机械齿轮故障机理以及特性分析

机械齿轮故障机理以及特性分析

杨宏硕

中车齐齐哈尔车辆有限公司起重机分公司黑龙江省齐齐哈尔市161002

摘要：随着我国经济社会的不断发展，机械制造行业也进入了快速发展阶段。在机械产品的生产制造过程中，齿轮是最重要的基础元件之一。齿轮在出现故障时会发生振动，振动的频率不同，齿轮故障类型也不同，为了对齿轮故障进行精确分析，采用科学的应对措施，了解齿轮出现故障后的常见表现、齿轮故障振动的类型、机械齿轮故障机理以及齿轮故障特性势在必行。

关键词：机械齿轮；故障机理；特性分析

引言：

在机械齿轮出现故障时，会出现齿面破损、划痕、剥落、轮齿断裂等现象，影响机械的使用寿命，还会使机械生产受到影响。因此，需要对机械齿轮的故障机理和特性进行研究，以便在机械齿轮出现故障时，能及时采取针对性措施排除故障。

1机械齿轮故障振动类型

1.1材料不稳定引起的震动

机械齿轮的材料决定着齿轮的质量，当所使用的材料不满足要求时，齿轮的质量就会受到影响，从而在使用过程中发生故障。目前，许多机械齿轮故障都是因为其生产材料质量差导致的。在齿轮材料失去稳定性的情况下，或者是在轮子与中轴没对准的情况下，机械齿轮就会出现故障振动现象，其振动频率主要受机械齿轮谐波的影响。

1.2齿轮碰撞引起的自振

在机械齿轮的运行过程中，齿轮之间会产生碰撞，由此可能会引起齿轮故障。不同机械中的齿轮有所差别，有些机械的运转速度比较快，机械齿轮的轮齿数量就会比较多；有些机械的运转速度比较慢，所以齿轮的轮齿数量相对比较少。当轮齿数量比较多时，轮齿之间就很容易产生碰撞，由于机械运转速度快，碰撞就会比较激烈，导致机械齿轮被动的震动。当轮齿之间相互摩擦时，如果不及时将齿轮卸载下来进行调整，就会导致齿轮结构被破坏，使齿轮快速的衰减。

1.3啮合过程中引起的激振

机械齿轮的啮合阶段，要注意观察啮合频率的变化情况，并检查机械齿轮的工作状态。当齿轮处于正常工作状态时，其啮合频率一般是比较固定的，齿形之间会保持一定的安全距离。但是，齿形之间存在相对误差，在进行啮合时，各个齿轮会出现弹性变形，这是由齿轮之间的相互摩擦和碰撞引起的。当齿面出现部分损伤时，会引起激振，其强迫振动频率由两个因素决定，一是受损的齿轮数量，二是轴转速频率，这两个因素的乘积就是强迫振动频率。另一方面，有些机械齿轮不均匀，轮齿之间的距离会周期变化，从而出现信号调制问题，即在对应的幅频特征曲线中，会在啮合频率和谐波的两边出现一簇边频带。

2齿轮的振动故障机理

2.1大周期误差

大周期误差是影响机械齿轮产生振动的原因之一。齿轮在运动过程中会出现两种振动形式：第一是大周期振动；第二是小周期振动。产生大周期振动的原因是在机械齿轮运动时，结构的偏心距和几何的偏心距出现了偏移，呈现出机械齿轮中心不对称的情况，影响了机械齿轮的正常运转。当出现大周期误差情况时，机械齿轮的振动频谱误差值非常大，在振动信号的作用下，机械齿轮的谐波量也会相应增大。由于频率信号调制误差出现，齿轮的啮合频率提高，会使机械齿轮出现各种故障问题。

2.2小周期误差

小周期误差是影响机械齿轮产生振动的原因之一。小周期振动是因为机械齿轮在加工的过程中，主轴出现偏移，导致齿轮啮合刚度发生变化，轮齿受到不利影响。当出现小周期误差时，机械齿轮的振动频谱相对集中，齿轮的运转速度会受到影响。在频率调制的过程中，由于振动频谱出现变化，振幅会相应增大，导致机械齿轮出现轮齿断裂、齿面点蚀、齿面剥落等情况。

3机械齿轮故障振动特性

3.1啮合阶段干预转速

在机械齿轮的啮合阶段，会出现齿轮磨损、轮齿距离加大等情况，一旦出现这种情况，机械齿轮的转速就会受到不利影响。在机械齿轮的运转过程中，除了大周期误差和小周期误差外，还会产生传动误差，影响机械齿轮频率信号的调制。在啮合阶段内，机械齿轮的信号调节包括频率调节和振幅调节两项内容。当机械齿轮波动失稳，就要对频率信号进行调节，当机械齿轮的轴心失衡，就要对振幅信号进行调节。

3.2齿轮啮合边频叠加

在齿轮啮合振动的过程中，需要对机械齿轮的振动频带进行分析。机械齿轮经常是组合应用的，在齿轮同时运作的过程中，不同机械齿轮的振动频带会重合在一起，加大技术人员的分析难度。当出现了这一情况，需要对机械齿轮的类型进行判断，得到不同类型齿轮的频波谱，并通过数控技术等对机械齿轮的频率特征进行分析。

3.3脉冲影响谐波信号

在机械齿轮运转时会出现低频脉冲，低频脉冲会对谐波信号产生影响。机械齿轮产生低频脉冲的原因如下：当机械齿轮的转子没有保持对称，或者是机械齿轮的材料不均衡，或者是机械齿轮的轮齿出现了松动，就会导致低频脉冲的出现，对信号传输造成不利影响。但如果机械齿轮的转子处在中线位置，齿轮载波信号相对对称，低频脉冲就会汇入到总信号当中。

3.4断齿形成冲击信号

在机械齿轮的运转中，断齿故障问题非常常见，当机械齿轮出现了断齿，断齿碎渣会进入到齿轮之中，影响齿轮的快速运转。碎渣进入到啮合状态的齿轮缝隙中，会引发冲击信号，对机械齿轮的频率波谱产生新一轮的影响，如果断齿情况没有得到抑制，冲击信号就会影响机械齿轮的高阶自振频率，机械齿轮的运动会呈现出衰减状态，直至机械齿轮的停转。

4机械齿轮故障诊断方法

4.1简单诊断与精密诊断

目前，我们常用的齿轮故障诊断法，可以将其分为两种，即精密诊断法与简易诊断法，简易诊断法就是维修人员通过经验来直接听机器中的噪声来判断故障原因，还可以利用手掌来感受机器的振动频率与振动强度，来对齿轮的运行状况进行初步的判断。通过感观来感受机器的各种变化来判断机器故障的原因与程度。这种诊断的方法相对比较简单、而且速度比较快，但对维修人员的经验要求比较高，而且精确性无法得到百分之百的保证。精密的诊断方法是利用精密的监测和维修设备来监测机器的运行状态，并对发现的故障进行及时处理。精密诊断方法的准确性更高，但是要求维修人员必须有一定的文化素质，能够操作这些复杂的设备，而且这些精密设备的价格也比较昂贵，资金状况不理想的企业很难承担。

4.2离线诊断与在线诊断

从诊断的时间上来划分，可以把诊断方法分为离线诊断和在线诊断两种。离线诊断是指在机器上采集数据，之后把后期的诊断工作放在实验室或其他有条件的地方来进行的方法。这种方法由于获取信息不及时，因此无法用于紧急状况下的维修。在线诊断方法是指在获取机器运行数据之后直接在现场进行相关处理。

4.3常规诊断与特殊诊断

常规诊断是对设备在常规状态下进行诊断分析，包括日常的检修维护工作。这种方法的排查面积比较大，可以使维修人员对机器的运行状态有一个全面的了解，并且容易发现一些不是很严重的故障。特殊诊断则是指对机器中特定的部分进行有针对性的监测维修，这种方法具有较强的目的性，可以更快地对出现故障的部分进行检查与维修。

结束语：

机械齿轮在运作中发生故障，一般会引起振动现象，而振动一般是由材料不稳定、齿轮碰撞及啮合引起的。想要有效消除故障振动现象，就需要根据机械齿轮故障机理，以及故障特性，确定出现故障的原因，从而根据故障原因采取相应的措施排除故障，确保机械齿轮的正常运行，从而保障机械制造生产的顺利进行。

参考文献：

[1]陆斌.机械齿轮故障机理以及特性分析[J].中国高新技术企业.2017（11）

[2]周长会.齿轮常见失效原因及其维修方法分析[J].科技创新与应用.2016（21）

[3]肖芳，梅自元，钟维.齿轮制造工艺技术分析与研究[J].江西化工.2018（04）