它與其他無損檢測方法有所（suǒ）不同（tóng），聲發射信號是在外部（bù）條件作用下（xià）產生的，對缺（quē）陷的變化極（jí）為敏感，可以檢（jiǎn）測到微米數量級（jí）的（de）顯微裂紋發生、擴展的有關信息，檢測靈敏度很高。但得不到關於（yú）剝離出現的信息，這種限製是由源發生機製引起的。此外，因為絕大多數材料都具有聲發射特性，所以聲發射檢測不受材（cái）料限製，可以長期連續地監（jiān）視缺陷的安全性和超限（xiàn）報警，這（zhè）是聲發射檢測優於其他無損檢測的地（dì）方。但大（dà）多數聲發射信號很弱，人們不能直接聽到，需要借（jiè）助於靈敏的電子儀器才能檢測出來。因而，關於AE測量法的應用，除Z大限度有效地使用AE測量法的優（yōu）點外，應與其它測量方法聯合使用，收（shōu）集必要的信息。聲發射技術的研（yán）究與應用在我國已（yǐ）經取得相當的進展。如新（xīn）型聲發射儀器的（de）研製（zhì）、聲發（fā）射信號的人工神經網絡分析、聲發射源嚴重度模糊綜合評價、聲發射信號的逆（nì）源問題研究、複合材料變形損傷過程的聲發射研究、動設備的狀態檢測和標準的製定等，我（wǒ）國聲發射技術正在走向成熟。

　　1.4光（guāng）纖傳感技術診斷法

　　光纖（xiān）傳感（gǎn）技術^[10]是利用光纖對（duì）某些（xiē）特定的物理量敏感的特性，將外（wài）界物理量轉換成可直接測（cè）量信號的技術。由於光（guāng）纖不僅可以作為光波（bō）的傳播媒質，而且光波（bō）在（zài）光纖中傳播時表（biǎo）征光波的特征參量（振幅、相位、偏振態、波（bō）長等）因外（wài）界因素（如（rú）溫度、壓力、應變、磁場、電場、位移（yí）、轉動（dòng）等）的作用而間接或直接地發（fā）生變化，從而可將光纖用作傳感元件來探測各種物（wù）理量。傳感器是一種能感（gǎn）受規（guī）定的被測量並按照一定的規律轉換成（chéng）輸出信號的器件或裝置。任何傳感器（qì），特別是那些被安裝在汽車殼內的（de）傳感器，必須經受住惡劣環境（jìng）的考驗（yàn），如高溫、衝擊、連續振動（dòng）、腐蝕性氣體和電磁場等。而光纖傳感器（OFS，optic fiber sensors）^[11]由於具有抗（kàng）電磁幹擾能力強、靈敏（mǐn）度高（gāo）、電絕（jué）緣性好、安全可靠、耐腐蝕、可構成光纖傳感網等諸多優點，因而在（zài）汽車行業中（zhōng）也得到了廣泛的應用。光纖傳感（gǎn）技術已經向集成化、功能化和智（zhì）能化的方（fāng）向發展（zhǎn）。傳感器的功能化^[12]意味著傳感（gǎn）器自身不僅有檢測功能，還具有（yǒu）信號（hào）處理和（hé）其它功能（néng）。傳感器跟其它功（gōng）能結合則產生新的功能。近年來（lái），國外已研製多種能檢測二個以上不同物理量的傳感器。利（lì）用特殊陶瓷構成能分別檢測濕度和氣體，以及溫度和濕度的多功（gōng）能傳感器以實用（yòng）化。

1.5人工神經（jīng）網絡技（jì）術診斷法

　　在變速箱診斷方法中常利用箱體的振動加速度信號的時域和頻域特征參數來判斷故障的（de）有無。不（bú）同型號的變速箱、傳感器的（de）安裝位置（zhì）等對這些（xiē）特（tè）征參數影響很大。再加上汽（qì）車變速箱結構上的複雜性，使（shǐ）得（dé）特（tè）征（zhēng）參（cān）數（shù）與（yǔ）故障之間（jiān）的映射關係非常複雜。這些給正確地（dì）診斷（duàn）帶來了一（yī）定（dìng）的困難。故障診斷技術發展的主要趨（qū）勢是智能化診斷。人工（gōng）神經網（Artificial Neural Network，簡稱ANN）^[13]是基於神經科學研究的Z新成果而發（fā）展起來的邊緣學科，由大量簡單（dān）的（de）神（shén）經元（yuán）通過互連而形成的非線性（xìng）高度並行處理的網絡，它是人腦（nǎo）的一（yī）種（zhǒng）數學抽象。ANN以其聯想、記憶、自組織及自學習能力和極強的非線性映射能力，在故障診斷（duàn）領域中得到了廣（guǎng）泛應用。它利用領域專家解決問題的實例來訓練神經網絡獲取知識信息，采用（yòng）隱式表示神經網絡知識，自動產生的知識用（yòng）網絡結構和權值表示。對同一問題若幹知識表示在同（tóng）一網（wǎng）絡（luò）中，便於知識自動獲取及聯想推理，並（bìng）通過神經源間相互作用實現。通過（guò）自學（xué）習不斷（duàn）完善（shàn）診斷（duàn）係統提高診斷準確性。胡凱成、李川奇等（děng）人^[14]對（duì）如何更好地應（yīng）用（yòng）ANN解決汽車變速箱狀態監測和故（gù）障診斷中的特征選擇、特征提（tí）取、診斷模型和壽命預測模型的建立等（děng）問題進行了詳細的討論。

　　2　展望

　　隨著微電子（zǐ）技術發展、大規模集成電路技術應用、計算機技術和傳感器技術（shù）的進步，各種信號分析手段的增多為故障（zhàng）診斷技（jì）術的發展提供了良好的機（jī）遇。使故障診斷趨於自動化（huà）、數字化、智（zhì）能化和綜合化；應用軟件規範化，硬件專業化、標準化；診斷儀表與裝置趨向工（gōng）程網絡係統發展（zhǎn）。目前人們正（zhèng）致力（lì）於研究和改進傳感器（qì）與監測儀器、開展基於小波分析的故障診（zhěn）斷技術研究、開展（zhǎn）分形幾何在汽車故障診（zhěn）斷中的應用研究、開展基（jī）於Internet的遠程協作診斷技術。而Internet的遠程協（xié）作診斷技術能夠充分利用更多的技（jì）術經驗和診斷（duàn）數據共享，從而提高設備診斷的（de）準確性，並（bìng）能在診斷中心中（zhōng）對企業、工程和農場等的設備（bèi）監測診斷（duàn）動態管理，實現（xiàn）資源利用充分，生產（chǎn）效（xiào）率高、成本低，施工質量好的綜合目標。

　　參考文獻

　　[1]裴（péi）俊（jun4）峰，楊其俊.機（jī）械（xiè）故障診斷技術[M].石油大學出版社，1997.

　　[2]丁（dīng）康，王誌傑.汽車（chē）變速箱故障（zhàng）診斷技術的研究[J].汽車開發與研究，1997（4）：50～54.

　　[3]黃（huáng）偉力，黃偉建，等.械設備（bèi）故障診斷技（jì）術及其發展趨勢[J].礦山機械，2005，33（1）：66～68.

　　[4]羊（yáng）拯民，張（zhāng）成寶.時序分析在（zài）汽車變速（sù）箱齒輪故障診斷中的應用[J].農業機械學報，2005，31（3）：92～95.

　　[5]趙鳳強.汽車變（biàn）速箱的聲振診斷及噪（zào）聲控製。碩士學（xué）位論（lùn）文[D]，大連理工大學，2001.

　　[6]鄭殿旺，陳慶新（xīn），等.汽車變速箱齒輪故障的定量（liàng）診斷研究[J].中（zhōng）國公路學報，1995，8（4）：130～133.

　　[7]葉琳，張艾萍.聲發射技術（shù）在設備（bèi）故障診斷中的應用[J].新技術新工藝，2000（8）：16～17.

　　[8]黃文虎，等.設備故障診斷原理、技（jì）術及應用[M].北京：科學出版社，1996.

　　[9]戴光，徐（xú）彥廷（tíng），等.聲發射技術的應用與研究進展（zhǎn）[J].大慶（qìng）石油學院學報，2001，25（3）：95～98.

　　[10]杜菲，馬天兵.光纖傳感技術在機敏結構中的研究綜述[J].煤礦機械，2004（8）：3～4.

　　[11]廖延彪（biāo）.我國光纖傳感技術現狀（zhuàng）和展望（wàng）[J].光電子技術（shù）與信息，2003，16（5）：1～6.

　　[12]皮廣祿.國外傳感器技術的現狀及發展（zhǎn）（∏）[J].傳感器（qì）世界，1999（1）：7～14.

　　[13]燕學（xué）智.基於人工神經網絡技術的發動機故障（zhàng）診斷係統[D].碩士學位論文，吉林工業大學，2002.

　　[14]胡凱成，李川奇，等.人工神經網（wǎng）絡在汽車變速（sù）箱（xiāng）狀態監測和故障診斷中的應用[J].傳動技術，1997（3）：18～23.
 

來源：《機械管理開發》2007年8月