齿轮传动系统故障检测技术的发展及应用

齿轮传动系统故障检测技术的发展及应用

谈亚庆

苏州未来电器股份有限公司

摘要：在社会经济与科技飞速进步的背景之下，各类基础机械技术也有了很大的发展，各类齿轮传动系统在机械制造中有很广泛的应用。在长时间使用齿轮进行传动的过程中会出现滑落、松脱等问题，对其实际传动效果有较大影响。因此，本文将系统性地介绍齿轮传动系统工作原理和常见的故障，并阐述其故障检测技术的发展及应用。

关键词：齿轮传动系统；故障检测技术；发展应用

引言：

随着机械制造的不断发展，各类运行故障的预测与诊断技术也得到了提升，能够更好地保障设备的稳定运行。齿轮传动是动力系统当中应用较为广泛的一种结构，能够实现高效的动力传送，但在长时间使用中会出现许多不同的故障，需要积极进行检修排障，避免影响系统的正常运行。在对齿轮工作故障的检修中有许多不同的方法，但都要重视对前期信号的精准采集，确保数据参数的准确性。

1. 齿轮传动系统工作概述

齿轮传动需要依靠甲乙两个齿轮相互咬合带动后才能实现机械能的传递，是一种在目前的机械生产运行当中常见的传动方案。甲乙两个齿轮当中有一个是主要的动力来源，在其上有许多像牙齿一样能够相互啮合的突起，其角度与数量与乙齿轮能够完全契合，在主齿轮转动的过程当中就能带动乙齿轮一起工作，实现动能传递的需求^[1]。由于在运行过程当中，甲乙两个齿轮之间的传递动力十分可靠，且实际的都能参数可以依靠调整二者的齿数比例实现，整个工作过程更加稳定高效。齿轮的传动工作不仅可以提供较好的动力，还可以实现对机械设备空间的有效节约，更符合当下设备向集成化、微型化的发展趋势。

图一：齿轮传动系统

2. 常见的齿轮传动故障分析

齿轮的断裂是一种最常见的故障，由于其根部在载荷作用下所产生的弯曲应力为脉动循环交变应力，以及在齿根圆角、加工刀痕、材料缺陷等应力集中源的复合作用下会产生疲劳裂纹裂，纹逐步蔓延扩展，最终导致轮齿发生疲劳断齿。在长时间的使用中，由于一些磨损颗粒和空气中的灰尘附着在了齿轮的表面，在其运转的过程当中会造成表面的划伤，不利于维护使用寿命^[2]。在齿轮转动的过程当中受到的扭曲力和另一个齿轮的传动不相匹时，二者之间的冲击力就会明显增大，加剧了齿轮传动系统的磨损与老化，造成了齿轮传输失效的现状。

3. 故障检测技术的具体应用

1. 经典谱分析法

谱分析法是齿轮传动系统故障检测当中应用比较经典的方案之一，主要是指对其传动工作过程中发出的信号展开傅里叶分析，通过全新分析和高阶分析的方式更加精准地掌握其能状态，若存在有齿轮故障时，其发出的波普信号就会有明显的表现。由于在经典谱的傅里叶展开分析过程中可以利用数学计算的方式对收集到的信号进行高阶处理，能够更好地应对信息传输过程中出现的干扰和畸变，有效提升的系统故障检测的精准度^[3]。目前经典谱分析法完全可以依靠计算机实现，其工作效率有了明显的提升，尤其是一些齿轮上的局部故障会在工作过程中与周期性的形式体现，能够利用谱分析的方式将其运行特征进行提取，对于快速确定故障点和判断故障严重程度有很大帮助。

2. 模式识别方法

在对齿轮传动系统的工作情况进行判断时要基于一定的网络结构和模型建立，能够有效提升对系统运转故障的识别效率。在神经网络模型当中能够精准构建滚轴齿轮的传动模型和相关参数，将其实际工作情况和模型参数进行对比预测，可以有效判断其工作状态和齿轮情况，结合数据的变化趋势和模型的神经网络预测效果能够较好地提前识别故障发生点，为系统的检修人员工作指明一定的方向。这种故障模型建立和模式识别的方法在目前齿轮传动系统的检修排障工作当中应用较为广泛，经过技术人员的不断优化处理还研究出了邻域分类和消噪分类等不同的模式识别，通过技术上的提升较好地改善了原有神经网络结构的一些故障鉴别缺陷，有效提升了其故障处理的精准度和高效性。

3. 能量诊断方法

齿轮在传动运输的过程当中会不断发生振动向外辐射能量，通过对能量波的诊断能够较好地掌握齿轮旋转传动的实际效果，若存在故障，该处的能量与其他位置会有一定差异，无论从波形上还是波的能量上都可以进行有效判断。但能量诊断的方法也有一定的缺陷性，更适合运用在一些输出功率较高的齿轮传动模型当中。若齿轮系统本身的能量输出较低，在外界干扰和波损的影响之下传输的能量波会发生一定的畸变，对故障诊断结果产生了较大的影响。

图一：能量模拟信号功率谱图

根据目前对齿轮传动系统故障鉴别的方法来看，使用能量诊断方式的准确率仅能达到60%-70%，还需要维修鉴定人员结合齿轮系统的实际工作情况进行合理选择。

4. 油液分析故障

针对一些由于长期使用造成齿轮磨损而导致的传动系统故障，运用油液分析法能够更好地对其故障情况及位置进行判断和确认。在齿轮动力系统传动的过程当中为了减小摩擦力，会向其中添加一些润滑油，系统当中会有车轮转动而产生的一些细小的磨损微粒，通过油液的分析方式能够较为精准地判断出大量磨损威力聚集的位置

^[4]。若某处该参数超过正常范围，则说明齿轮磨损较为严重可能会对传动系统的正常运行造成一定影响，检修人员要及时对其进行处理。但液相判断法也有一定的弊端，在传动系统工作的过程当中对这些磨损的微粒很难进行有效提取，导致实际数据判断可能存在偏差。若使传动系统在静止状态下进行液相分析，则会影响系统实际工作效率，整体的故障检测有效性不强。

4. 结束语

总之，齿轮转动的过程中其震动的波谱符合傅立叶的变化模式，针对旋转性的齿轮波谱分析能够较好地掌握其工作情况。模式识别是基于齿轮的神经网络模型建立分析，尤其是涡轮模式的运行适用性更强。能量诊断是依靠对齿轮运行中功率大小进行状态判读的方法，对齿轮运转磨损类故障有较好的诊断。油液分析法是根据齿轮转动过程中油体中携带的微粒实际磨损情况进行故障判断，液相法的精度很高但操作过程复杂。

参考文献：

1. 徐玉秀,赵晓清等.多参数与多测点信息融合的行星轮故障诊断[J].仪器仪表学报,2014(08):190-195.

2. 陈峙,王铁等.基于电动机电流信号双谱分析的齿轮传动故障诊断[J].机械工程学报,2012(11):85-90.

3. 李怀俊,彭育强.齿轮传动系统故障诊断方法研究综述[J].自动化仪表,2015(10):17-28.

4. 王靖岳,王浩天,郭立新.齿轮传动系统故障诊断技术的研究进展[J].地机械传动,2016(08):185-192.