減速機齒輪故障分析與維護

賈玉剛，武云龍

（日照鋼鐵控股集團有限公司，山東日照 276800）

0 引言

隨著技術的進步，齒輪減速機傳動效率越來越高，減速機的使用壽命及安裝維護等優勢越來越明顯。齒輪作為一種重要的傳動部件在機電設備中廣泛應用，隨著裝備不斷向復雜化、智能化的方向轉變，齒輪故障給企業帶來的損失越來越大。一些連續型工作的設備，如電力行業設備，由于減速機齒輪的故障造成的停機，會給社會造成巨大損失。通常情況下，齒輪運行一段時間會產生故障，故障的形式多樣化，例如，斷齒、表面疲勞和磨損等。因此，分析齒輪故障與維護具有重要意義，對齒輪進行故障模式與失效機理的分析，可以實現齒輪由事后維修，定期維修到預防性維修的轉變，從而減少檢測成本，避免發生安全事故。

1 減速機工作原理

減速機是一種動力傳動系統，它通過各級減速比不同的齒輪進行組合從而達到減速的目的。在各級齒輪傳動中，小齒輪與大齒輪嚙合，通過減速比實現降速，通過多級大小齒輪的組合實現轉速的進一步降低。在減速機系統中降低轉速同時增加了輸出扭矩，因此減速機一般用于低轉速大扭矩的傳動設備。它的動力傳遞路徑為電機將動力傳遞到中間環節的減速機構中，通常由多級大小齒輪組成的輪系構成，通過中間輪系將動力傳入到輸出軸與被驅動設備。設備的額定功率不發生變化，根據功率、轉速、減速比以及扭矩之間的關系，可在功率以及減速比不變的情況下，通過減小轉速增加減速器的輸出扭矩。

2 齒輪失效模式與故障機理分析

齒輪傳動具有結構緊湊、傳遞效率高、可靠穩定等特點，在工業設備傳動系統中應用廣泛。齒輪減速器主要由軸承、傳動軸、齒輪等部件構成。據統計，齒輪減速器中齒輪故障占比約為60%，軸承故障占比19%，傳動軸故障占比10%。齒輪隨著設備運行時間推移，其失效模式逐漸發生演變，常見的失效模式有斷齒、齒面疲勞、齒面磨損、齒面膠合以及塑性變形。表1 列出齒輪失效模式以及失效原因。

2.1 斷齒

齒輪斷齒有多種形式，一般分為疲勞斷齒與過載斷齒。在疲勞斷齒中，正常工況狀態下運行的齒輪由于受到交變載荷的影響，在齒根處受到應力集中逐漸出現裂紋。隨著運行時間推移，齒根處裂紋逐漸發展，在疲勞應力長期作用下齒輪會出現斷齒。在過載斷齒中，由于齒輪受到沖擊載荷的影響，齒根局部產生應力集中并出現裂紋，齒根強度較低的輪齒所受的載荷超出其應有的承受強度，從而使輪齒發生折斷。

2.2 輪齒表面疲勞

齒輪輪齒表面的疲勞分為齒面的點蝕與剝落。輪齒長期工作中，輪齒表面由于受到交變載荷影響，從而引起微小裂紋。當出現這種微小裂紋后，潤滑油進入裂紋，輪齒的嚙合將潤滑油封閉在裂紋內。這種擠壓讓潤滑油產生的高壓使裂紋不斷擴大，其結果是輪齒表面小部分的金屬出現脫落從而造成點蝕，當出現較大面積的金屬脫落時稱為輪齒表面剝落。

2.3 磨損

在齒輪傳動中，長期的潤滑缺失或潤滑不良以及異物進入造成的潤滑油污染是齒輪磨損的重要原因。當輪齒表面出現磨損時，會造成輪齒變薄，輪齒間的間隙變大，長期運行會使齒輪的振動增大，輪齒逐漸變薄而發生斷齒。磨損按照其運行工況以及環境因素的影響可以分為黏著磨損、磨粒磨損以及腐蝕磨損：當齒輪轉速較低，并且載荷較大時，潤滑油的黏度較低或者供油量不足時，油膜容易發生破壞從而發生黏著磨損；當外界環境中的顆粒狀異物進入潤滑油，會污染潤滑油，并且隨著輪齒的不斷嚙合，顆粒狀以外會破壞輪齒，造成輪齒表面磨損；當齒輪在高酸、高堿等腐蝕性的環境中長期運行時，其輪齒會被腐蝕性環境侵蝕而出現腐蝕磨損。

2.4 膠合

在高速重載下運行的齒輪接觸表面溫度迅速升高，在潤滑不良的條件下，接觸表面容易粘連在一起，重載條件下接觸表面緊緊結合在一起，隨著轉動進行，接觸表面被撕裂從而出現膠合失效。一般情況下，膠合現象容易發生在齒面瞬時溫度高、相對滑動速度大的地方。

2.5 塑性變形

塑性變形是輪齒變形的一種失效形式，當輪齒受到過應力時，其輪齒的屈服應力小于施加應力時會出現輪齒的塑性變形。一般發生在硬度較低的齒輪上，但是在特殊情況下，硬度高的齒輪上也會出現塑性變形。

3 典型故障的特征提取與維護分析

針對齒輪容易發生故障的特性，需要對其進行定期檢查并根據監測結果對其進行維護分析。在齒輪的故障診斷中，常用的是基于振動信號的分析。下面針對齒輪的典型故障以及特征進行分析，并制定合理的維護方案。齒輪一旦發生故障，其振動信號上會出現響應。準確提取齒輪的典型故障特征是對其監測的基礎。

3.1 輪齒折斷特征

在輪齒出現折斷時，斷齒處出現很大的沖擊振動，在時域上表現為有規律幅值的沖擊振動，在頻域上表現為嚙合頻率及其諧波頻率上出現間隔為轉軸的邊頻帶，并且此高頻帶幅值大、數量多、分布廣。輪齒出現折斷時，齒輪振動信號主要特征如下。

（1）調制邊頻帶寬高，調制頻率的嚙合頻率調制包括齒輪所在軸的轉頻和高階諧波，并出現多次高階諧波。

（2）調制邊頻帶寬高，調制頻率的齒輪共振頻率調制包括齒輪所在軸的轉頻和高階諧波，并出現多次高階諧波。

（3）振動能量和包絡能量顯著增大。

3.2 齒面點蝕特征

齒面出現點蝕時，轉頻不發生改變，但是在時域里會出現明顯的周期脈沖。點蝕越嚴重，出現嚙合頻率與高次諧波頻率為載波頻率，轉頻以及高次諧波為變頻的嚙合頻率調制，并且幅值顯著增大。齒面出現點蝕時，齒輪振動信號主要特征如下：

（1）出現嚙合頻率及其諧波周圍的邊頻帶。

（2）隨著齒面點蝕故障越來越嚴重，嚙合頻率振幅也越來越大。

（3）轉頻不發生變化，同時振動能量也不改變。

3.3 齒面磨損

根據齒面磨損程度的不同，磨損振動特征一般分為兩種情況：第一種為齒面磨損程度不嚴重時，輪齒齒形變化不大，不會產生明顯的調制現象，但是嚙合頻率及各階諧波幅值會變大；第二種為齒面磨損程度嚴重時，嚙合頻率及其諧波頻率幅值增大，且振動信號的能量顯著增大。

3.4 齒根裂紋

齒根發生裂紋時，裂紋產生的相位調制波形為非對稱形，并且相位調制具有一定局限性。齒輪振動信號主要特征如下：

（1）齒輪的轉頻對嚙合振動的調幅和調頻產生一定的影響，邊頻帶非對稱分布。

（2）旋轉頻率及高次諧波發生改變。

（3）對于多級齒輪，如果一處發生故障，相位調制信息會發生擴散，導致多處發生故障。

3.5 齒輪的維護分析

針對減速機齒輪的狀態監測對減速機的運行情況進行了初步分析，需要根據分析結果制定相應的維護方案。對于監測指標正常的減速機，應對其運行環境進行清潔，定期加注潤滑油，注意潤滑油中盡量避免少量的金屬屑，并保持良好的工作環境；對于監測指標出現異常的減速機齒輪，應拆箱查看其故障嚴重程度，對于輕微故障無需立即更換的，需要做好備件管理，對于嚴重故障的需要立即進行更換。為減少齒輪發生磨損情況，應該加強齒輪表面的硬度，將抗磨損的物質加入潤滑油中，吸附潤滑油中的金屬，減少磨損程度。為減少發生齒輪因過度疲勞出現斷齒，應該增大齒輪根部半徑，使得齒輪表面光滑，加大齒輪的抗折斷能力。

4 總結

減速機齒輪是齒輪減速傳動系統中的重要部件，受運行工況以及環境因素的影響，容易發生各種故障。分析減速機齒輪的工作原理、失效模式、失效原因，提取齒輪的典型故障特征，制定相應的維護分析方案，保證齒輪穩定良好運行。