鑄造機(jī)械齒輪箱故障問(wèn)題分析研究

任戰(zhàn)鋒，王非，柴自豪

（洛陽(yáng)雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

1 緒論

齒輪箱作為機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)中重要的運(yùn)行轉(zhuǎn)速和動(dòng)力傳動(dòng)裝置，因其扭動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、并且存在固定傳動(dòng)比率大和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用在在電力系統(tǒng)、大型鑄造設(shè)備以及農(nóng)業(yè)機(jī)械中。但是齒輪箱中的傳動(dòng)性能好壞是決定了整個(gè)流水線運(yùn)行設(shè)備工作效率。由于齒輪箱箱體本體內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件很復(fù)雜并且常常工作在惡劣的工作環(huán)境中，結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)齒輪箱是機(jī)械結(jié)構(gòu)中最容易出現(xiàn)故障的部件。近年來(lái)，隨著生產(chǎn)智能化的加劇，機(jī)械結(jié)構(gòu)也更加精密，機(jī)械運(yùn)行工況也日漸復(fù)雜。齒輪箱故障如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，很有可能造成整個(gè)智能化生產(chǎn)模塊停止工作，如果進(jìn)一步演化，極有可能會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)事故，后果不堪設(shè)想，所以，對(duì)齒輪箱的運(yùn)行故障開(kāi)展針對(duì)性的研究成為避免上述事故的重要手段。

本文在討論研究齒輪箱故障基本理論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論了鑄造機(jī)械幾種常見(jiàn)的齒輪箱故障，并且重點(diǎn)對(duì)故障的形式、故障原因以及故障時(shí)的相應(yīng)特征進(jìn)行了討論研究，為后期診斷和維修工作奠定基礎(chǔ)。

2 齒輪箱故障基本理論

齒輪箱主要包含箱體、齒輪、機(jī)械支架、滾動(dòng)軸承以及轉(zhuǎn)軸等零部件。其中，齒輪的主要作用是傳遞速度和動(dòng)力；而滾動(dòng)軸承則是支撐整個(gè)齒輪箱的部件；轉(zhuǎn)軸主要齒輪箱內(nèi)重要的旋轉(zhuǎn)零件。由此可見(jiàn)這3 個(gè)部件是齒輪箱中的配件，所以也是齒輪箱故障中比較頻發(fā)的故障，下面將分別介紹齒輪發(fā)生故障、軸承發(fā)生故障與轉(zhuǎn)軸發(fā)生故障相對(duì)應(yīng)的特征。

（1）齒輪發(fā)生故障。齒輪作為齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中極易損壞的機(jī)械零部件，根據(jù)齒輪發(fā)生故障時(shí)的損傷特點(diǎn)和損傷的機(jī)理，可以將齒輪在實(shí)際工作中的常見(jiàn)故障歸納為齒斷裂故障、齒面疲勞故障以及齒面磨損故障等。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)研究表明：斷齒故障和點(diǎn)蝕故障是齒輪故障發(fā)生概率較高的故障形式，分別占齒輪總故障事故發(fā)生概率的41%和31%。其中斷齒故障是各種齒輪故障類型中最常見(jiàn)同時(shí)也是最嚴(yán)重的故障類型，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)斷齒故障大部分發(fā)生在齒輪的齒根處，這主要的原因是在齒輪齒根部分受的彎曲應(yīng)力最大，進(jìn)而會(huì)使輪齒的齒根處產(chǎn)生疲勞裂紋。當(dāng)機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)行在正常工況下，輪齒在各個(gè)部位會(huì)產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力，結(jié)果造成小金屬快從齒輪表面發(fā)生脫落，這種情況叫做點(diǎn)蝕故障，點(diǎn)蝕故障按照故障特點(diǎn)又分為拓展性點(diǎn)蝕故障與非拓展性點(diǎn)蝕故障兩種。

自20 世紀(jì)末開(kāi)始，科研工作者就對(duì)齒輪故障開(kāi)展了針對(duì)性研究，其中振動(dòng)分析法是對(duì)齒輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)和齒輪故障分析的重要方法之一。當(dāng)運(yùn)行中的齒輪發(fā)生一些具有特征性的機(jī)械故障時(shí)，齒輪就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)周期振動(dòng)，進(jìn)一步對(duì)形成周期振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，就會(huì)在具體在頻譜上顯現(xiàn)出來(lái)固有頻率或者在嚙合頻率兩側(cè)發(fā)生均勻的邊頻帶。因此，在齒輪發(fā)生以后，對(duì)這個(gè)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)是對(duì)故障分析的一個(gè)重要的步驟。振動(dòng)信號(hào)蘊(yùn)含著大量的在運(yùn)設(shè)備中異?；蚬收系男畔ⅰ?duì)這個(gè)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)一步分析是診斷故障有效的方法，通過(guò)各種傳感器等測(cè)試儀器捕獲機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而對(duì)故障機(jī)械進(jìn)行處理。對(duì)于正常工況下運(yùn)行的齒輪來(lái)說(shuō)，它的振動(dòng)信號(hào)函數(shù)模型可以表示為以下公式：

其中，N 表示嚙齒的最高次諧波次數(shù)；fm表示嚙合頻率；Z 表示齒輪的齒數(shù)；fr表示齒輪的轉(zhuǎn)頻；An表示n 次諧波下嚙合幅值；φn則表示振動(dòng)信號(hào)的初始相位角度。

但是當(dāng)齒輪發(fā)生機(jī)械故障后，其振動(dòng)信號(hào)公式就會(huì)變?yōu)椋?/p>

其中1+an(t)表示調(diào)制信號(hào)的幅值函數(shù)；bn(t)表示調(diào)制信號(hào)頻率的函數(shù)。當(dāng)此公式用于分析上述的局部斷齒故障或者點(diǎn)蝕的故障時(shí)，1+an(t)與bn(t)都是以齒輪的旋轉(zhuǎn)周期為周期的函數(shù)。由物理學(xué)知識(shí)可以知道：信號(hào)的調(diào)制就是將高頻信號(hào)的某一特征參量用一個(gè)低頻信號(hào)函數(shù)進(jìn)行控制。常見(jiàn)的信號(hào)調(diào)制的類型可分為：幅值調(diào)制、頻率調(diào)制以及幅值頻率調(diào)制三種，下面簡(jiǎn)單的介紹它們的基本概念。

幅值調(diào)制是指載波信號(hào)的幅值隨調(diào)制信號(hào)變化而變化。例如用幅值調(diào)制信號(hào) a (t ) = 1 + 0.5 sin(2π *×6t)對(duì)載波信號(hào)x (t ) = sin (2π×30t)進(jìn)行幅值調(diào)制，得到的幅值調(diào)制信號(hào)為xa(t ) = a ( t )x (t ) = 1 + 0.5 sin(2π×6t )sin(2π×30t)

頻率調(diào)制就是指使載波信號(hào)的頻率隨調(diào)制信號(hào)變化而變化。例如用頻率調(diào)制信號(hào) b( t ) = 1 + 1.5 sin(2π *×6t)對(duì)載波信號(hào) x (t ) = sin(2π×30t)進(jìn)行頻率調(diào)制，得到的頻率調(diào)制信號(hào)為

幅值頻率調(diào)制包含了幅值和頻率調(diào)制的雙重特點(diǎn)。如信號(hào) a (t ) = 1 + 0.5 sin(2π×6t)和 b( t ) = 1 + 1.5 sin(2π×6t)分 別是幅值調(diào)制信號(hào)與頻率調(diào)制信號(hào)，對(duì)載波信號(hào)為 x (t ) = sin(2π *×30t)，進(jìn)行幅值頻率調(diào)制后得到一個(gè)幅值頻率調(diào)制信號(hào)為

（2）滾動(dòng)軸承的故障。在齒輪箱中使用最為廣泛的部件就是滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承具有運(yùn)行精度高、摩擦系數(shù)小和滾軸向結(jié)構(gòu)緊湊等眾多優(yōu)點(diǎn)。但是由于其工作時(shí)磨損較快，承受沖擊的能力差，所以它也是齒輪箱中最易故障的部件之一，在高頻次的沖擊載荷下極易發(fā)生機(jī)械故障。滾動(dòng)軸承通常是由滾動(dòng)體、內(nèi)圈、外圈以及機(jī)械支架四個(gè)部分所組成。其中軸承的滾動(dòng)體是核心的機(jī)械部件，它的作用是使發(fā)生在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體表面的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而減小相對(duì)摩擦的摩擦力，其中較為常見(jiàn)的機(jī)械滾動(dòng)體有圓錐滾子、滾針、球滾子等。當(dāng)軸承正常運(yùn)行時(shí)軸承外圈處機(jī)械固定狀態(tài)，而內(nèi)圈隨轉(zhuǎn)動(dòng)部分一起活動(dòng)，而機(jī)械支架的主要作用則是使得滾動(dòng)體在滾動(dòng)過(guò)程中在內(nèi)圈和外圈之間可以均勻分布，從而進(jìn)一步降低了相鄰的兩個(gè)滾動(dòng)體的相對(duì)摩擦速度，也減小了機(jī)械發(fā)熱程度。

根據(jù)軸承鑄造設(shè)備部件的故障原因和機(jī)理的不同，可以將常見(jiàn)的滾動(dòng)軸承的機(jī)械故障分為磨損故障、疲勞故障、腐蝕故障以及斷裂故障和膠合故障等。其中磨損故障產(chǎn)生的根本原因是軸承在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程機(jī)械滾動(dòng)體在滾動(dòng)時(shí)和內(nèi)外套圈的相對(duì)滑動(dòng)使機(jī)械磨損加重，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)械故障。疲勞故障主要是因?yàn)樵趯?shí)際的運(yùn)行中運(yùn)行過(guò)程中軸承滾動(dòng)體以及內(nèi)外套圈表面因?yàn)楦哳l次沖擊力的作用造成接觸面的細(xì)微裂紋，如果不引起重視，機(jī)械作用繼續(xù)存在，裂紋進(jìn)一步向周邊擴(kuò)張，最后在機(jī)械接觸面產(chǎn)生了點(diǎn)狀或者片快的剝落現(xiàn)象。軸承的腐蝕故障主要是指當(dāng)軸承的外表面被水，酸以及酸性潤(rùn)滑液侵蝕的故障。而斷裂以及膠合故障則分別是因?yàn)闄C(jī)械軸承表面不間斷的大載荷的沖擊以及軸承潤(rùn)滑不足時(shí)導(dǎo)致零件斷裂的故障和部分脫落的細(xì)小金屬顆粒碎屑粘貼在相對(duì)接觸面中的另一金屬表面的故障。

根據(jù)以上對(duì)故障原因的分析和故障特征以及故障出現(xiàn)的位置等的不同，也方便用于公式表達(dá)，將滾動(dòng)軸承的故障總結(jié)為內(nèi)圈故障，外圈故障和滾動(dòng)體故障三類。這些故障的特征頻率分別有不同的公式表示：

（1）內(nèi)圈故障的特征頻率表示為

（2）外圈故障的特征頻率表示為

（3）滾動(dòng)體故障的特征頻率表示為

以上三式中，fr表示轉(zhuǎn)軸頻率；Z 表示滾動(dòng)體具體的個(gè)數(shù)；d0表示滾動(dòng)體的直徑；α 和D 則分別表示為接觸角和節(jié)徑的大小。

（3）轉(zhuǎn)軸的故障。在實(shí)際的機(jī)械工況中齒輪箱中的轉(zhuǎn)軸經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸運(yùn)行不平衡的現(xiàn)象，這會(huì)造成轉(zhuǎn)軸偏離中心的情況，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起轉(zhuǎn)軸故障。其中最為常見(jiàn)的就是碰摩故障。這主要是因?yàn)檩S承在實(shí)際的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)使機(jī)械磨損，造成軸承轉(zhuǎn)軸面和定子面之間的間隙逐漸減小，當(dāng)間距減小到極值時(shí)就會(huì)發(fā)生機(jī)械面的摩擦碰撞進(jìn)而造成磨碰故障。特別是對(duì)于一些特殊用途的高轉(zhuǎn)速軸承，因其本身轉(zhuǎn)速高，為了保證較高的工作效率，機(jī)械面的間距通常都很小，所以控制好兩者的間隙非常重要。實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：當(dāng)轉(zhuǎn)軸發(fā)生碰摩故障時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)軸與定子系統(tǒng)運(yùn)行脫離實(shí)際工況，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)停轉(zhuǎn)，從而造成巨大生產(chǎn)損失。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了齒輪箱故障基本理論，并對(duì)齒輪箱故障中占比重較大的齒輪故障、滾動(dòng)軸承故障和轉(zhuǎn)軸故障進(jìn)行故障診斷，接著重點(diǎn)介紹故障時(shí)振動(dòng)機(jī)理與振動(dòng)信號(hào)的模型，為后期診斷和維修工作奠定基礎(chǔ)。