陳 國

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在機械齒輪出現故障時，會出現齒面破損、劃痕、剝落、輪齒斷裂等現象，影響機械的使用壽命，還會使機械生產受到影響。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量，當所使用的材料不滿足要求時，齒輪的質量就會受到影響，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材料質量差導致的。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，機械齒輪就會出現故障振動現象，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，有些機械的運轉速度比較快，機械齒輪的輪齒數量就會比較多；有些機械的運轉速度比較慢，所以齒輪的輪齒數量相對比較少。當輪齒數量比較多時，輪齒之間就很容易產生碰撞，由于機械運轉速度快，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整，就會導致齒輪結構被破壞，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，一是受損的齒輪數量，二是軸轉速頻率，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，從而出現信號調制問題，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一簇邊頻帶。

2 機械齒輪故障機理及特征

（1）故障機理。根據齒輪傳動的動態(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，在嚙合過程中參與嚙合的輪齒對數會隨時間的變化而出現周期性的變化，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，齒輪在運轉過程中由于進入和脫離嚙合時的碰撞加劇，就會產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。低頻脈沖的轉速頻率會影響諧波信號的構成。比如，當齒輪轉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，就會出現偏離零線的問題。

3 結語

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象，就需要根據機械齒輪故障機理，以及故障特性，確定出現故障的原因，從而根據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的順利進行。

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