機械齒輪故障機理以及特性分析

陳 國

（德州亞太集團有限公司，山東 德州 253000）

在機械齒輪出現(xiàn)故障時，會出現(xiàn)齒面破損、劃痕、剝落、輪齒斷裂等現(xiàn)象，影響機械的使用壽命，還會使機械生產(chǎn)受到影響。因此，需要對機械齒輪的故障機理和特性進行研究，以便在機械齒輪出現(xiàn)故障時，能及時采取針對性措施排除故障。

1 機械齒輪故障振動類型

（1）材料不穩(wěn)定引起的震動。機械齒輪的材料決定著齒輪的質(zhì)量，當所使用的材料不滿足要求時，齒輪的質(zhì)量就會受到影響，從而在使用過程中發(fā)生故障。目前，許多機械齒輪故障都是因為其生產(chǎn)材料質(zhì)量差導致的。在齒輪材料失去穩(wěn)定性的情況下，或者是在輪子與中軸沒對準的情況下，機械齒輪就會出現(xiàn)故障振動現(xiàn)象，其振動頻率主要受機械齒輪諧波的影響。

（2）齒輪碰撞引起的自振。在機械齒輪的運行過程中，齒輪之間會產(chǎn)生碰撞，由此可能會引起齒輪故障。不同機械中的齒輪有所差別，有些機械的運轉(zhuǎn)速度比較快，機械齒輪的輪齒數(shù)量就會比較多；有些機械的運轉(zhuǎn)速度比較慢，所以齒輪的輪齒數(shù)量相對比較少。當輪齒數(shù)量比較多時，輪齒之間就很容易產(chǎn)生碰撞，由于機械運轉(zhuǎn)速度快，碰撞就會比較激烈，導致機械齒輪被動的震動。當輪齒之間相互摩擦時，如果不及時將齒輪卸載下來進行調(diào)整，就會導致齒輪結(jié)構(gòu)被破壞，使齒輪快速的衰減。

（3）嚙合過程中引起的激振。機械齒輪的嚙合階段，要注意觀察嚙合頻率的變化情況，并檢查機械齒輪的工作狀態(tài)。當齒輪處于正常工作狀態(tài)時，其嚙合頻率一般是比較固定的，齒形之間會保持一定的安全距離。但是，齒形之間存在相對誤差，在進行嚙合時，各個齒輪會出現(xiàn)彈性變形，這是由齒輪之間的相互摩擦和碰撞引起的。當齒面出現(xiàn)部分損傷時，會引起激振，其強迫振動頻率由兩個因素決定，一是受損的齒輪數(shù)量，二是軸轉(zhuǎn)速頻率，這兩個因素的乘積就是強迫振動頻率。另一方面，有些機械齒輪不均勻，輪齒之間的距離會周期變化，從而出現(xiàn)信號調(diào)制問題，即在對應的幅頻特征曲線中，會在嚙合頻率和諧波的兩邊出現(xiàn)一簇邊頻帶。

2 機械齒輪故障機理及特征

（1）故障機理。根據(jù)齒輪傳動的動態(tài)機理生的齒輪相對位移；M為齒輪副的等效質(zhì)量；C為齒輪嚙合阻尼；K（t）為齒輪嚙合剛度，隨時間 t變化；δ1表示齒輪受載后的平均彈性變形；δ2表示齒輪傳動誤差和故障激勵所引起的兩齒輪間的相對位移。動態(tài)激勵有四種，分別為剛度激勵、傳動誤差、嚙合沖擊和節(jié)線沖擊。大部分齒輪嚙合的重合度都不是整數(shù)，在嚙合過程中參與嚙合的輪齒對數(shù)會隨時間的變化而出現(xiàn)周期性的變化，從而引起齒輪振動。傳動誤差是齒輪振動和噪聲的主要激發(fā)源，當傳動誤差比較大時，齒輪在運轉(zhuǎn)過程中由于進入和脫離嚙合時的碰撞加劇，就會產(chǎn)生比較高的振動峰值，還會形成短暫時間的幅值變化和相位變化。比如，裝配誤差是由于齒的寬度方向上接觸面積比較少，造成齒輪負荷不均勻，齒輪軸不平行產(chǎn)生荷載沖擊，從而造成齒輪斷裂。嚙合沖擊是在嚙合過程中，由于輪齒誤差和受載彈性變形的影響，輪齒進入和退出嚙合點與理論值之間存在偏差沒，所以在進入和退出嚙合時會發(fā)生沖擊。在主動輪帶動從動輪時，主動輪上的嚙合點由齒根移向齒頂，嚙合半徑逐漸增大，速度逐漸提升，而從動輪上嚙合點是由齒頂向齒根移動，嚙合半徑逐漸減小，速度逐漸降低。

（2）故障特征。當機械齒輪的齒面出現(xiàn)均勻性的磨損、比較高的徑向間隙、齒輪所承擔的負荷太大，都會增加嚙合頻率和諧波幅值。齒輪振動的邊頻通常比較復雜，當齒輪箱中在同一時間有多個齒輪嚙合時，邊頻會自動疊加，增加頻譜圖的復雜度。在這樣的情況下，要通過頻譜圖分析特征頻率就會比較困難。低頻脈沖的轉(zhuǎn)速頻率會影響諧波信號的構(gòu)成。比如，當齒輪轉(zhuǎn)子沒有形成比較好的對中狀況，或者平衡狀態(tài)沒有達到要求時，就會引起松動現(xiàn)象，從而引起低頻脈沖問題。同時，還會引起齒輪載波信號和零線不對稱情況。例如，原始齒輪及其調(diào)幅信號應在零線處對稱，但受到低頻脈沖信號的影響時，就會出現(xiàn)偏離零線的問題。

3 結(jié)語

綜上所述，機械齒輪在運作中發(fā)生故障，一般會引起振動現(xiàn)象，而振動一般是由材料不穩(wěn)定、齒輪碰撞及嚙合引起的。因此，想要有效消除故障振動現(xiàn)象，就需要根據(jù)機械齒輪故障機理，以及故障特性，確定出現(xiàn)故障的原因，從而根據(jù)故障原因采取相應的措施排除故障，確保機械齒輪的正常運行，從而保障機械制造生產(chǎn)的順利進行。

［1］王鑫，徐玉秀，武寶林，等.兩級定軸齒輪斷齒故障的非線性耦合特性研究［J］.振動與沖擊，2016，35（13）：119-124+178.

［2］王曉筍，巫世晶，周旭輝，等.含磨損故障的齒輪傳動系統(tǒng)非線性動力學特性［J］.振動與沖擊，2013，32（16）：37-43+69.