機(jī)械齒輪故障機(jī)理以及特性分析

陳 國(guó)

（德州亞太集團(tuán)有限公司，山東 德州 253000）

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

1 機(jī)械齒輪故障振動(dòng)類(lèi)型

（1）材料不穩(wěn)定引起的震動(dòng)。機(jī)械齒輪的材料決定著齒輪的質(zhì)量，當(dāng)所使用的材料不滿足要求時(shí)，齒輪的質(zhì)量就會(huì)受到影響，從而在使用過(guò)程中發(fā)生故障。目前，許多機(jī)械齒輪故障都是因?yàn)槠渖a(chǎn)材料質(zhì)量差導(dǎo)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(méi)對(duì)準(zhǔn)的情況下，機(jī)械齒輪就會(huì)出現(xiàn)故障振動(dòng)現(xiàn)象，其振動(dòng)頻率主要受機(jī)械齒輪諧波的影響。

（2）齒輪碰撞引起的自振。在機(jī)械齒輪的運(yùn)行過(guò)程中，齒輪之間會(huì)產(chǎn)生碰撞，由此可能會(huì)引起齒輪故障。不同機(jī)械中的齒輪有所差別，有些機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)速度比較快，機(jī)械齒輪的輪齒數(shù)量就會(huì)比較多；有些機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)速度比較慢，所以齒輪的輪齒數(shù)量相對(duì)比較少。當(dāng)輪齒數(shù)量比較多時(shí)，輪齒之間就很容易產(chǎn)生碰撞，由于機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度快，碰撞就會(huì)比較激烈，導(dǎo)致機(jī)械齒輪被動(dòng)的震動(dòng)。當(dāng)輪齒之間相互摩擦?xí)r，如果不及時(shí)將齒輪卸載下來(lái)進(jìn)行調(diào)整，就會(huì)導(dǎo)致齒輪結(jié)構(gòu)被破壞，使齒輪快速的衰減。

（3）嚙合過(guò)程中引起的激振。機(jī)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(jī)械齒輪的工作狀態(tài)。當(dāng)齒輪處于正常工作狀態(tài)時(shí)，其嚙合頻率一般是比較固定的，齒形之間會(huì)保持一定的安全距離。但是，齒形之間存在相對(duì)誤差，在進(jìn)行嚙合時(shí)，各個(gè)齒輪會(huì)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(dāng)齒面出現(xiàn)部分損傷時(shí)，會(huì)引起激振，其強(qiáng)迫振動(dòng)頻率由兩個(gè)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(gè)因素的乘積就是強(qiáng)迫振動(dòng)頻率。另一方面，有些機(jī)械齒輪不均勻，輪齒之間的距離會(huì)周期變化，從而出現(xiàn)信號(hào)調(diào)制問(wèn)題，即在對(duì)應(yīng)的幅頻特征曲線中，會(huì)在嚙合頻率和諧波的兩邊出現(xiàn)一簇邊頻帶。

2 機(jī)械齒輪故障機(jī)理及特征

（1）故障機(jī)理。根據(jù)齒輪傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)機(jī)理生的齒輪相對(duì)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(shí)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(dòng)誤差和故障激勵(lì)所引起的兩齒輪間的相對(duì)位移。動(dòng)態(tài)激勵(lì)有四種，分別為剛度激勵(lì)、傳動(dòng)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(guò)程中參與嚙合的輪齒對(duì)數(shù)會(huì)隨時(shí)間的變化而出現(xiàn)周期性的變化，從而引起齒輪振動(dòng)。傳動(dòng)誤差是齒輪振動(dòng)和噪聲的主要激發(fā)源，當(dāng)傳動(dòng)誤差比較大時(shí)，齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于進(jìn)入和脫離嚙合時(shí)的碰撞加劇，就會(huì)產(chǎn)生比較高的振動(dòng)峰值，還會(huì)形成短暫時(shí)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(fù)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(guò)程中，由于輪齒誤差和受載彈性變形的影響，輪齒進(jìn)入和退出嚙合點(diǎn)與理論值之間存在偏差沒(méi)，所以在進(jìn)入和退出嚙合時(shí)會(huì)發(fā)生沖擊。在主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪時(shí)，主動(dòng)輪上的嚙合點(diǎn)由齒根移向齒頂，嚙合半徑逐漸增大，速度逐漸提升，而從動(dòng)輪上嚙合點(diǎn)是由齒頂向齒根移動(dòng)，嚙合半徑逐漸減小，速度逐漸降低。

（2）故障特征。當(dāng)機(jī)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(dān)的負(fù)荷太大，都會(huì)增加嚙合頻率和諧波幅值。齒輪振動(dòng)的邊頻通常比較復(fù)雜，當(dāng)齒輪箱中在同一時(shí)間有多個(gè)齒輪嚙合時(shí)，邊頻會(huì)自動(dòng)疊加，增加頻譜圖的復(fù)雜度。在這樣的情況下，要通過(guò)頻譜圖分析特征頻率就會(huì)比較困難。低頻脈沖的轉(zhuǎn)速頻率會(huì)影響諧波信號(hào)的構(gòu)成。比如，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)子沒(méi)有形成比較好的對(duì)中狀況，或者平衡狀態(tài)沒(méi)有達(dá)到要求時(shí)，就會(huì)引起松動(dòng)現(xiàn)象，從而引起低頻脈沖問(wèn)題。同時(shí)，還會(huì)引起齒輪載波信號(hào)和零線不對(duì)稱(chēng)情況。例如，原始齒輪及其調(diào)幅信號(hào)應(yīng)在零線處對(duì)稱(chēng)，但受到低頻脈沖信號(hào)的影響時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)偏離零線的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)械齒輪在運(yùn)作中發(fā)生故障，一般會(huì)引起振動(dòng)現(xiàn)象，而振動(dòng)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(dòng)現(xiàn)象，就需要根據(jù)機(jī)械齒輪故障機(jī)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(yīng)的措施排除故障，確保機(jī)械齒輪的正常運(yùn)行，從而保障機(jī)械制造生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

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