摘要：我國的經(jīng)濟(jì)社會不斷發(fā)展，機(jī)械制造水平不斷提升。在機(jī)械制造的過程中，齒輪承擔(dān)著重要的工作職能。只有解決機(jī)械齒輪的故障問題，才能保證機(jī)械的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，提升機(jī)械裝置的工作效率。為了促進(jìn)機(jī)械制造行業(yè)的健康發(fā)展，必須掌握齒輪的故障原理和特性。文章探討了機(jī)械齒輪故障機(jī)理以及特性的分析，希望能為相關(guān)人士提供一些參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造行業(yè)；機(jī)械齒輪；故障機(jī)理；齒面破損；齒面劃痕；齒面剝落 文獻(xiàn)標(biāo)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(jīng)濟(jì)日益繁榮，科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，機(jī)械制造行業(yè)也進(jìn)入了快速發(fā)展階段。在進(jìn)行機(jī)械制造時，機(jī)械齒輪是重要的元件，如果齒輪出現(xiàn)了故障，就會影響機(jī)械制造的效率和水平，阻礙機(jī)械制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。齒輪在出現(xiàn)故障時會發(fā)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(jìn)行精確分析，采用科學(xué)的應(yīng)對舉措，了解機(jī)械齒輪故障機(jī)理及其特性勢在必行。

1 齒輪出現(xiàn)故障后的常見表現(xiàn)

1.1 齒面破損

在機(jī)械制造的過程中，會出現(xiàn)齒面破損的問題。在機(jī)械制造的過程中，為了提高工作效率，加速齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)常要應(yīng)用潤滑油等對齒輪進(jìn)行潤澤。一些潤滑油的質(zhì)量較差，里面存在大量的污濁物體，當(dāng)對齒輪添加潤滑油時，潤滑油中的污濁物體會進(jìn)入到齒輪之中，加大齒輪之間的縫隙，導(dǎo)致齒面發(fā)生磨損，如果齒輪處在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，潤滑油中的污濁物甚至?xí)?dǎo)致齒輪的斷裂。

1.2 齒面劃痕

在機(jī)械制造的過程中，會出現(xiàn)齒面劃痕的問題。在齒輪工作的過程中，輪齒會高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而高速運(yùn)轉(zhuǎn)會產(chǎn)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(dāng)熱量較多，溫度較高時，齒輪表面潤滑油的油膜會出現(xiàn)破裂的情況。當(dāng)油膜破裂之后，齒輪的兩個齒面會粘結(jié)在一起，如果沒有對齒面進(jìn)行分離，齒面的劃痕將持續(xù)加深，外部摩擦力將持續(xù)加大，阻礙齒輪的正常應(yīng)用。

1.3 齒面剝落

在機(jī)械制造的過程中，會出現(xiàn)齒面剝落的問題。齒輪在應(yīng)用過程中會呈現(xiàn)出不同的運(yùn)動狀態(tài)：第一種運(yùn)動狀態(tài)是滾動狀態(tài)；第二種運(yùn)動狀態(tài)是滑動狀態(tài)，摩擦力的方向不同，齒輪的運(yùn)動方向也不盡相同。當(dāng)節(jié)點(diǎn)兩側(cè)摩擦力的作用方向相反，齒輪運(yùn)動會受到一個水平的推力，齒面的兩側(cè)會出現(xiàn)不同的脈動情況，當(dāng)脈動值超過齒面的預(yù)應(yīng)力，就會使齒輪材料陷入疲乏狀態(tài)，出現(xiàn)縱向裂紋和橫向裂紋。如果此時沒有將齒輪換下，繼續(xù)應(yīng)用齒輪，就會擴(kuò)大裂紋的縱深面積和水平擴(kuò)散面，形成金屬剝落結(jié)構(gòu)。在齒輪表面，經(jīng)常可以看到金屬脫落，出現(xiàn)坑洼的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象就被稱為齒面點(diǎn)蝕，如果點(diǎn)蝕的面積持續(xù)擴(kuò)大，連成了一片，齒輪的表面材料就會發(fā)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(jī)械制造的過程中，會出現(xiàn)輪齒斷裂的問題。在齒輪運(yùn)行的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)輪齒斷裂的問題。齒輪在運(yùn)行過程中會承載水平負(fù)荷和豎直負(fù)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(guān)，如果齒輪材料不均，裝配方法有誤，就會在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中出現(xiàn)輪齒斷裂等問題。綜合齒輪的工作故障問題，可以發(fā)現(xiàn)輪齒斷裂與齒面點(diǎn)蝕最為常見，兩種故障類型的表現(xiàn)方式和集中區(qū)域不同，就表現(xiàn)方式來看，前者表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)破壞，后者表現(xiàn)為材料損傷。就集中區(qū)域來看，前者集中在齒輪的前部輪齒區(qū)域，后者集中在齒輪的后部輪齒區(qū)域。

2 齒輪故障振動的類型

2.1 嚙合階段的激振現(xiàn)象

機(jī)械齒輪在嚙合階段會出現(xiàn)故障問題。在嚙合階段，技術(shù)人員應(yīng)該對機(jī)械齒輪的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查。在正常工作狀態(tài)下，機(jī)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(fā)生彈性變形。在非正常的工作狀態(tài)下，技術(shù)人員可以發(fā)現(xiàn)機(jī)械齒輪會出現(xiàn)不規(guī)則振動的情況，輪齒之間發(fā)生了摩擦，當(dāng)輪齒斷裂，斷裂的碎渣嵌入到齒輪之中，會導(dǎo)致齒面受損，加劇機(jī)械齒輪的激振情況。此時機(jī)械齒輪的振動頻率開始加快，這是由激振所帶來的強(qiáng)迫振動所造成的。機(jī)械齒輪出現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jī)械齒輪的荷載波動，荷載波動出現(xiàn)紊亂，信號調(diào)整也會出現(xiàn)問題，機(jī)械齒輪所呈現(xiàn)的頻率波譜會出現(xiàn)兩種不同的頻帶。

2.2 材料失穩(wěn)導(dǎo)致的振動

機(jī)械齒輪在材料不穩(wěn)定的情況下會出現(xiàn)故障問題。從某個角度來看，齒輪的材料質(zhì)量直接關(guān)系著機(jī)械齒輪的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，很多機(jī)械齒輪的組成材料比較低劣，或者是齒輪裝配不當(dāng)，會對機(jī)械齒輪產(chǎn)生極其不利的影響。當(dāng)齒輪的材料失穩(wěn)，或者是輪子沒有對準(zhǔn)中軸，機(jī)械齒輪會發(fā)生故障振動問題，而故障震動的頻率和機(jī)械齒輪的諧波密切相關(guān)。

2.3 輪齒碰撞導(dǎo)致的自振

機(jī)械齒輪在輪齒發(fā)生碰撞時會出現(xiàn)故障問題。在不同的機(jī)械裝置中，需要應(yīng)用不同的機(jī)械齒輪。一些機(jī)械裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)速度較快，需要輪齒數(shù)量較多的機(jī)械齒輪，一些機(jī)械裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)速度較小，需要輪齒數(shù)量較少的機(jī)械齒輪。在應(yīng)用輪齒數(shù)量較多的機(jī)械齒輪時，輪齒會出現(xiàn)相互碰撞的情況，使機(jī)械齒輪陷入到被動振動的狀態(tài)。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(jìn)行卸載調(diào)整，就會破壞齒輪結(jié)構(gòu)，加劇齒輪的衰減趨勢。

3 齒輪的振動故障機(jī)理

3.1 大周期誤差

大周期誤差是影響機(jī)械齒輪產(chǎn)生振動的原因之一。齒輪在運(yùn)動過程中會出現(xiàn)兩種振動形式：第一是大周期振動；第二是小周期振動。產(chǎn)生大周期振動的原因是在機(jī)械齒輪運(yùn)動時，結(jié)構(gòu)的偏心距和幾何的偏心距出現(xiàn)了偏移，呈現(xiàn)出機(jī)械齒輪中心不對稱的情況，影響了機(jī)械齒輪的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)出現(xiàn)大周期誤差情況時，機(jī)械齒輪的振動頻譜誤差值非常大，在振動信號的作用下，機(jī)械齒輪的諧波量也會相應(yīng)增大。由于頻率信號調(diào)制誤差出現(xiàn)，齒輪的嚙合頻率提高，會使機(jī)械齒輪出現(xiàn)各種故障問題。

3.2 小周期誤差

小周期誤差是影響機(jī)械齒輪產(chǎn)生振動的原因之一。小周期振動是因?yàn)闄C(jī)械齒輪在加工的過程中，主軸出現(xiàn)偏移，導(dǎo)致齒輪嚙合剛度發(fā)生變化，輪齒受到不利影響。當(dāng)出現(xiàn)小周期誤差時，機(jī)械齒輪的振動頻譜相對集中，齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)速度會受到影響。在頻率調(diào)制的過程中，由于振動頻譜出現(xiàn)變化，振幅會相應(yīng)增大，導(dǎo)致機(jī)械齒輪出現(xiàn)輪齒斷裂、齒面點(diǎn)蝕、齒面剝落等情況。

4 機(jī)械齒輪故障振動特性

4.1 嚙合階段干預(yù)轉(zhuǎn)速

在機(jī)械齒輪的嚙合階段，會出現(xiàn)齒輪磨損、輪齒距離加大等情況，一旦出現(xiàn)這種情況，機(jī)械齒輪的轉(zhuǎn)速就會受到不利影響。在機(jī)械齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，除了大周期誤差和小周期誤差外，還會產(chǎn)生傳動誤差，影響機(jī)械齒輪頻率信號的調(diào)制。在嚙合階段內(nèi)，機(jī)械齒輪的信號調(diào)節(jié)包括頻率調(diào)節(jié)和振幅調(diào)節(jié)兩項內(nèi)容。當(dāng)機(jī)械齒輪波動失穩(wěn)，就要對頻率信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)機(jī)械齒輪的軸心失衡，就要對振幅信號進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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(jī)械齒輪的振動頻帶進(jìn)行分析。機(jī)械齒輪經(jīng)常是組合應(yīng)用的，在齒輪同時運(yùn)作的過程中，不同機(jī)械齒輪的振動頻帶會重合在一起，加大技術(shù)人員的分析難度。當(dāng)出現(xiàn)了這一情況，需要對機(jī)械齒輪的類型進(jìn)行判斷，得到不同類型齒輪的頻波譜，并通過數(shù)控技術(shù)等對機(jī)械齒輪的頻率特征進(jìn)行分析。

4.3 脈沖影響諧波信號

在機(jī)械齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)低頻脈沖，低頻脈沖會對諧波信號產(chǎn)生影響。機(jī)械齒輪產(chǎn)生低頻脈沖的原因如下：當(dāng)機(jī)械齒輪的轉(zhuǎn)子沒有保持對稱，或者是機(jī)械齒輪的材料不均衡，或者是機(jī)械齒輪的輪齒出現(xiàn)了松動，就會導(dǎo)致低頻脈沖的出現(xiàn)，對信號傳輸造成不利影響。但如果機(jī)械齒輪的轉(zhuǎn)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(dāng)中。

4.4 斷齒形成沖擊信號

上文已述，在機(jī)械齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)中，斷齒故障問題非常常見，當(dāng)機(jī)械齒輪出現(xiàn)了斷齒，斷齒碎渣會進(jìn)入到齒輪之中，影響齒輪的快速運(yùn)轉(zhuǎn)。碎渣進(jìn)入到嚙合狀態(tài)的齒輪縫隙中，會引發(fā)沖擊信號，對機(jī)械齒輪的頻率波譜產(chǎn)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(jī)械齒輪的高階自振頻率，機(jī)械齒輪的運(yùn)動會呈現(xiàn)出衰減狀態(tài)，直至機(jī)械齒輪的停轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，機(jī)械制造行業(yè)也進(jìn)入了快速發(fā)展階段。在機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中，齒輪是最重要的基礎(chǔ)元件之一。只有解決機(jī)械齒輪的故障問題，才能保證機(jī)械的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，提升機(jī)械裝置的工作效率。齒輪在出現(xiàn)故障時會發(fā)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(jìn)行精確分析，采用科學(xué)的應(yīng)對措施，了解齒輪出現(xiàn)故障后的常見表現(xiàn)、齒輪故障振動的類型、機(jī)械齒輪故障機(jī)理以及齒輪故障特性勢在必行。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊建鳴，鄭龍魁，高立新.基于齒輪嚙合頻率的軋機(jī)聯(lián)軸器磨損監(jiān)測診斷[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2016，（8）.

[2] 王輝，李曉龍，王罡，向東，融亦鳴.大型風(fēng)電齒輪箱的失效問題及其設(shè)計制造技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀分析[J].中國機(jī)械工程，2013，（11）.

[3] 姚寧，王武，張飛云.差分進(jìn)化小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在微動齒輪故障診斷中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2012，（12）.

[4] 曾令全，李斌，劉明軍.Morlet小波包絡(luò)分析在齒輪箱故障診斷中的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2012，（7）.

[5] 白政民，王武，董永強(qiáng).基于遺傳優(yōu)化小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的微動齒輪故障診斷[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2012，（6）.

[6] 王彥剛，鄭海起，楊通強(qiáng)，等.故障參數(shù)下齒輪系統(tǒng)非線性動力學(xué)行為[J].振動測試與診斷，2011，（5）.

[7] 羅永順.數(shù)控機(jī)床機(jī)械故障分類新方法及其振動模型的研究[J].廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2016，（4）.

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

（責(zé)任編輯：蔣建華）