有關齒輪傳動裝置故障診斷研究

朱植宇

摘 要：齒輪傳動裝置的齒輪類故障主要有齒面磨損、齒面膠合和點蝕、輪齒裂紋和斷齒。齒面磨損主要引起齒廓改變，齒面膠合和點蝕則導致齒面不光滑，輪齒裂紋則對嚙合剛度和接觸力產生影響，而斷齒則會引起嚙合沖擊?？傊?，不同的齒輪故障會表現出不同的故障特征。因此，研究齒輪傳動裝置故障診斷具有重要意義。

關鍵詞：齒輪傳動裝置;故障診斷

大型齒輪傳動裝置經常在重載、沖擊及長時間連續工作的惡劣工況下使用，齒輪產生疲勞裂紋在所難免，對設備的安全運行構成了嚴重的潛在威脅。因此，齒輪裂紋的早期檢測和定位正在日益引起人們的重視。在過去，人們對齒輪傳動裝置故障診斷的研究主要集中在故障模式、故障定位及故障信號的處理及信息提取等方面。這種故障診斷方式基本上屬于事后診斷，即出現常見的斷齒、齒面點蝕、軸承磨損等故障后，能夠及時發現故障的原因和部位并進行有效的維修 向大型化、精密化和復雜化方向發展，任何故障的產生都可能導致重大經濟損失和人身安全事故，因此，對大型齒輪傳動裝置的可靠性和安全性提出了更高的要求。為適應這一要求，出現了齒輪傳動裝置故障的早期預測、在線診斷和精密診斷的概念和方法。

一、大型齒輪傳動裝置的主要型式及其工程應用

1.機械式礦用挖掘機的主要組成部分。機械式礦用挖掘機采用電力驅動作業，亦稱為電鏟，廣泛應用于露天礦山開采、大型水利工程等領域。現代機械式礦用挖掘機主要組成部分包括工作裝置、回轉支承裝置、底盤行走裝置及回轉平臺等。工作裝置由提升機構和推壓機構組成。提升機構用于鏟斗提升，一般采用雙級圓柱齒輪減速機驅動提升卷筒實現鏟斗升降及配合推壓機構完成挖掘作業。

2.機械式礦用挖掘機履帶行走減速裝置。機械式礦用挖掘機的行走機構一般采用承重式履帶底盤，其特點是承載能力大、行駛速度低。礦用挖掘機履帶式行走底盤不僅承受上部機體的全部重力載荷，而且還要承受挖掘機在工作過程中的全部作業載荷。礦用挖掘機依靠履帶式行走底盤可以在工作區內做短距離行走，以方便挖掘作業，所以行駛速度較低，一般不超過2km/h。履帶行走底盤的轉向方式為差動轉向，即由兩條履帶的速度差產生不同的轉彎半徑來實現轉向。

3.大功率可控啟動傳動裝置。隨著我國冶金、能源和交通等行業的發展，大型礦山、火電廠和港口等對長距離皮帶輸送機等重型設備的需求量日益增長。此類設備的工作特點是驅動功率大、負載慣性大，且經常需要重載啟動，因此需采用具有良好調速性能的大功率傳動裝置。例如，為保證大型皮帶輸送機的可靠運行，并降低對系統中其他機械電氣部件的過高要求

二、齒輪傳動裝置的主要故障類型及其診斷方法

大型齒輪傳動裝置的故障類型大致可分為軸類故障、軸承類故障、齒輪類故障和箱體類故障，其中齒輪類故障所占比重最大，可達60%。而其中的前三類故障又可能互相影響、互為因果關系。

1.齒輪傳動裝置的主要故障類型

（1） 齒面磨損。齒輪在嚙合過程中，齒輪副接觸表面出現材料摩擦磨損是不可避免的。這種磨損可分為正常磨損和非正常磨損。在齒輪預期壽命內，磨損量在齒輪公差范圍內而不影響正常功能的屬于正常磨損。正常磨損的齒輪輪齒沒有宏觀擦傷，表面光滑。如果在預期壽命內齒面磨損量超出公差范圍，或齒形發生改變，則屬于非正常磨損。非正常磨損主要是由于齒輪選材或熱處理不當、潤滑不良或齒輪副接觸表面之間存在硬質顆粒等原因引起的。非正常磨損的后果可表現為齒形改變、齒厚變薄，并引起傳動質量下降和噪聲增大。

（2） 齒面膠合。齒面膠合是一種比較嚴重的齒面損傷形式，主要表現為齒面材料在較大壓力下融為一體，再隨齒輪轉動撕裂。齒面膠合可分為冷粘合和熱粘合。冷粘合主要是由于齒面間壓力過大，油膜破壞，接觸面產生塑性變形，齒面材料分子相互擴散發生再結晶而引起齒面膠合。低速重載齒輪易發生冷粘合。熱粘合主要是由于齒輪副接觸表面局部高溫燒蝕引起的，多發生在高速齒輪傳動。

2.齒輪傳動裝置的主要故障診斷方法。齒輪傳動裝置故障診斷常用的方法有振動分析、噪聲分析、油液分析、聲發射、溫度監測及能耗監測等。振動及噪聲分析是行之有效的診斷方法，目前還在不斷完善和發展。由于齒輪傳動裝置的性質和結構特點，其振動和噪聲信號是故障特征的載體。通過對振動噪聲信號的分析，可在齒輪傳動裝置外部實現在線故障監測和診斷。但由于齒輪傳動裝置的復雜性和多樣性以及工作環境和強的噪聲干擾，目前在故障的早期診斷、在線監測、故障的精確定位等方面還遠未達到實用階段，對于齒輪傳動裝置故障機理及特征提取的研究也處于發展之中。

三、齒輪傳動裝置故障診斷技術的發展趨勢

根據國內外最近文獻資料顯示，齒輪傳動裝置的故障診斷技術仍處于不斷發展與完善之中。動力學模型建模已從原來的單級直齒圓柱齒輪向斜齒輪、錐齒輪、多級齒輪傳動乃至行星齒輪傳動發展，逐漸接近實際應用;信號處理領域的新成果應用于齒輪振動信號的分析與處理，提高故障信號的檢測精度，并向在線監測方向發展;斷裂力學、疲勞損傷和摩擦磨損等領域的研究方法和成果開始應用于齒輪傳動裝置的故障診斷，為精確診斷、早期診斷和在線診斷提供理論基礎。 Belsak和Flasker采用有限元分析和臺架測試對齒輪齒根的疲勞裂紋進行了研究，并采用短時傅立葉變換（STFT）等時頻分析法對故障信號進行了處理，獲得了不同長度疲勞裂紋故障信號的特征。Blunt和Keller對直升機行星齒輪箱的行星架疲勞裂紋進行了研究，并進行了臺架試驗和現場測試，對故障信號分析的有效性進行了對比驗證。Guagliano等對準雙曲面圓錐齒輪的裂紋進行了斷裂力學分析研究，給出了確定應力密度系數（SIF）的方法，并研究了裂紋的擴展規律。Ural等利用線彈性斷裂力學（LEFM）、有限元方法和邊界元法等方法對螺旋錐齒輪裂紋的形成機理和擴展規律進行了研究，為齒輪傳動裝置裂紋故障早期和在線診斷開辟了新的途徑。Endo和Loutridis分別將最小熵去卷積濾波和多尺度局部統計等信號處理方法用于齒輪故障信號分析，提高了故障識別率。

四、結語

本文在查閱大量國內外相關文獻的基礎上，綜述了大型齒輪傳動裝置的主要型式及其工程應用齒輪傳動裝置的主要故障類型及其診斷方法，介紹了大功率挖掘機行走減速傳動裝置的用途和工作原理，確定了以嚙合剛度研究為基礎，以動力學仿真和小波分析為手段進行齒輪裂紋和斷齒故障研究的方法和技術路線，并闡述了大型齒輪傳動裝置動力學仿真分析及故障診斷的理論和現實意義。

參考文獻：

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