機械齒輪故障機理以及特性分析

摘要：我國的經濟社會不斷發展，機械制造水平不斷提升。在機械制造的過程中，齒輪承擔著重要的工作職能。只有解決機械齒輪的故障問題，才能保證機械的連續運轉，提升機械裝置的工作效率。為了促進機械制造行業的健康發展，必須掌握齒輪的故障原理和特性。文章探討了機械齒輪故障機理以及特性的分析，希望能為相關人士提供一些參考。

關鍵詞：機械制造行業；機械齒輪；故障機理；齒面破損；齒面劃痕；齒面剝落 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH132 文章編號：1009-2374（2017）11-0131-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.067

近幾年來，我國的市場經濟日益繁榮，科學技術水平不斷提升，機械制造行業也進入了快速發展階段。在進行機械制造時，機械齒輪是重要的元件，如果齒輪出現了故障，就會影響機械制造的效率和水平，阻礙機械制造行業的可持續發展。齒輪在出現故障時會發生振動，振動的頻率不同，齒輪故障類型也不同，為了對齒輪故障進行精確分析，采用科學的應對舉措，了解機械齒輪故障機理及其特性勢在必行。

1 齒輪出現故障后的常見表現

1.1 齒面破損

在機械制造的過程中，會出現齒面破損的問題。在機械制造的過程中，為了提高工作效率，加速齒輪運轉，經常要應用潤滑油等對齒輪進行潤澤。一些潤滑油的質量較差，里面存在大量的污濁物體，當對齒輪添加潤滑油時，潤滑油中的污濁物體會進入到齒輪之中，加大齒輪之間的縫隙，導致齒面發生磨損，如果齒輪處在高速運轉的狀態下，潤滑油中的污濁物甚至會導致齒輪的斷裂。

1.2 齒面劃痕

在機械制造的過程中，會出現齒面劃痕的問題。在齒輪工作的過程中，輪齒會高速運轉，而高速運轉會產生大量的熱量。在齒輪的表面附著一層潤滑油，一些潤滑油對溫度的敏感度比較高，當熱量較多，溫度較高時，齒輪表面潤滑油的油膜會出現破裂的情況。當油膜破裂之后，齒輪的兩個齒面會粘結在一起，如果沒有對齒面進行分離，齒面的劃痕將持續加深，外部摩擦力將持續加大，阻礙齒輪的正常應用。

1.3 齒面剝落

在機械制造的過程中，會出現齒面剝落的問題。齒輪在應用過程中會呈現出不同的運動狀態：第一種運動狀態是滾動狀態；第二種運動狀態是滑動狀態，摩擦力的方向不同，齒輪的運動方向也不盡相同。當節點兩側摩擦力的作用方向相反，齒輪運動會受到一個水平的推力，齒面的兩側會出現不同的脈動情況，當脈動值超過齒面的預應力，就會使齒輪材料陷入疲乏狀態，出現縱向裂紋和橫向裂紋。如果此時沒有將齒輪換下，繼續應用齒輪，就會擴大裂紋的縱深面積和水平擴散面，形成金屬剝落結構。在齒輪表面，經常可以看到金屬脫落，出現坑洼的現象，這一現象就被稱為齒面點蝕，如果點蝕的面積持續擴大，連成了一片，齒輪的表面材料就會發生整體脫落。脫落的材料嵌入到齒輪之中，會加劇齒輪的損害，折損齒輪的使用壽命。

1.4 輪齒斷裂

在機械制造的過程中，會出現輪齒斷裂的問題。在齒輪運行的過程中，經常會出現輪齒斷裂的問題。齒輪在運行過程中會承載水平負荷和豎直負荷，承受的壓力方向不同，齒輪的斷裂情況也不同。從整體上來看，輪齒斷裂和齒輪材料、齒輪裝配密切相關，如果齒輪材料不均，裝配方法有誤，就會在齒輪運轉的過程中出現輪齒斷裂等問題。綜合齒輪的工作故障問題，可以發現輪齒斷裂與齒面點蝕最為常見，兩種故障類型的表現方式和集中區域不同，就表現方式來看，前者表現為結構破壞，后者表現為材料損傷。就集中區域來看，前者集中在齒輪的前部輪齒區域，后者集中在齒輪的后部輪齒區域。

2 齒輪故障振動的類型

2.1 嚙合階段的激振現象

機械齒輪在嚙合階段會出現故障問題。在嚙合階段，技術人員應該對機械齒輪的工作狀態進行檢查。在正常工作狀態下，機械齒輪的嚙合頻率相對固定，齒形之間需要保持一定的安全距離，避免齒輪發生彈性變形。在非正常的工作狀態下，技術人員可以發現機械齒輪會出現不規則振動的情況，輪齒之間發生了摩擦，當輪齒斷裂，斷裂的碎渣嵌入到齒輪之中，會導致齒面受損，加劇機械齒輪的激振情況。此時機械齒輪的振動頻率開始加快，這是由激振所帶來的強迫振動所造成的。機械齒輪出現結構性損傷之后，輪齒之間的距離會不斷加大，輪齒之間的相互距離直接影響了機械齒輪的荷載波動，荷載波動出現紊亂，信號調整也會出現問題，機械齒輪所呈現的頻率波譜會出現兩種不同的頻帶。

2.2 材料失穩導致的振動

機械齒輪在材料不穩定的情況下會出現故障問題。從某個角度來看，齒輪的材料質量直接關系著機械齒輪的正常運轉，很多機械齒輪的組成材料比較低劣，或者是齒輪裝配不當，會對機械齒輪產生極其不利的影響。當齒輪的材料失穩，或者是輪子沒有對準中軸，機械齒輪會發生故障振動問題，而故障震動的頻率和機械齒輪的諧波密切相關。

2.3 輪齒碰撞導致的自振

機械齒輪在輪齒發生碰撞時會出現故障問題。在不同的機械裝置中，需要應用不同的機械齒輪。一些機械裝置的運轉速度較快，需要輪齒數量較多的機械齒輪，一些機械裝置的運轉速度較小，需要輪齒數量較少的機械齒輪。在應用輪齒數量較多的機械齒輪時，輪齒會出現相互碰撞的情況，使機械齒輪陷入到被動振動的狀態。輪齒相互摩擦，齒輪的振動頻率會不斷加快，如果沒有對齒輪進行卸載調整，就會破壞齒輪結構，加劇齒輪的衰減趨勢。

3 齒輪的振動故障機理

3.1 大周期誤差

大周期誤差是影響機械齒輪產生振動的原因之一。齒輪在運動過程中會出現兩種振動形式：第一是大周期振動；第二是小周期振動。產生大周期振動的原因是在機械齒輪運動時，結構的偏心距和幾何的偏心距出現了偏移，呈現出機械齒輪中心不對稱的情況，影響了機械齒輪的正常運轉。當出現大周期誤差情況時，機械齒輪的振動頻譜誤差值非常大，在振動信號的作用下，機械齒輪的諧波量也會相應增大。由于頻率信號調制誤差出現，齒輪的嚙合頻率提高，會使機械齒輪出現各種故障問題。

3.2 小周期誤差

小周期誤差是影響機械齒輪產生振動的原因之一。小周期振動是因為機械齒輪在加工的過程中，主軸出現偏移，導致齒輪嚙合剛度發生變化，輪齒受到不利影響。當出現小周期誤差時，機械齒輪的振動頻譜相對集中，齒輪的運轉速度會受到影響。在頻率調制的過程中，由于振動頻譜出現變化，振幅會相應增大，導致機械齒輪出現輪齒斷裂、齒面點蝕、齒面剝落等情況。

4 機械齒輪故障振動特性

4.1 嚙合階段干預轉速

在機械齒輪的嚙合階段，會出現齒輪磨損、輪齒距離加大等情況，一旦出現這種情況，機械齒輪的轉速就會受到不利影響。在機械齒輪的運轉過程中，除了大周期誤差和小周期誤差外，還會產生傳動誤差，影響機械齒輪頻率信號的調制。在嚙合階段內，機械齒輪的信號調節包括頻率調節和振幅調節兩項內容。當機械齒輪波動失穩，就要對頻率信號進行調節，當機械齒輪的軸心失衡，就要對振幅信號進行調節。

4.2 齒輪嚙合邊頻疊加

在齒輪嚙合振動的過程中，需要對機械齒輪的振動頻帶進行分析。機械齒輪經常是組合應用的，在齒輪同時運作的過程中，不同機械齒輪的振動頻帶會重合在一起，加大技術人員的分析難度。當出現了這一情況，需要對機械齒輪的類型進行判斷，得到不同類型齒輪的頻波譜，并通過數控技術等對機械齒輪的頻率特征進行分析。

4.3 脈沖影響諧波信號

在機械齒輪運轉時會出現低頻脈沖，低頻脈沖會對諧波信號產生影響。機械齒輪產生低頻脈沖的原因如下：當機械齒輪的轉子沒有保持對稱，或者是機械齒輪的材料不均衡，或者是機械齒輪的輪齒出現了松動，就會導致低頻脈沖的出現，對信號傳輸造成不利影響。但如果機械齒輪的轉子處在中線位置，齒輪載波信號相對對稱，低頻脈沖就會匯入到總信號當中。

4.4 斷齒形成沖擊信號

上文已述，在機械齒輪的運轉中，斷齒故障問題非常常見，當機械齒輪出現了斷齒，斷齒碎渣會進入到齒輪之中，影響齒輪的快速運轉。碎渣進入到嚙合狀態的齒輪縫隙中，會引發沖擊信號，對機械齒輪的頻率波譜產生新一輪的影響，如果斷齒情況沒有得到抑制，沖擊信號就會影響機械齒輪的高階自振頻率，機械齒輪的運動會呈現出衰減狀態，直至機械齒輪的停轉。

5 結語

綜上所述，隨著我國經濟社會的不斷發展，機械制造行業也進入了快速發展階段。在機械產品的生產制造過程中，齒輪是最重要的基礎元件之一。只有解決機械齒輪的故障問題，才能保證機械的連續運轉，提升機械裝置的工作效率。齒輪在出現故障時會發生振動，振動的頻率不同，齒輪故障類型也不同，為了對齒輪故障進行精確分析，采用科學的應對措施，了解齒輪出現故障后的常見表現、齒輪故障振動的類型、機械齒輪故障機理以及齒輪故障特性勢在必行。

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作者簡介：陸斌（1975-），男，江蘇常州人，江蘇國茂減速機股份有限公司助理工程師，研究方向：機械工程。

（責任編輯：蔣建華）