齿轮常见障诊断技术应分析
摘
齿轮生产设备中必少传输动力元件齿轮正常工作仅保证安全生产进行提高生产效率齿轮工业农业航天业军事等方面广泛应某种程度说齿轮世界参份量机械元件方面齿轮耐久性足导致常发生障果发现障时会阻扰设备正常运行解齿轮常见障研究齿轮障诊断技术设备状态保障基础关键障发生早期精准诊断时维修阻止障蔓延避免财产损失员伤亡文齿轮常见障齿断裂齿面磨损齿面腐蚀等障现象原理进行分析然目前生产中常障诊断技术进行分析研究优势劣势提出改进方案
关键字：齿轮障类型 诊断 油液分析 振动信号分析
Analysis of common faults of gears and application of diagnostic techniques
Abstract
Gear is an indispensable transmission power component in production equipment the normal operation of gear can not only ensure the safety of production but also improve production efficiency Gears are widely used in industry agriculture aerospace military and other fields To some extent gears are the most heavily involved mechanical components in the world On the other hand the insufficient durability of the gear often leads to its failure if the improper use of the fault is not found in time will hinder the normal operation of the equipment Therefore it is the basis and key of equipment condition guarantee to understand the common faults of gears and study the fault diagnosis technology of gears Only in the early stage of fault diagnosis and timely maintenance can the spread of faults be stopped and property losses and casualties be avoided This paper mainly analyzes the principle of common faults of gear such as tooth fracture tooth surface wear tooth surface corrosion and other fault phenomena and then analyzes the fault diagnosis technology commonly used in current production studies its advantages and disadvantages and proposes improvement plans
Key words gear fault type diagnosis oil analysis vibration signal analysis
目 录
摘 2
Abstract 3
1 绪 6
11研究背景 6
12国外研究现状 6
13国研究现状 7
2 齿轮 8
21齿轮概述 8
22齿轮常见失效形式 8
23齿轮障原特点 8
3 齿轮障常诊断技术 9
31基油液分析技术 9
32基振动信号分析技术 12
33齿轮障诊断技术研究中存问题 14
34油液振动信号联合分析 15
4 结展 17
41结 17
42展 17
参考文献 19
谢 辞 20
1 绪
11研究背景
着现代科学生产技术进步航空飞行器设备构造越越先进功性动化程度提高飞行器发达民军航空带巨影响时客观抗阻素会设备带种障设备失部分功法甚会带生产商灾难性果例飞机发动机中齿轮箱等等仅飞机身造成结构损伤会飞行安全带极隐患果发生意外身安全财产带损失法估量根外国份调查报告齿轮障引起设备障概率约等10美国五十年代中八十年代中三十年间齿轮作障导致次直升机事甚外国飞机执行务时齿轮突然断裂导致失事古云史镜知兴齿轮障诊断技术真正先进化智化高效率高准确性迈进更保障设备安全运行避免财产损失员伤亡
时佳维修时机航空齿轮设备进行维护保养减少修成降低事发生率齿轮障诊断技术应已成航空维修领域热门研究方
航空齿轮设备工作环境通常高温强度设备没恒定工作状态更高安全性稳定性设备承受更变载荷提高设备安稳性先进齿轮诊断技术做时诊断维修发生事维修发展提前预知齿轮存危险素减少必损失事避免事严重性进步降低带更济效益社会价值认具重意义技术研究方
齿轮障诊断技术基础学科基础生产中应性较强技术性较着高技术发展发展时俱进提高障诊断准确性根国外工业中设备障诊断方面调查生产中齿轮诊断技术工厂没齿轮诊断技术工厂障发生率低
12国外研究现状
济发展永远离开生产力尤工业发达国家提高生产力科研重务齿轮诊断技术研究领域重分支
处诊断技术金字塔顶端美国公司BentlyHP等研究出诊断设备应性极强广泛应工业生产中美国航空航天局研发套诊断系统应航天领域中时着便携机技术含量越越高实时监测系统更加广泛应工业产中美国M6000系列产品等
欧洲诊断技术发展风格瑞典SPM公司轴承检测技术AGEMA公司红外热技术丹麦B&K公司振动噪声监测技术等
13国研究现状
80年代初国齿轮诊断技术发展正式进入起步阶段然时条件限制起步发展时代脚步国专家努力钻研政府组织外国专家华进行技术交流某理方面已踏入顶端层面国目前诊断特定设备方面颇深究研制独具特色诊断工具应行业关键设备中特智化障诊断专家系统航空载航天工程等部门担极重角色西安交通学型选转机械计算机状态监测障诊断系统哈尔滨工业学机组振动微机监测障诊断系统东北学设备诊断工程中心研制轧钢机状态监测诊断系统风机工作状态监测诊断系统表明国诊断技术高速发展取喜成果高校清华学东北学海交通学华中理工学等等成立实力雄厚诊断工程中心极推动国诊断技术发展
2 齿轮
21齿轮概述
齿轮机械传动中常见种传动形式齿轮负责传递运动动力通齿状机械零件传动转速扭矩进行改变齿轮具传动稳结构紧凑传动效率高等优点着齿轮传动技术发展齿轮运传动性精确求更高工作环境更加复杂航空器部件中飞机发动机飞机襟翼等重部件疑加工精度配合良度提出更高求果齿轮安装位传动时会产生较噪声振动产生失效导致设备障影响生产工作正常运行
22齿轮常见失效形式
工业生产中齿轮常见失效形式：齿断裂齿面磨损齿面疲劳齿面划痕障
23齿轮障原特点
231齿断裂
齿断裂通常齿轮载齿轮疲劳造成
疲劳断裂指齿轮载荷作弯曲应力齿根处齿根处渡方较应力集中较高弯曲应力反复作齿根处产生疲劳裂纹逐渐扩散整轮齿造成疲劳断裂
载断裂指：严重载超齿轮材料弯曲强度产生断裂
齿断裂通常设计参数合理轮齿材料存质量问题装配引起
232齿面磨损
齿轮传动中齿面落铁屑砂尘等磨粒性物质轮齿表面粗糙相互摩擦润滑良会引起齿面磨损齿面磨损会轮齿外观产生变化导致动载荷加产生齿断裂
233齿面疲劳
齿面疲劳指齿轮啮合时齿面金属屑剥落形成浅坑造成点蚀原相互啮合齿轮接触时齿面间作力反作力工作表面产生周期性交变接触应力引起齿面点蚀
234齿面划痕
润滑油粘度足转速偏低齿轮负荷高等等情况齿面相滑动造成油膜破裂引起损伤齿面划痕
3 齿轮障常诊断技术
目前齿轮障诊断技术基油样分析方法振动信号分析方法文逐两种方法进行研究分析工作原理优点存问题
31基油液分析技术
齿轮运转需润滑油进行润滑减啮合时产生摩擦通齿轮工作润滑油进行取样进行成分分析齿轮障状态进行诊断基油液分析技术
然齿轮设备保养维修费中润滑油更换费占例非常润滑油质量问题导致润滑性法达齿轮正常工作标准齿轮造成障率占例齿轮润滑油油状进行分析监测工作十分必样提高润滑油质量减少齿轮更换润滑油频率降低齿轮维修成提高齿轮工作寿命
油液分析技术容易识出油液中磨损微粒捕捉微粒细微变化传递出齿轮工作状态信息实现需拆卸齿轮诊断齿轮障情况成齿轮常障诊断技术铁谱分析技术光谱分析技术油样理化性质指标检验计算油液中固体颗粒数量油样污染度分析油液分析技术中常手段
311铁谱分析技术
磁场具定阶梯磁场强度根磁力尺寸磨损微粒进行序排列然铁谱仪磨损微粒形状特征数量进行检测获取磨损微粒信息
铁谱分析仪两种类型：直读铁谱仪分析铁谱仪直读式铁谱仪磨粒序沉积沉积利光电转换原理测出表征油液样品中磨粒(5µm)浓度磨粒(1～2µm)浓度DLDs值绘出铁谱参数曲线判断机器磨损变化进程趋势
1—250μm反映齿轮磨损特征佳尺寸范围铁谱仪尺寸范围磨损微粒分离出进行检测时准确判断机器磨损变化
表21齿轮磨损时期磨损特征
磨损时期
磨损特征
磨合磨损
磨合磨损产生细长磨损微粒通常长宽5：1磨合磨损磨损微粒种类型数量约正常磨损期2倍磨损微粒粒度浓度发展趋势先程
正常磨损
正常磨损产生量薄片状金属磨损微粒通常长宽21长度厚度101磨粒尺寸范围长度方低15μm部分磨粒尺寸2μm
载磨损
低速时齿轮载磨损会产生片状磨损颗粒通常长宽21长厚101长度达1毫米载程度越高磨损微粒尺寸越载磨损产生磨损微粒远正常磨损
速磨损
速导致齿轮擦伤胶合产生磨损微粒表面氧化痕迹颗磨损微粒颗磨损微粒数量较低1：500更低磨损微粒总量高正常磨损期长度厚度约10：1150μm
疲劳磨损
疲劳磨损导致齿轮表面光滑金属颗粒剥落颗粒表面氧化痕迹通常长宽6：1长度厚度约5：1磨损微粒长度达150μm15μm颗磨损微粒落15～25μm范围颗磨损微粒颗磨损微粒数量高约1：50更高总量正常磨损35倍
312光谱分析技术
光谱分析原子层面润滑油组成元素磨损元素污染元素进行检测分析原理：种原子独特特征光谱通发射光谱者吸收光谱鉴物质化学成分获化学元素变化信息实现齿轮磨损状态诊断
发射光谱利原子激发状态发射出特征光谱性质判断物质组成原子特定发射光谱 通测原子发射光谱相应测出物质成分含量齿轮润滑系统中 定期采取油样进行光谱分析 获反映齿轮工作状态变化种信息
吸收光谱根测元素特征光谱通样品蒸汽中测元素基态原子吸收测元素光谱减弱强度计算含量
光谱分析技术局限识10µm磨损微粒磨损微粒识敏感度着磨损微粒尺寸增变导致齿轮障诊断检测力降铁谱分析技术粒磨损微粒识敏感度较高铁谱分析技术成相光谱分析技术更加廉价实际应中光谱分析技术铁谱分析技术常常综合应更高效更准确齿轮障状态进行诊断
313理化性分析
理化性分析技术检测分析润滑油身润滑油达标准条件造成润滑良齿轮磨损原润滑油品质润滑油身理化性决定齿轮说般齿轮粘度酸碱度水分温度杂质等理化性指标进行分析检测否符合齿轮润滑求判断前润滑油润滑状态否保持齿轮正常工作状态避免润滑失效导致齿轮磨损加重时监测润滑油理化性指标更换润滑油齿轮维修提供理证
粘度齿轮润滑中理化性指标润滑油承载力衡量标准粘度正常范围参考值润滑油承载力时润滑油粘度会高会导致齿轮传动程中会润滑油摩擦力较产生更热造成量损失润滑油承载力较时润滑油粘度会低齿轮会产生更摩擦损耗
酸碱度取决润滑油中酸性碱性物质含量少酸性物质越酸度越高碱性物质越碱度越高润滑油添加剂衰变程中会产生酸酸性物质会加快齿轮腐蚀磨损般测量酸值检测润滑油酸度否符合标准测量酸值酸碱滴定测量中消耗碱性标准溶液（常氢氧化钠氢氧化钾氢氧化钡）质量作检测标准
水分指水润滑油中质量占齿轮工作程中外水蒸气会透齿轮密封缝隙渗透润滑油中润滑油会发生乳化导致润滑油油膜难形成添加剂法发挥作齿轮腐蚀磨损会更加严重
齿轮工作温度润滑油粘度影响极SiHC航天润滑油 温度54 ℃40 ℃时粘度分157300 mm²s7122 mm²s二者数值相差2208倍前文中提粘度齿轮理化性质指标温度润滑油性影响影响润滑油粘度齿轮工作提供合适温度尤重
杂质指悬浮沉淀润滑油中固体物质中润滑油说定期检查油液中杂质含量变化趋势十分重杂质般源外界粉尘污染齿轮摩擦中产生金属屑等仅会造成齿轮磨损会堵塞油路滤器
314红外光谱分析技术
红外光谱分析技术分子层面润滑油组成成分进行分析种分子特定红外光谱观察官团红外光谱吸光度变化获润滑油组成成分变化信息红外光谱检测润滑油中水含量氧化程度粉尘污染添加剂含量等检测方基理化性分析技术致红外光谱分析技术更快速更准确进行检测时更换损耗法达标准润滑油避免齿轮磨损更加严重相理化性分析生产者更偏红外光谱分析技术
315污染度分析
根调查显示 油液污染引起障相占 减少油液污染度效促进安全生产污染度分析技术根润滑油中颗粒尺寸数量润滑油污染度进行评级油液污染度常检测方法：重量分析法显微镜法动颗粒计数器法
重量分析法测量油样中颗粒污染物质量 判断油液污染程度分析时首先需滤油样 然滤杂质颗粒物收集起通滤前质量计算出污染物重量重量分析法操作简便仪器求高耗时较长结果知道润滑油中污染物含量 测量结果够全面
显微镜法微孔滤膜设备滤颗粒置放滤膜 处理制成试片光学显微镜进行观察观察结果作污染度评判证种方法样需较操作时间 终污染度等级判断纯粹肉眼观察 出现较误差
动颗粒计数器法相前两种方法更加先进目前广泛油液污染度检测种方法实现快速检测操作相重量分析法显微镜法更加机械化减少测量误差提供更加精准稳定性更高测量结果根动颗粒计数器工作原理 分遮光型电阻型网式堵塞型等种类动颗粒计数器 油液污染度分析工作中广泛遮光型颗粒计数器法
32基振动信号分析技术
年着振动噪声理信号分析数处理技术计算机技术关基础科学学科发展基齿轮工作时产生振动信号障诊断技术提供良基础基振动信号分析方法种基油液分析技术研究分析象齿轮障诊断方法维修现场规模振动信号监测技术通特定检测设备齿轮部障情况进行深刻解种技术研究分析方面齿轮设备旋转失衡结构失衡等问题
齿轮设备工作传递功率运动传动程中齿轮设备影响素出现障齿轮工作稳定性会遭破坏传递力作种力运动失衡现象表现振动时振动噪声伴齿轮工作中根关科学研究结齿轮工作时产生振动噪声强度频率齿轮障类型障程度障部位等着密切关系
基振动信号分析方法利信号分析处理技术波形图形式表示齿轮工作状态通AD变换技术波形图转换成数字曲线序列齿轮工作时止部位会产生振动信号会受传输通道特性影响终会表现成杂乱章状态时信号分析技术帮助振动信号监测工作特征提取齿轮振动信号常特征提取振动信号方法：时域分析法频域分析法时域频域分析法等
321时域分析法
时域分析法通监测分析振动信号定时间变化评估齿轮运行状态方法广泛评估时域特征参数：均值效值峰值峭度指标等时域分析法进行齿轮障诊断时需特征参数进行观察观察记录进行较观察数历史数做成曲线图观察齿轮振动信号变化趋势诊断齿轮障状态
时域分析参数指标分量纲量纲两类分类量纲参数：值峰值均值效值等分类量纲参数：峭度指标峰值子脉子等齿轮障诊断技术中齿轮工作状态会改变量纲值量纲值工作状态法进行较量纲特征参数齿轮进行直接分析齿轮振动信号时果利量纲特征参数齿轮运行状态监测获取信号部位等素会分析结果造成较影响诊断工作中果进行参数值应该两者齿轮运行状态监测部位保持致否会诊断结果出现误差影响诊断结果准确性齿轮运行状态量纲参数影响较量纲参数基齿轮状态关
齿轮处障工作状态时振动产生量分布会正常时较变化会伴产生击信号量纲特征参数中反映振动量方差反映振动强度效值量纲特征参数中反映击量峭度指标峰值子脉子诊断齿轮障状态判断指标量纲特征参数指标实时监测振动信号进行分析需进行进步信号处理定程度避免信号二次处理造成影响判断结果更加准确方面量纲特征参数指标齿轮障缺陷敏感度较高障产生振动信号幅值频率敏感度较低
述振动信号参数指标进行统计分析方法外时域步均种常时域分析技术齿轮障振动信号诊断原理振动信号进行特征提取强杂乱噪声会微弱障信号覆盖掉时齿轮振动信号叠加振动信号产生变化非线性时域步均种方法应象生时域步均原始振动信号相相位参数进行分段均种方法定程度消振动噪声广泛振动信号降噪处理例：Braun S时域步均噪声振动信号中分离出周期性参数McFadden P D时域步均消振动信号噪声凸现齿轮障特征振动信号常消噪音方法：相关函数ANC相关函数方法原理：周期信号频谱窄相关性较强噪声组成成分较序机噪声频谱较宽分布均匀相关性较效增强齿轮早期障时产生周期性障特征信号ANC种噪声覆盖特征信息分离出方法
322频域分析法
现代齿轮障诊断技术中频域分析法种较普遍诊断技术途径航空齿轮诊断技术中着广泛应种技术获取齿轮零部件频率信息障诊断效率效显著提升频域分析法利傅立叶变换繁琐时间变化序列信号变换成齿轮振动频率关变量获齿轮障特振动信号频率结构表达振动信号频率特性振动信号时间特性间密切联系频域分析法通分析齿轮转动频率啮合频率高次谐波等频率参数频率参数峰值相位信息诊断齿轮障重参数
种信号傅立叶变换轴频率横轴分相位幅度两张图频谱信号频域中表现形式频谱分析复杂样信号简化较简单信号相时域分析技术说更直观观察者振动特征信号基频谱发展成许频域分析方法倒频谱分析细化谱分析等技术
（1） 倒频谱分析
倒频谱分析项信号分析新技术时域信号进行傅立叶变换转化频率函数描绘出频谱图时候频谱图会出现较复杂周期结构信号分析造成阻碍时候频率函数进行次傅立叶变换容易方便分离出频谱中周期成分呈现谱线形式种信号分析技术BogertHealyTukey1963年提出齿轮啮合时频谱边频带分布交错时候频率细化已满足测试结果精准度求输入信号传递函数辨认识研究者通常倒频谱方法种方法功率谱中调制引起周期量区出找出调制源齿轮出现障时频谱会显示出许边带频率成分通倒频谱分析中相间隔会峰值倒频谱中表达出观察峰值变化趋势作诊断齿轮障状态判传感器测点位置传输振动信号途径倒频谱分析说敏感度较低更加便者找障部位特征频率
（2） 细化谱分析
齿轮障时频谱通常会出现中心频率啮合频率调制频率控制齿轮旋转轴转动频率调制边频带齿轮障诊断某频段齿轮障识较敏感频段会齿轮障振动特征信息集中点特定频段信号进行次测量描绘出信号变化趋势图齿轮障状态进行诊断作种高精度信号分析手段细化谱分析失真前提局部放振动信号频谱中特定频段幅提升该频段频率分辨率频谱分析精确度
33齿轮障诊断技术研究中存问题
331基油液分析技术缺陷
油液分析技术通取样齿轮润滑油组成成分含颗粒组成数量进行分析作诊断齿轮障沉淀润滑油中磨损微粒线提取难度较齿轮法离线分析干扰正常运行会降低障诊断精确度效率前文油液分析技术分析中污染度分析部分中提仪器精密度会程度影响油液分析准确度必须精密度高仪器污染度分析程较复杂误差较研究表明齿轮出现早期障障程度较低情况润滑油温度变化敏感齿轮障蔓延恶化润滑油温度会较明显升高趋势说明油液分析技术前期障诊断适仪器精密度工作环境优劣会铁谱分析光谱分析造成较影响便实时监测
332基振动信号分析技术缺陷
现代生产中国外齿轮障诊断技术基振动信号分析技术振动传感器必须贴附齿轮表面传感器安装便利性较低工作环境较恶劣等素限制振动信号分析技术应发生齿轮部障通提取识齿轮表面信息进行分析传递信号路径较繁琐会出现信噪较低严重失真现象航空领域工作环境中噪声较会覆盖齿轮早期障发出微弱信号法进行高效准确障诊断法修复早期弱障快速恶化时飞机维修工作现场会腐蚀性较强溶液AV15防腐剂870B2密封胶MEK（丁酮）等等会信号线产生腐蚀
333单障诊断技术缺陷
齿轮结构外诊断齿轮障需外两方面入手外障形式通常齿轮磨损障通常齿轮振动中表现出两者质齿轮障方面外界传递出齿轮发生障信息果单方面齿轮进行障诊断法全面精确齿轮障进行评估工程生产中果利单诊断技术齿轮进行障诊断结果适性信度精确度定会受影响
实际情况齿轮会发生单障发生种障定会诱发障趋势齿轮时发生障障引起障障产生信息会互相干扰齿轮障诊断工作造成定难度认单障诊断技术已满足现代工业生产需求文提出油液分析技术振动信号分析技术联合起提高障诊断技术范围精确度
34油液振动信号联合分析
国外学者2002年首次提出油液振动信号联合起分析诊断齿轮障状态想法伦学Dempsey传动装置油液振动信号联合分析技术根实际测量观察数表明油液振动信号两者分析样特征参数会异常变化通单独油液分析技术单独振动信号分析技术油液振动信号联合分析技术三种诊断技术结果发现油液振动信号联合分析技术出测量结果准确度明显提高澳利亚学研究者根齿轮磨损油液特点振动信号变化规律做实验观察分析油液中污染物齿轮振动信号监测影响
目前国油液分析振动信号联合技术研究处起步阶段北京理工学王耀青教授2004年提出油液分析振动信号信息融合概念2007年冯伟等齿轮点蚀进行障诊断分时频域分析技术研究齿轮磨损振动关系油液铁谱分析通观察频谱铁谱分析仪读数齿轮点蚀障特征信息提高障诊断准确性
油液分析振动信号分析联合起两种分析技术部位类型障源传递出信息进行综合分析获准确致诊断结果单分析技术相结合技术信息更加全面结果更加接障实况时传感器信息整合种障类型进行敏感识受限前文提种技术应面
现代生产中基油液振动信号联合分析技术研究方：铁谱分析振动信号联合铁谱分析光谱分析联合振动信息融合三类实际应中油液分析技术齿轮早期障进行诊断振动信号分析技术确定产生障部位障原通常油液分析预警振动信号分析协追踪油液分析发现障振动信号分析障定位振动信号分析发现障油液分析寻找原三种形式油液分析技术振动信号分析联合起提高齿轮诊断结果准确性效率
4 结展
41结
轻工业重工业中齿轮机械设备运转中担重角色着科技发展机械设备实现更功必定会更加复杂样结构先进齿轮障诊断技术势必会成工业生产科学研究重方仅仅提高类科技生产力更减少事发生关键社会财富身安全重保障研究齿轮障诊断技术课题意义十分重
文通方面齿轮障诊断技术进行研究：
（1） 首先文第二节齿轮传动原理失效形式失效机理进行介绍解齿轮障产生原根齿轮障进行诊断否齿轮障表面层面进行维修种治标治方案仅会提高设备维修保养成会降低生产效率
（2） 文第三节前半部分分介绍现流齿轮诊断技术分：基油液分析技术基振动信号分析技术两种技术齿轮工作时传递出形态信息作研究标齿轮障进行诊断油液分析技术分析齿轮工作时润滑油振动信号分析技术捕捉齿轮工作产生振动
（3） 没种方法万缺文第三节半部分两种分析技术局限性做出分析障诊断方面出发分析障中单方法局限性提出二者结合分析技术进行技术互补
42展
齿轮障诊断技术正愈加发光发热科学研究脚步会着时间越越深层迈进齿轮工作时信息传递会仅仅限制油液振动信号现科学界学者提出齿轮工作时量变化进行齿轮障诊断等等时提高诊断效率减少诊断工作生产设备影响文介绍油液分析技术振动信号分析技术会更加智通特征提取量数建立特征数库方便测齿轮参数数库数进行分析更高效智实现齿轮诊断提高齿轮障诊断效率保障安全生产
时5G技术线技术生产中应开始萌芽医学型医疗设备携带方便时候病医生面面方便实现时疾病检查5G医疗设备解决问题医生仪器前方便实时病疾病情况生产中利5G技术远程遥控拖拉机吊机等型机械设备仅降低员现场施工安全风险提高生产效率认5G技术发展定会齿轮障诊断技术中应减少现方法带误差
外根广州飞机维修工程限公司实历修部结构车间进行实天进行定量实工作容：货舱破损维修客舱门维修改装飞机翼破损维修发动机部维修等等工作中发动机部维修常常需损检测技术观察中飞机维修中损检测常手段射线检测超声波检测孔探技术损检测技术优势会检测材料造成破坏仪器帮助细缝等难接方找障源确定尺寸特适发动机种造价昂贵结构复杂部位发动机中动力元件齿轮认损检测应齿轮障诊断中提高齿轮障诊断方便性效率减少诊断技术需检测材料进行接触造成破损风险
参考文献
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摘
齿轮生产设备中必少传输动力元件齿轮正常工作仅保证安全生产进行提高生产效率齿轮工业农业航天业军事等方面广泛应某种程度说齿轮世界参份量机械元件方面齿轮耐久性足导致常发生障果发现障时会阻扰设备正常运行解齿轮常见障研究齿轮障诊断技术设备状态保障基础关键障发生早期精准诊断时维修阻止障蔓延避免财产损失员伤亡文齿轮常见障齿断裂齿面磨损齿面腐蚀等障现象原理进行分析然目前生产中常障诊断技术进行分析研究优势劣势提出改进方案
关键字：齿轮障类型 诊断 油液分析 振动信号分析
Analysis of common faults of gears and application of diagnostic techniques
Abstract
Gear is an indispensable transmission power component in production equipment the normal operation of gear can not only ensure the safety of production but also improve production efficiency Gears are widely used in industry agriculture aerospace military and other fields To some extent gears are the most heavily involved mechanical components in the world On the other hand the insufficient durability of the gear often leads to its failure if the improper use of the fault is not found in time will hinder the normal operation of the equipment Therefore it is the basis and key of equipment condition guarantee to understand the common faults of gears and study the fault diagnosis technology of gears Only in the early stage of fault diagnosis and timely maintenance can the spread of faults be stopped and property losses and casualties be avoided This paper mainly analyzes the principle of common faults of gear such as tooth fracture tooth surface wear tooth surface corrosion and other fault phenomena and then analyzes the fault diagnosis technology commonly used in current production studies its advantages and disadvantages and proposes improvement plans
Key words gear fault type diagnosis oil analysis vibration signal analysis
目 录
摘 2
Abstract 3
1 绪 6
11研究背景 6
12国外研究现状 6
13国研究现状 7
2 齿轮 8
21齿轮概述 8
22齿轮常见失效形式 8
23齿轮障原特点 8
3 齿轮障常诊断技术 9
31基油液分析技术 9
32基振动信号分析技术 12
33齿轮障诊断技术研究中存问题 14
34油液振动信号联合分析 15
4 结展 17
41结 17
42展 17
参考文献 19
谢 辞 20
1 绪
11研究背景
着现代科学生产技术进步航空飞行器设备构造越越先进功性动化程度提高飞行器发达民军航空带巨影响时客观抗阻素会设备带种障设备失部分功法甚会带生产商灾难性果例飞机发动机中齿轮箱等等仅飞机身造成结构损伤会飞行安全带极隐患果发生意外身安全财产带损失法估量根外国份调查报告齿轮障引起设备障概率约等10美国五十年代中八十年代中三十年间齿轮作障导致次直升机事甚外国飞机执行务时齿轮突然断裂导致失事古云史镜知兴齿轮障诊断技术真正先进化智化高效率高准确性迈进更保障设备安全运行避免财产损失员伤亡
时佳维修时机航空齿轮设备进行维护保养减少修成降低事发生率齿轮障诊断技术应已成航空维修领域热门研究方
航空齿轮设备工作环境通常高温强度设备没恒定工作状态更高安全性稳定性设备承受更变载荷提高设备安稳性先进齿轮诊断技术做时诊断维修发生事维修发展提前预知齿轮存危险素减少必损失事避免事严重性进步降低带更济效益社会价值认具重意义技术研究方
齿轮障诊断技术基础学科基础生产中应性较强技术性较着高技术发展发展时俱进提高障诊断准确性根国外工业中设备障诊断方面调查生产中齿轮诊断技术工厂没齿轮诊断技术工厂障发生率低
12国外研究现状
济发展永远离开生产力尤工业发达国家提高生产力科研重务齿轮诊断技术研究领域重分支
处诊断技术金字塔顶端美国公司BentlyHP等研究出诊断设备应性极强广泛应工业生产中美国航空航天局研发套诊断系统应航天领域中时着便携机技术含量越越高实时监测系统更加广泛应工业产中美国M6000系列产品等
欧洲诊断技术发展风格瑞典SPM公司轴承检测技术AGEMA公司红外热技术丹麦B&K公司振动噪声监测技术等
13国研究现状
80年代初国齿轮诊断技术发展正式进入起步阶段然时条件限制起步发展时代脚步国专家努力钻研政府组织外国专家华进行技术交流某理方面已踏入顶端层面国目前诊断特定设备方面颇深究研制独具特色诊断工具应行业关键设备中特智化障诊断专家系统航空载航天工程等部门担极重角色西安交通学型选转机械计算机状态监测障诊断系统哈尔滨工业学机组振动微机监测障诊断系统东北学设备诊断工程中心研制轧钢机状态监测诊断系统风机工作状态监测诊断系统表明国诊断技术高速发展取喜成果高校清华学东北学海交通学华中理工学等等成立实力雄厚诊断工程中心极推动国诊断技术发展
2 齿轮
21齿轮概述
齿轮机械传动中常见种传动形式齿轮负责传递运动动力通齿状机械零件传动转速扭矩进行改变齿轮具传动稳结构紧凑传动效率高等优点着齿轮传动技术发展齿轮运传动性精确求更高工作环境更加复杂航空器部件中飞机发动机飞机襟翼等重部件疑加工精度配合良度提出更高求果齿轮安装位传动时会产生较噪声振动产生失效导致设备障影响生产工作正常运行
22齿轮常见失效形式
工业生产中齿轮常见失效形式：齿断裂齿面磨损齿面疲劳齿面划痕障
23齿轮障原特点
231齿断裂
齿断裂通常齿轮载齿轮疲劳造成
疲劳断裂指齿轮载荷作弯曲应力齿根处齿根处渡方较应力集中较高弯曲应力反复作齿根处产生疲劳裂纹逐渐扩散整轮齿造成疲劳断裂
载断裂指：严重载超齿轮材料弯曲强度产生断裂
齿断裂通常设计参数合理轮齿材料存质量问题装配引起
232齿面磨损
齿轮传动中齿面落铁屑砂尘等磨粒性物质轮齿表面粗糙相互摩擦润滑良会引起齿面磨损齿面磨损会轮齿外观产生变化导致动载荷加产生齿断裂
233齿面疲劳
齿面疲劳指齿轮啮合时齿面金属屑剥落形成浅坑造成点蚀原相互啮合齿轮接触时齿面间作力反作力工作表面产生周期性交变接触应力引起齿面点蚀
234齿面划痕
润滑油粘度足转速偏低齿轮负荷高等等情况齿面相滑动造成油膜破裂引起损伤齿面划痕
3 齿轮障常诊断技术
目前齿轮障诊断技术基油样分析方法振动信号分析方法文逐两种方法进行研究分析工作原理优点存问题
31基油液分析技术
齿轮运转需润滑油进行润滑减啮合时产生摩擦通齿轮工作润滑油进行取样进行成分分析齿轮障状态进行诊断基油液分析技术
然齿轮设备保养维修费中润滑油更换费占例非常润滑油质量问题导致润滑性法达齿轮正常工作标准齿轮造成障率占例齿轮润滑油油状进行分析监测工作十分必样提高润滑油质量减少齿轮更换润滑油频率降低齿轮维修成提高齿轮工作寿命
油液分析技术容易识出油液中磨损微粒捕捉微粒细微变化传递出齿轮工作状态信息实现需拆卸齿轮诊断齿轮障情况成齿轮常障诊断技术铁谱分析技术光谱分析技术油样理化性质指标检验计算油液中固体颗粒数量油样污染度分析油液分析技术中常手段
311铁谱分析技术
磁场具定阶梯磁场强度根磁力尺寸磨损微粒进行序排列然铁谱仪磨损微粒形状特征数量进行检测获取磨损微粒信息
铁谱分析仪两种类型：直读铁谱仪分析铁谱仪直读式铁谱仪磨粒序沉积沉积利光电转换原理测出表征油液样品中磨粒(5µm)浓度磨粒(1～2µm)浓度DLDs值绘出铁谱参数曲线判断机器磨损变化进程趋势
1—250μm反映齿轮磨损特征佳尺寸范围铁谱仪尺寸范围磨损微粒分离出进行检测时准确判断机器磨损变化
表21齿轮磨损时期磨损特征
磨损时期
磨损特征
磨合磨损
磨合磨损产生细长磨损微粒通常长宽5：1磨合磨损磨损微粒种类型数量约正常磨损期2倍磨损微粒粒度浓度发展趋势先程
正常磨损
正常磨损产生量薄片状金属磨损微粒通常长宽21长度厚度101磨粒尺寸范围长度方低15μm部分磨粒尺寸2μm
载磨损
低速时齿轮载磨损会产生片状磨损颗粒通常长宽21长厚101长度达1毫米载程度越高磨损微粒尺寸越载磨损产生磨损微粒远正常磨损
速磨损
速导致齿轮擦伤胶合产生磨损微粒表面氧化痕迹颗磨损微粒颗磨损微粒数量较低1：500更低磨损微粒总量高正常磨损期长度厚度约10：1150μm
疲劳磨损
疲劳磨损导致齿轮表面光滑金属颗粒剥落颗粒表面氧化痕迹通常长宽6：1长度厚度约5：1磨损微粒长度达150μm15μm颗磨损微粒落15～25μm范围颗磨损微粒颗磨损微粒数量高约1：50更高总量正常磨损35倍
312光谱分析技术
光谱分析原子层面润滑油组成元素磨损元素污染元素进行检测分析原理：种原子独特特征光谱通发射光谱者吸收光谱鉴物质化学成分获化学元素变化信息实现齿轮磨损状态诊断
发射光谱利原子激发状态发射出特征光谱性质判断物质组成原子特定发射光谱 通测原子发射光谱相应测出物质成分含量齿轮润滑系统中 定期采取油样进行光谱分析 获反映齿轮工作状态变化种信息
吸收光谱根测元素特征光谱通样品蒸汽中测元素基态原子吸收测元素光谱减弱强度计算含量
光谱分析技术局限识10µm磨损微粒磨损微粒识敏感度着磨损微粒尺寸增变导致齿轮障诊断检测力降铁谱分析技术粒磨损微粒识敏感度较高铁谱分析技术成相光谱分析技术更加廉价实际应中光谱分析技术铁谱分析技术常常综合应更高效更准确齿轮障状态进行诊断
313理化性分析
理化性分析技术检测分析润滑油身润滑油达标准条件造成润滑良齿轮磨损原润滑油品质润滑油身理化性决定齿轮说般齿轮粘度酸碱度水分温度杂质等理化性指标进行分析检测否符合齿轮润滑求判断前润滑油润滑状态否保持齿轮正常工作状态避免润滑失效导致齿轮磨损加重时监测润滑油理化性指标更换润滑油齿轮维修提供理证
粘度齿轮润滑中理化性指标润滑油承载力衡量标准粘度正常范围参考值润滑油承载力时润滑油粘度会高会导致齿轮传动程中会润滑油摩擦力较产生更热造成量损失润滑油承载力较时润滑油粘度会低齿轮会产生更摩擦损耗
酸碱度取决润滑油中酸性碱性物质含量少酸性物质越酸度越高碱性物质越碱度越高润滑油添加剂衰变程中会产生酸酸性物质会加快齿轮腐蚀磨损般测量酸值检测润滑油酸度否符合标准测量酸值酸碱滴定测量中消耗碱性标准溶液（常氢氧化钠氢氧化钾氢氧化钡）质量作检测标准
水分指水润滑油中质量占齿轮工作程中外水蒸气会透齿轮密封缝隙渗透润滑油中润滑油会发生乳化导致润滑油油膜难形成添加剂法发挥作齿轮腐蚀磨损会更加严重
齿轮工作温度润滑油粘度影响极SiHC航天润滑油 温度54 ℃40 ℃时粘度分157300 mm²s7122 mm²s二者数值相差2208倍前文中提粘度齿轮理化性质指标温度润滑油性影响影响润滑油粘度齿轮工作提供合适温度尤重
杂质指悬浮沉淀润滑油中固体物质中润滑油说定期检查油液中杂质含量变化趋势十分重杂质般源外界粉尘污染齿轮摩擦中产生金属屑等仅会造成齿轮磨损会堵塞油路滤器
314红外光谱分析技术
红外光谱分析技术分子层面润滑油组成成分进行分析种分子特定红外光谱观察官团红外光谱吸光度变化获润滑油组成成分变化信息红外光谱检测润滑油中水含量氧化程度粉尘污染添加剂含量等检测方基理化性分析技术致红外光谱分析技术更快速更准确进行检测时更换损耗法达标准润滑油避免齿轮磨损更加严重相理化性分析生产者更偏红外光谱分析技术
315污染度分析
根调查显示 油液污染引起障相占 减少油液污染度效促进安全生产污染度分析技术根润滑油中颗粒尺寸数量润滑油污染度进行评级油液污染度常检测方法：重量分析法显微镜法动颗粒计数器法
重量分析法测量油样中颗粒污染物质量 判断油液污染程度分析时首先需滤油样 然滤杂质颗粒物收集起通滤前质量计算出污染物重量重量分析法操作简便仪器求高耗时较长结果知道润滑油中污染物含量 测量结果够全面
显微镜法微孔滤膜设备滤颗粒置放滤膜 处理制成试片光学显微镜进行观察观察结果作污染度评判证种方法样需较操作时间 终污染度等级判断纯粹肉眼观察 出现较误差
动颗粒计数器法相前两种方法更加先进目前广泛油液污染度检测种方法实现快速检测操作相重量分析法显微镜法更加机械化减少测量误差提供更加精准稳定性更高测量结果根动颗粒计数器工作原理 分遮光型电阻型网式堵塞型等种类动颗粒计数器 油液污染度分析工作中广泛遮光型颗粒计数器法
32基振动信号分析技术
年着振动噪声理信号分析数处理技术计算机技术关基础科学学科发展基齿轮工作时产生振动信号障诊断技术提供良基础基振动信号分析方法种基油液分析技术研究分析象齿轮障诊断方法维修现场规模振动信号监测技术通特定检测设备齿轮部障情况进行深刻解种技术研究分析方面齿轮设备旋转失衡结构失衡等问题
齿轮设备工作传递功率运动传动程中齿轮设备影响素出现障齿轮工作稳定性会遭破坏传递力作种力运动失衡现象表现振动时振动噪声伴齿轮工作中根关科学研究结齿轮工作时产生振动噪声强度频率齿轮障类型障程度障部位等着密切关系
基振动信号分析方法利信号分析处理技术波形图形式表示齿轮工作状态通AD变换技术波形图转换成数字曲线序列齿轮工作时止部位会产生振动信号会受传输通道特性影响终会表现成杂乱章状态时信号分析技术帮助振动信号监测工作特征提取齿轮振动信号常特征提取振动信号方法：时域分析法频域分析法时域频域分析法等
321时域分析法
时域分析法通监测分析振动信号定时间变化评估齿轮运行状态方法广泛评估时域特征参数：均值效值峰值峭度指标等时域分析法进行齿轮障诊断时需特征参数进行观察观察记录进行较观察数历史数做成曲线图观察齿轮振动信号变化趋势诊断齿轮障状态
时域分析参数指标分量纲量纲两类分类量纲参数：值峰值均值效值等分类量纲参数：峭度指标峰值子脉子等齿轮障诊断技术中齿轮工作状态会改变量纲值量纲值工作状态法进行较量纲特征参数齿轮进行直接分析齿轮振动信号时果利量纲特征参数齿轮运行状态监测获取信号部位等素会分析结果造成较影响诊断工作中果进行参数值应该两者齿轮运行状态监测部位保持致否会诊断结果出现误差影响诊断结果准确性齿轮运行状态量纲参数影响较量纲参数基齿轮状态关
齿轮处障工作状态时振动产生量分布会正常时较变化会伴产生击信号量纲特征参数中反映振动量方差反映振动强度效值量纲特征参数中反映击量峭度指标峰值子脉子诊断齿轮障状态判断指标量纲特征参数指标实时监测振动信号进行分析需进行进步信号处理定程度避免信号二次处理造成影响判断结果更加准确方面量纲特征参数指标齿轮障缺陷敏感度较高障产生振动信号幅值频率敏感度较低
述振动信号参数指标进行统计分析方法外时域步均种常时域分析技术齿轮障振动信号诊断原理振动信号进行特征提取强杂乱噪声会微弱障信号覆盖掉时齿轮振动信号叠加振动信号产生变化非线性时域步均种方法应象生时域步均原始振动信号相相位参数进行分段均种方法定程度消振动噪声广泛振动信号降噪处理例：Braun S时域步均噪声振动信号中分离出周期性参数McFadden P D时域步均消振动信号噪声凸现齿轮障特征振动信号常消噪音方法：相关函数ANC相关函数方法原理：周期信号频谱窄相关性较强噪声组成成分较序机噪声频谱较宽分布均匀相关性较效增强齿轮早期障时产生周期性障特征信号ANC种噪声覆盖特征信息分离出方法
322频域分析法
现代齿轮障诊断技术中频域分析法种较普遍诊断技术途径航空齿轮诊断技术中着广泛应种技术获取齿轮零部件频率信息障诊断效率效显著提升频域分析法利傅立叶变换繁琐时间变化序列信号变换成齿轮振动频率关变量获齿轮障特振动信号频率结构表达振动信号频率特性振动信号时间特性间密切联系频域分析法通分析齿轮转动频率啮合频率高次谐波等频率参数频率参数峰值相位信息诊断齿轮障重参数
种信号傅立叶变换轴频率横轴分相位幅度两张图频谱信号频域中表现形式频谱分析复杂样信号简化较简单信号相时域分析技术说更直观观察者振动特征信号基频谱发展成许频域分析方法倒频谱分析细化谱分析等技术
（1） 倒频谱分析
倒频谱分析项信号分析新技术时域信号进行傅立叶变换转化频率函数描绘出频谱图时候频谱图会出现较复杂周期结构信号分析造成阻碍时候频率函数进行次傅立叶变换容易方便分离出频谱中周期成分呈现谱线形式种信号分析技术BogertHealyTukey1963年提出齿轮啮合时频谱边频带分布交错时候频率细化已满足测试结果精准度求输入信号传递函数辨认识研究者通常倒频谱方法种方法功率谱中调制引起周期量区出找出调制源齿轮出现障时频谱会显示出许边带频率成分通倒频谱分析中相间隔会峰值倒频谱中表达出观察峰值变化趋势作诊断齿轮障状态判传感器测点位置传输振动信号途径倒频谱分析说敏感度较低更加便者找障部位特征频率
（2） 细化谱分析
齿轮障时频谱通常会出现中心频率啮合频率调制频率控制齿轮旋转轴转动频率调制边频带齿轮障诊断某频段齿轮障识较敏感频段会齿轮障振动特征信息集中点特定频段信号进行次测量描绘出信号变化趋势图齿轮障状态进行诊断作种高精度信号分析手段细化谱分析失真前提局部放振动信号频谱中特定频段幅提升该频段频率分辨率频谱分析精确度
33齿轮障诊断技术研究中存问题
331基油液分析技术缺陷
油液分析技术通取样齿轮润滑油组成成分含颗粒组成数量进行分析作诊断齿轮障沉淀润滑油中磨损微粒线提取难度较齿轮法离线分析干扰正常运行会降低障诊断精确度效率前文油液分析技术分析中污染度分析部分中提仪器精密度会程度影响油液分析准确度必须精密度高仪器污染度分析程较复杂误差较研究表明齿轮出现早期障障程度较低情况润滑油温度变化敏感齿轮障蔓延恶化润滑油温度会较明显升高趋势说明油液分析技术前期障诊断适仪器精密度工作环境优劣会铁谱分析光谱分析造成较影响便实时监测
332基振动信号分析技术缺陷
现代生产中国外齿轮障诊断技术基振动信号分析技术振动传感器必须贴附齿轮表面传感器安装便利性较低工作环境较恶劣等素限制振动信号分析技术应发生齿轮部障通提取识齿轮表面信息进行分析传递信号路径较繁琐会出现信噪较低严重失真现象航空领域工作环境中噪声较会覆盖齿轮早期障发出微弱信号法进行高效准确障诊断法修复早期弱障快速恶化时飞机维修工作现场会腐蚀性较强溶液AV15防腐剂870B2密封胶MEK（丁酮）等等会信号线产生腐蚀
333单障诊断技术缺陷
齿轮结构外诊断齿轮障需外两方面入手外障形式通常齿轮磨损障通常齿轮振动中表现出两者质齿轮障方面外界传递出齿轮发生障信息果单方面齿轮进行障诊断法全面精确齿轮障进行评估工程生产中果利单诊断技术齿轮进行障诊断结果适性信度精确度定会受影响
实际情况齿轮会发生单障发生种障定会诱发障趋势齿轮时发生障障引起障障产生信息会互相干扰齿轮障诊断工作造成定难度认单障诊断技术已满足现代工业生产需求文提出油液分析技术振动信号分析技术联合起提高障诊断技术范围精确度
34油液振动信号联合分析
国外学者2002年首次提出油液振动信号联合起分析诊断齿轮障状态想法伦学Dempsey传动装置油液振动信号联合分析技术根实际测量观察数表明油液振动信号两者分析样特征参数会异常变化通单独油液分析技术单独振动信号分析技术油液振动信号联合分析技术三种诊断技术结果发现油液振动信号联合分析技术出测量结果准确度明显提高澳利亚学研究者根齿轮磨损油液特点振动信号变化规律做实验观察分析油液中污染物齿轮振动信号监测影响
目前国油液分析振动信号联合技术研究处起步阶段北京理工学王耀青教授2004年提出油液分析振动信号信息融合概念2007年冯伟等齿轮点蚀进行障诊断分时频域分析技术研究齿轮磨损振动关系油液铁谱分析通观察频谱铁谱分析仪读数齿轮点蚀障特征信息提高障诊断准确性
油液分析振动信号分析联合起两种分析技术部位类型障源传递出信息进行综合分析获准确致诊断结果单分析技术相结合技术信息更加全面结果更加接障实况时传感器信息整合种障类型进行敏感识受限前文提种技术应面
现代生产中基油液振动信号联合分析技术研究方：铁谱分析振动信号联合铁谱分析光谱分析联合振动信息融合三类实际应中油液分析技术齿轮早期障进行诊断振动信号分析技术确定产生障部位障原通常油液分析预警振动信号分析协追踪油液分析发现障振动信号分析障定位振动信号分析发现障油液分析寻找原三种形式油液分析技术振动信号分析联合起提高齿轮诊断结果准确性效率
4 结展
41结
轻工业重工业中齿轮机械设备运转中担重角色着科技发展机械设备实现更功必定会更加复杂样结构先进齿轮障诊断技术势必会成工业生产科学研究重方仅仅提高类科技生产力更减少事发生关键社会财富身安全重保障研究齿轮障诊断技术课题意义十分重
文通方面齿轮障诊断技术进行研究：
（1） 首先文第二节齿轮传动原理失效形式失效机理进行介绍解齿轮障产生原根齿轮障进行诊断否齿轮障表面层面进行维修种治标治方案仅会提高设备维修保养成会降低生产效率
（2） 文第三节前半部分分介绍现流齿轮诊断技术分：基油液分析技术基振动信号分析技术两种技术齿轮工作时传递出形态信息作研究标齿轮障进行诊断油液分析技术分析齿轮工作时润滑油振动信号分析技术捕捉齿轮工作产生振动
（3） 没种方法万缺文第三节半部分两种分析技术局限性做出分析障诊断方面出发分析障中单方法局限性提出二者结合分析技术进行技术互补
42展
齿轮障诊断技术正愈加发光发热科学研究脚步会着时间越越深层迈进齿轮工作时信息传递会仅仅限制油液振动信号现科学界学者提出齿轮工作时量变化进行齿轮障诊断等等时提高诊断效率减少诊断工作生产设备影响文介绍油液分析技术振动信号分析技术会更加智通特征提取量数建立特征数库方便测齿轮参数数库数进行分析更高效智实现齿轮诊断提高齿轮障诊断效率保障安全生产
时5G技术线技术生产中应开始萌芽医学型医疗设备携带方便时候病医生面面方便实现时疾病检查5G医疗设备解决问题医生仪器前方便实时病疾病情况生产中利5G技术远程遥控拖拉机吊机等型机械设备仅降低员现场施工安全风险提高生产效率认5G技术发展定会齿轮障诊断技术中应减少现方法带误差
外根广州飞机维修工程限公司实历修部结构车间进行实天进行定量实工作容：货舱破损维修客舱门维修改装飞机翼破损维修发动机部维修等等工作中发动机部维修常常需损检测技术观察中飞机维修中损检测常手段射线检测超声波检测孔探技术损检测技术优势会检测材料造成破坏仪器帮助细缝等难接方找障源确定尺寸特适发动机种造价昂贵结构复杂部位发动机中动力元件齿轮认损检测应齿轮障诊断中提高齿轮障诊断方便性效率减少诊断技术需检测材料进行接触造成破损风险
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