煤礦減速機齒輪箱零部件的失效形式及機理探析

王 欣

（寧夏煤礦設計研究院有限責任公司 寧夏 銀川 750011）

0 引言

齒輪箱作為煤礦減速機不可少的連接和傳遞動力的通用零部件，同時由于煤礦減速機由于本身結構的復雜性，工作環境惡劣的原因等很容易受到損害和出現故障。 據統計，傳動機械中80%的故障是由齒輪引起的，旋轉機械中齒輪故障占其故障的10%左右。

1 齒輪箱失效原因及失效比重

齒輪箱中主要的零部件包括齒輪、軸和滾動軸承等，而且這三類主要零部件失效時會產生相互影響的故障，所以對齒輪箱故障診斷主要分析齒輪、滾動軸承和軸的主要失效形式，通常齒輪投入使用后，由于設計、裝配、設計或者維護方面的原因會產生各種形式的失效。

表1 齒輪箱失效原因及失效比重

表1 列出了齒輪箱失效的主要原因及失效比重，表2 為齒輪箱各類零件損壞的百分比。

表2 齒輪箱的失效零件及失效比重

2 齒輪的異常現象

造成齒輪異常的原因很多，主要包括制造原因、裝配原因以及齒輪本身的損傷等。 在制造方面，在加工過程中由于工藝等原因導致偏心、齒形誤差以及齒距偏差等；齒輪裝配不當，比如有些裝配不能很好地平穩地傳遞動力、裝配不平行，與軸的裝配不良等均可能產生齒輪的異常現象；而齒輪本身的損傷情況很復雜，包括設計不當，制造誤差，裝配不良等都可能造成齒輪的齒面燒傷、色變、點蝕、剝落、塑性變形、磨損、膠合、波紋、隆起、斷裂等損傷情況發生。 而其中的某一方面結果也會導致其他的異常現象等等。

3 滾動軸承的失效形式

滾動軸承應用于各種旋轉機械中， 也是齒輪箱重要的組成部分，也是容易失效的一個零部件之一。煤礦減速機的健康狀態也直接與滾動軸承健康狀況息息相關， 所以在很大程度上軸承的好壞也決定著減速機的健康狀態。 滾動軸承的失效會導致齒輪的異常，以至于設備的故障，很多的齒輪箱損壞都與軸承相關。據統計，一般旋轉機械發生故障其原因由滾動軸承造成的概率為7%。在齒輪箱中，滾動軸承是承力單元，轉速相對較高，所承載的負荷也相對較大，有調查顯示，球軸承出現故障時，90%的概率發生在內圈與外圈上， 其他一般發生在滾動體上，而發生在保持架上的概率相對很低。

滾動軸承在運行過程中，很容易受到裝配不當，水分、異物侵入、潤滑問題等損壞，特別是過載、腐蝕等原因造成軸承的損壞，所以說滾動軸承的損傷形式也是多樣的，而且原因也相對復雜。 典型的損失形式有疲勞、膠合、磨損、燒傷、腐蝕、破損、壓痕等，這些損傷的原因也很多樣，可以查閱相關文獻等。

4 軸不平衡、不對中和彎曲

在齒輪箱中，軸都會存在一些平衡、對中和彎曲等問題，隨著工藝和加工精度的提高，只要將這些不平衡量、不對中度以及彎曲控制在一定的范圍之內，齒輪箱都是可以認為是正常運行的。 當然如不平衡問題，當其不平衡量超過了一定的程度，就會對齒輪箱的健康狀態產生較大的影響，而且有可能使齒輪箱發生故障問題。 這里所提到的平衡問題主要是來自以下幾個方面：在機械加工過程中，不管哪個零部件，或多或少存在一些工藝的問題，所以即使是新制造的軸也會存在不平衡的問題；另外一個原因是在長期的使用過程中，受到過大的載荷沖擊產生變形或者彎曲； 在很多的情況下卻是由于疲勞作用產生的。

齒輪箱在運行時，當出現齒輪故障、軸承故障時，通常還會伴隨著軸的故障，典型的軸故障包括: 軸不對中、軸不平衡、軸彎曲等。這些故障也將嚴重影響齒輪箱整體健康狀態。

在齒輪箱中，有的軸與軸之間通過聯軸器連接，這種軸系的存在會產生不對中的問題，這是由于在設計、制造、安裝或者在使用的過程中產生的。通常這種不對中的問題也會對齒輪箱的健康狀態產生較大的問題。軸不對中主要發生在軸的聯軸器位置，由于不對中，會使軸在旋轉中受徑向交變力作用而產生振動。 因存在軸之間偏差，齒輪傳動過程中會出現分布類型的齒形誤差，從而產生齒輪的嚙合頻率調制現象。在本文的案例中，采取的是加速度傳感器采集信號，但軸不對中在齒輪箱中測得的振動信號頻率非常低， 加速度信號很難反映其特性，研究表明軸不對中信號中由于分布式齒形誤差，會出現齒輪嚙合頻率及其諧波為載波， 齒輪軸旋轉頻率及其高次諧波為調制波的調制形式。

軸受到過大的沖擊載荷會產生彎曲導致不平衡問題，軸不平衡時在齒輪傳動過程中也會導致齒形誤差，形成以嚙合頻率及其倍頻為載波頻率，以齒輪軸旋轉頻率為調制頻率的嚙合頻率調制現象，在頻譜圖上表現為邊帶數量少而稀，該軸旋轉頻率成分相對明顯，其振動能量也會有相應的增加。

同樣這種瞬間的載荷沖擊也會造成輕度彎曲向嚴重彎曲轉變。當軸發生輕度彎曲的時候，很多情況下會產生齒形誤差，這種齒形誤差導致調制現象，通常這種調制現象通常是以嚙合頻率及其倍頻為載波頻率，以齒輪的軸旋轉頻率為調制頻率，假如存在多對齒輪時，相應的也會導致各種調制現象并存，同時其振動的能量加劇，當軸彎曲情況比較嚴重時，通常伴隨的是沖擊對時域信號產生影響，沖擊持續整個周期的1/3 以上。 當其沖擊能量很大時，在下面箱體共振中也提到會引起齒輪箱箱體共振，振幅很大，出現箱體共振調制現象。

軸的這些失效形式在很多情況向會引起齒輪的失效，這是因為軸的問題導致嚙合狀態發生改變。而且齒輪和滾動軸承都是安裝在軸上面的，所以也有可能是滾動軸承的工作狀況也發生變化。 所以在本文中對于某一軸承座上測得的信號實際上包含了軸、齒輪、滾動軸承的信息，在評價過程中應予重視。

5 箱體共振

齒輪箱箱體共振主要是箱體受到箱體外的激勵觸發其固有頻率，相對來說箱體共振是比較嚴重的問題。

如果箱體是薄板結構，地基傳來的振動、軸系的輕度彎曲以及齒形的較大誤差在運行中產生的激勵都會影響其箱體的固有頻率，但是一般不會產生箱體共振調制現象，共振信號呈現比較穩定的狀態。 其頻率成分中箱體固有頻率為主， 其他頻率其幅值相對比較不明顯，但是伴隨的振動能量加劇比較明顯。

當齒輪箱箱體出現共振的情況時，一般是其他零部件的振動引發激起齒輪箱的固有頻率，此時的振動信號會出現調制現象。 調制的中心頻率為其箱體的固有頻率以及齒輪的嚙合頻率及其高次諧波頻率，調制頻率一般是轉軸旋轉頻率等， 相應頻率幅值和能量都會有所增加。

6 結束語

總之，齒輪及齒輪箱作為機械設備中不可缺少的連接和傳遞動力的零部件，在我國各領域包括機床、航空、電力、能源、農業機械、冶金、運輸機械等現代設備中得到廣泛的應用，特別是機械設備在科學技術日新月異的時代，而齒輪裝置，特別在齒輪箱，在任何大型設備都發揮著無可替代的作用，而且對其要求也越來越高，可以說大型化、高強度、高效率、自動化以及高性能是一種必然的發展趨勢。

［1］工康，李魏華，朱小勇.齒輪及齒輪箱故障診斷實用技術[M].北京:機械工業出版社，2005.

［2］項文娟.齒輪箱故障源信號分析方法及系統研究[D].杭州:浙江大學，2007.