鑄造機械齒輪箱故障問題分析研究

任戰鋒，王非，柴自豪

（洛陽雙瑞精鑄鈦業有限公司，河南 洛陽 471000）

1 緒論

齒輪箱作為機械動力系統中重要的運行轉速和動力傳動裝置，因其扭動轉矩較大、并且存在固定傳動比率大和結構特點緊湊等優點，廣泛運用在在電力系統、大型鑄造設備以及農業機械中。但是齒輪箱中的傳動性能好壞是決定了整個流水線運行設備工作效率。由于齒輪箱箱體本體內部的機械結構部件很復雜并且常常工作在惡劣的工作環境中，結合運行經驗，發現齒輪箱是機械結構中最容易出現故障的部件。近年來，隨著生產智能化的加劇，機械結構也更加精密，機械運行工況也日漸復雜。齒輪箱故障如果不能及時發現，很有可能造成整個智能化生產模塊停止工作，如果進一步演化，極有可能會帶來生產事故，后果不堪設想，所以，對齒輪箱的運行故障開展針對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上進一步討論了鑄造機械幾種常見的齒輪箱故障，并且重點對故障的形式、故障原因以及故障時的相應特征進行了討論研究，為后期診斷和維修工作奠定基礎。

2 齒輪箱故障基本理論

齒輪箱主要包含箱體、齒輪、機械支架、滾動軸承以及轉軸等零部件。其中，齒輪的主要作用是傳遞速度和動力；而滾動軸承則是支撐整個齒輪箱的部件；轉軸主要齒輪箱內重要的旋轉零件。由此可見這3 個部件是齒輪箱中的配件，所以也是齒輪箱故障中比較頻發的故障，下面將分別介紹齒輪發生故障、軸承發生故障與轉軸發生故障相對應的特征。

（1）齒輪發生故障。齒輪作為齒輪傳動機構中極易損壞的機械零部件，根據齒輪發生故障時的損傷特點和損傷的機理，可以將齒輪在實際工作中的常見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。根據國內外學者和研究機構的統計研究表明：斷齒故障和點蝕故障是齒輪故障發生概率較高的故障形式，分別占齒輪總故障事故發生概率的41%和31%。其中斷齒故障是各種齒輪故障類型中最常見同時也是最嚴重的故障類型，進一步研究發現斷齒故障大部分發生在齒輪的齒根處，這主要的原因是在齒輪齒根部分受的彎曲應力最大，進而會使輪齒的齒根處產生疲勞裂紋。當機械機構運行在正常工況下，輪齒在各個部位會產生循環應力，結果造成小金屬快從齒輪表面發生脫落，這種情況叫做點蝕故障，點蝕故障按照故障特點又分為拓展性點蝕故障與非拓展性點蝕故障兩種。

自20 世紀末開始，科研工作者就對齒輪故障開展了針對性研究，其中振動分析法是對齒輪狀態監測和齒輪故障分析的重要方法之一。當運行中的齒輪發生一些具有特征性的機械故障時，齒輪就會產生相應周期振動，進一步對形成周期振動信號進行調制，就會在具體在頻譜上顯現出來固有頻率或者在嚙合頻率兩側發生均勻的邊頻帶。因此，在齒輪發生以后，對這個調制信號的解調是對故障分析的一個重要的步驟。振動信號蘊含著大量的在運設備中異?；蚬收系男畔?。對這個振動信號進一步分析是診斷故障有效的方法，通過各種傳感器等測試儀器捕獲機械振動信號，進而對故障機械進行處理。對于正常工況下運行的齒輪來說，它的振動信號函數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；fm表示嚙合頻率；Z 表示齒輪的齒數；fr表示齒輪的轉頻；An表示n 次諧波下嚙合幅值；φn則表示振動信號的初始相位角度。

但是當齒輪發生機械故障后，其振動信號公式就會變為：

其中1+an(t)表示調制信號的幅值函數；bn(t)表示調制信號頻率的函數。當此公式用于分析上述的局部斷齒故障或者點蝕的故障時，1+an(t)與bn(t)都是以齒輪的旋轉周期為周期的函數。由物理學知識可以知道：信號的調制就是將高頻信號的某一特征參量用一個低頻信號函數進行控制。常見的信號調制的類型可分為：幅值調制、頻率調制以及幅值頻率調制三種，下面簡單的介紹它們的基本概念。

幅值調制是指載波信號的幅值隨調制信號變化而變化。例如用幅值調制信號 a (t ) = 1 + 0.5 sin(2π *×6t)對載波信號x (t ) = sin (2π×30t)進行幅值調制，得到的幅值調制信號為xa(t ) = a ( t )x (t ) = 1 + 0.5 sin(2π×6t )sin(2π×30t)

頻率調制就是指使載波信號的頻率隨調制信號變化而變化。例如用頻率調制信號 b( t ) = 1 + 1.5 sin(2π *×6t)對載波信號 x (t ) = sin(2π×30t)進行頻率調制，得到的頻率調制信號為

幅值頻率調制包含了幅值和頻率調制的雙重特點。如信號 a (t ) = 1 + 0.5 sin(2π×6t)和 b( t ) = 1 + 1.5 sin(2π×6t)分 別是幅值調制信號與頻率調制信號，對載波信號為 x (t ) = sin(2π *×30t)，進行幅值頻率調制后得到一個幅值頻率調制信號為

（2）滾動軸承的故障。在齒輪箱中使用最為廣泛的部件就是滾動軸承，滾動軸承具有運行精度高、摩擦系數小和滾軸向結構緊湊等眾多優點。但是由于其工作時磨損較快，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生機械故障。滾動軸承通常是由滾動體、內圈、外圈以及機械支架四個部分所組成。其中軸承的滾動體是核心的機械部件，它的作用是使發生在相對運動的兩個物體表面的滑動摩擦轉變為滾動摩擦，從而減小相對摩擦的摩擦力，其中較為常見的機械滾動體有圓錐滾子、滾針、球滾子等。當軸承正常運行時軸承外圈處機械固定狀態，而內圈隨轉動部分一起活動，而機械支架的主要作用則是使得滾動體在滾動過程中在內圈和外圈之間可以均勻分布，從而進一步降低了相鄰的兩個滾動體的相對摩擦速度，也減小了機械發熱程度。

根據軸承鑄造設備部件的故障原因和機理的不同，可以將常見的滾動軸承的機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。其中磨損故障產生的根本原因是軸承在實際的運行過程機械滾動體在滾動時和內外套圈的相對滑動使機械磨損加重，進而產生機械故障。疲勞故障主要是因為在實際的運行中運行過程中軸承滾動體以及內外套圈表面因為高頻次沖擊力的作用造成接觸面的細微裂紋，如果不引起重視，機械作用繼續存在，裂紋進一步向周邊擴張，最后在機械接觸面產生了點狀或者片快的剝落現象。軸承的腐蝕故障主要是指當軸承的外表面被水，酸以及酸性潤滑液侵蝕的故障。而斷裂以及膠合故障則分別是因為機械軸承表面不間斷的大載荷的沖擊以及軸承潤滑不足時導致零件斷裂的故障和部分脫落的細小金屬顆粒碎屑粘貼在相對接觸面中的另一金屬表面的故障。

根據以上對故障原因的分析和故障特征以及故障出現的位置等的不同，也方便用于公式表達，將滾動軸承的故障總結為內圈故障，外圈故障和滾動體故障三類。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）滾動體故障的特征頻率表示為

以上三式中，fr表示轉軸頻率；Z 表示滾動體具體的個數；d0表示滾動體的直徑；α 和D 則分別表示為接觸角和節徑的大小。

（3）轉軸的故障。在實際的機械工況中齒輪箱中的轉軸經常會出現轉軸運行不平衡的現象，這會造成轉軸偏離中心的情況，嚴重時還會引起轉軸故障。其中最為常見的就是碰摩故障。這主要是因為軸承在實際的旋轉運行中，經過長時間的運轉使機械磨損，造成軸承轉軸面和定子面之間的間隙逐漸減小，當間距減小到極值時就會發生機械面的摩擦碰撞進而造成磨碰故障。特別是對于一些特殊用途的高轉速軸承，因其本身轉速高，為了保證較高的工作效率，機械面的間距通常都很小，所以控制好兩者的間隙非常重要。實際的運行經驗表明：當轉軸發生碰摩故障時會使轉軸與定子系統運行脫離實際工況，嚴重時甚至導致整個機械系統停轉，從而造成巨大生產損失。

3 結語

本文介紹了齒輪箱故障基本理論，并對齒輪箱故障中占比重較大的齒輪故障、滾動軸承故障和轉軸故障進行故障診斷，接著重點介紹故障時振動機理與振動信號的模型，為后期診斷和維修工作奠定基礎。