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摘要:為提升齒輪液壓泵的穩定性和安全性，對齒輪副的摩擦學特性進行測試，基于振動檢測技術對其機械損傷進行定性診斷。通過摩擦試驗機，得出齒輪副嚙合點相對速度、嚙合壓力對平均摩擦系數和摩擦穩定系數的影響規律。分析齒輪副的失效機理，采用振動與動平衡測試儀得出齒面磨損和齒面斷裂的振動響應特性。該研究能夠為液壓泵工作參數的優化提供重要依據，有效降低液壓設備的維護成本。

關鍵詞:液壓泵;齒輪;摩擦;磨損;振動

0引言

液壓泵是液壓系統中的重要動力元件［1］，常見的類型包括齒輪泵、葉片泵、柱塞泵等。其中，齒輪泵的承載能力［2］較強，在復雜和高污染條件下的應用率更高。齒輪泵內的傳動副為嚙合的齒輪組，長期處于高速和高壓狀態［3］，因此容易出現摩擦失效問題。齒輪泵內部齒輪副的機械損傷主要有壓力磨損、顆粒點蝕、接觸面膠合、齒根擦傷等，位置主要位于齒輪副的接觸工作面。液壓泵的齒輪一般選用調制鋼材料，強度和韌性良好，但是在長期摩擦條件下將出現接觸面或接觸點的磨損問題［4－6］，并在摩擦熱量作用下誘發“點焊”問題，加快齒輪工作面的損傷速度。齒輪泵發生機械故障時，傳動機構將發生明顯振動，通過振動信號的檢測能夠有效地預測齒輪副所發生的故障以及形成原因。齒輪之間的摩擦接觸是疲勞破壞和機械沖擊的主要原因，因此，文中基于摩擦學理論對液壓泵齒輪副試樣的摩擦學參數進行測試，研究不同工況條件下的響應特性。同時，通過振動測試方法檢測液壓泵外殼的振動反饋信號，為液壓泵的維護和維修提供重要依據。

1液壓泵齒輪副的摩擦性能測試

1.1嚙合面摩擦機理分析

液壓泵內部齒輪副之間的嚙合接觸與摩擦為離散方式，根據傳動比原理可知，分度圓直徑較小的齒輪承受載荷的循環次數更多，因此更容易發生疲勞損傷［7］。齒輪主要依靠正壓力傳遞力矩，在較大的擠壓力作用下，齒輪表面的微凸結構將發生塑性變形。一般情況下，齒輪傳遞的力矩越大，摩擦副之間的真實接觸面積越大，因此摩擦力隨之增大。但是，壓力并不是影響摩擦性能的唯一參數。摩擦系數的變化與接觸面內接觸斑點的生成率有著密切的聯系，即嚙合區域的相對運動速度。齒輪副表面在接觸摩擦中主要有三種狀態:彈性、塑性和彈塑結合等。當塑性狀態保持的時間過長，會導致實際接觸面積指數增大，宏觀表現為磨損。根據摩擦微凸理論可知，齒輪嚙合面發生彈性向塑性轉變時滿足:n

1.2試驗方案設計

為研究液壓泵工作條件對齒輪副接觸狀態的影響，制備標準試樣并采用RTEC摩擦試驗機在不同轉速和壓力條件下對試樣進行摩擦學測試。在試驗機內安裝高頻往復模塊，設定采樣頻率為0．01s，摩擦基體與試樣之間的相對速率定義在5～30m/s，壓力范圍定義在1．0～3．0MPa。在單試驗周期內，得出摩擦系數的變化規律如圖1所示。為確保試驗結果的可靠性，摩擦系數的評定值采用多個試驗周期內的平均值。圖1可以看出:液壓泵齒輪副試樣在摩擦過程中的動態摩擦系數呈現出三個顯著不同的階段;階段1的摩擦系數急劇增大，此時摩擦逐漸進入穩定狀態，摩擦力隨之遞增，齒輪副微凸結構的嚙合作用強烈;階段2的摩擦系數有一定的降低趨勢，摩擦力進入調整狀態，此時真實接觸面積內的斑點數量增多;階段3進入摩擦穩定狀態，摩擦系數在很小的范圍內波動。為進一步研究齒輪副接觸狀態的穩定性，在摩擦系數的基礎上引入摩擦穩定系數的概念。摩擦穩定系數與摩擦系數不同，其主要用于衡量摩擦系數在不同工況條件下的波動性。在數值量化方面，摩擦穩定系數的單位為百分比，其數值越大，越利于液壓泵齒輪副嚙合的平順性。摩擦穩定系數的數學表達式為:

1.3嚙合點相對速度對摩擦性能的影響

齒輪副嚙合點的相對線速度是影響摩擦熱量和摩擦系數的關鍵因素，同時為了排除壓力因素干擾，文中在不同定壓模式下測試嚙合點相對速度與摩擦學參數之間的關系，得出平均摩擦系數和摩擦穩定系數的變化規律分別如圖2和圖3所示。圖2可以看出:嚙合壓力不會改變摩擦系數的整體變化趨勢，但是會改變摩擦系數值;當齒輪處于高速轉動時，其接觸狀態更為穩定，摩擦系數值更小;在特定的轉速條件下，液壓泵的齒輪副更容易發生切向力的波動，使得運行不夠平穩，該轉速范圍是需要避免的。圖3中可以看出:不同壓力下的摩擦穩定系數隨相對速度的變化規律有著明顯的不同，當接觸壓力較小時，摩擦系數的穩定度較低，出現了先增大后減小的變化趨勢;在最大與最小的相對轉速條件下，摩擦穩定系數的差值低于20%，表明齒輪副的總體穩定性較高，能夠適應大部分工作條件。

1.4嚙合壓力對摩擦性能的影響

液壓泵在不同的功率條件下，齒輪副的嚙合壓力有著明顯的區別。嚙合壓力是影響齒輪副摩擦力的關鍵因素，也是造成齒面磨損的主要原因。同樣地，為了排除速度因素干擾，在不同定速摩擦模式下測試嚙合壓力與摩擦學參數之間的關系，得出平均摩擦系數和摩擦穩定系數的變化規律分別如圖4和圖5所示。圖4可以看出:在高頻動摩擦條件下，摩擦系數與嚙合壓力之間呈現出遞減變化趨勢;當齒輪副之間的嚙合壓力改變時，較低的相對速度對摩擦系數的影響更為顯著，當相對速度超過10m/s時，摩擦系數受壓力的影響顯著減小。圖5可以看出:當嚙合點相對線速度達到30m/s時，摩擦穩定系數的波動性較大，中等相對速度條件下的摩擦穩定性良好;在低速重載工況時，摩擦穩定系數可達90%。通過壓力變量的摩擦學測試可知，壓力并不是影響摩擦系數的唯一因素，而且與摩擦系數之間并非單調關系，在合理的參數區間才能達到最佳的工作效果。

2齒輪副故障診斷

2.1齒輪失效機理分析

液壓泵的齒輪副發生失效的本質原因為摩擦，根據液壓泵工作原理可將摩擦的主要類型分為:齒面滑動摩擦、嚙合點滾動摩擦和齒輪變形摩擦等。不同類型的摩擦均會導致嚙合面的溫度升高，加劇強化表面的磨損量。齒輪的摩擦和磨損是無法避免的，但是根據摩擦學測試結果可知，在特定的工作條件下可有效降低摩擦系數并提升摩擦穩定性［8］，保持良好的動態摩擦平衡狀態［9］，可有效提升承載部件的工作壽命。在液壓泵內，齒輪的失效形式具有多樣化，與齒輪本身的材質、熱處理狀態和運行工況等均密切相關。根據調研可知，液壓泵內齒輪副的失效占所有動力部件失效率的50%以上。當齒輪副的制造誤差較大、裝配精度較低或不合理時，齒輪副將容易發生磨粒磨損、齒面膠合、表面刮傷、齒根裂紋、齒頂斷裂等。若要避免因這些機械故障導致的系統失效，需要定期對液壓泵進行故障診斷、檢測和維護。機械傳動機構在運行時將產生振動信號［10］，正常工作時的振動特性與機械故障時的信號有著顯著的區別。因此，可根據檢測信號的特征去辨別不同的故障類型［11－12］，對于液壓系統的穩定、高效運行有著重要的保障作用。在液壓泵內，齒輪副承載著壓力油，而油液中的介質往往會誘發齒面的磨粒磨損問題。根據磨損面的形貌和磨損機理，可將齒面的擦傷分為磨料磨損和腐蝕磨損兩大類。當齒輪發生磨粒磨損后，齒輪的齒形將發生變化并進一步引發傳動過程中的機械振動，增加動載荷的負面作用，長期工作后，齒面有變薄的趨勢。腐蝕磨損與磨料磨損一般同時存在，油液介質內的酸性物質對齒面產生氧化腐蝕作用，使得表面粗糙度增大，摩擦力隨之增大，加劇了齒面強化表面的磨損量。

2.2振動信號診斷

將振動傳感器安裝至靠近齒輪軸的位置，通過便攜式振動與動平衡測試儀可得出低速重載下的齒面磨損和齒面斷裂的時域和頻率信號分別如圖6和圖7所示。圖6可以看出:該液壓泵外殼表面的振幅主要在527～20μm之間，振動過程中沒出現強烈的信號調制現象，齒面磨損處于中等水平，沖擊性信號并不明顯。圖7可以看出:當磨損達到一定程度發生齒面局部斷裂時，出現了明顯的波動極值，振幅高達160μm;不同激振頻率下的振幅有著顯著的差異，在正常工作條件下，激振頻率越高，振幅越大。齒輪副的磨損是一個逐步發展的過程，平穩工作下的液壓泵振動測試結果將呈現出周期性的波動曲線，磨損量的大小可以從實際振幅的波動性來進行定性預測。一般地，當齒輪副表面的磨損量增大到一定程度后，振幅曲線中將呈現出明顯的諧波偏離成分，而且振動能量隨之增大，甚至頻譜分析中的二次諧波振幅將超過激振頻率下的最大幅值。磨損測試曲線具有較寬的脈沖特性，因此振幅的起伏特性是判定磨損量的主要參照和依據。液壓泵內齒輪副發生斷裂失效問題時，在測試周期內將出現明顯的沖擊性振幅和噪聲，諧波間隔將減小，邊頻帶的數量明顯增多，而且幅值也會相比初始狀態有著較大的增幅。在較大沖擊能量作用下，頻譜響應曲線呈現出明顯的峰值特點。由于齒輪與主軸同步轉動，因此在軸端的測試結果具有良好的可靠性。依據振動響應曲線對液壓泵進行故障診斷，能夠有效地調節工作參數，避免激振頻率與工作頻率的重疊，從而改善齒輪副的工作條件。

3結論

齒輪副是齒輪泵中容易損壞的承載元件，制造誤差、安裝誤差等在長期工作后將發生集聚問題，使得齒面在摩擦力和正壓力作用下產生較大磨損。文中通過摩擦學測試方法對齒輪副試樣的摩擦響應特性進行了研究，能夠為液壓泵的最佳工作參數調節提供可靠依據。摩擦作用的負面效果為齒輪副的傳動失效，因此需要采用先進合理的測試技術進行診斷和維護。振動信號作為有效的檢測信號，能夠為常見的失效故障作出定性的判斷和預測，具有良好的經濟效益和社會效益。

作者:賈丹丹 單位:煙臺汽車工程職業學院