齒輪傳動系統的故障診斷方法與研究

黃良興 凌曦

梧州奧卡光學儀器有限公司 廣西梧州 543003

1 國內外研究現狀及發展動態分析

傳統方法大多數為研究單一信號，如振動信號或聲發射信號，根據信號本身具備的物理特性判定故障診斷率，信號的采集易受外界環境的干擾，且單一信號對早期故障衰弱感知能力差。現有方法中，通過改進傳統方法的單一信號研究，將多種采樣信號的時域、頻域和空間狀態進行物理特征獲取與分析，繼而得出最終故障診斷率，往往其故障診斷正確率較低，目前需要在改進傳統方法的基礎上，提高故障診斷自身正確率，以提高檢測精度為目的，進一步優化診斷方法，使得該領域的技術日漸穩定和成熟。

2 故障表現形式

在齒輪傳動的實際應用中，不同的使用工況有不同的故障表現，常見的典型故障類型主要有以下幾個方面：①齒根部斷裂。由于齒根彎曲強度不足、輪齒受力異常、齒根應力集中等，輪齒自根部折斷，單齒斷裂后，傳動處于嚴重不穩定的狀態，會迅速造成其他輪齒的斷裂。②齒面點蝕。由于齒面接觸強度不足、輪齒受力異常、齒面磨損異常等，輪齒齒面出現麻點狀的表層剝落，齒面出現點蝕后，傳動處于不穩定的狀態，在閉式傳動中會引起箱內異響、震動等問題。③異物、雜質作用下的齒面損傷。閉式傳動由于內部清潔度不良，異物夾在齒面之間，在齒輪嚙合過程中對齒面造成擠壓，形成壓痕，齒面光潔度及漸開線被破壞，造成齒輪嚙合不良，引起異響、震動、齒輪損壞。④潤滑不良導致的異常燒蝕。閉式傳動中，由于箱內潤滑不良，齒輪嚙合傳動過程中，齒面的滑動不能形成油膜，近似于齒面在高速下持續進行干摩擦，短期內出現齒面異常磨損，以及高溫下的燒蝕變形，并很快發展為傳動失效。

3 基于物理特性傳統方法及改進優化集成方法的齒輪傳動系統故障診斷綜述

3.1 齒輪故障診斷傳統方法

傳統方法中的經典譜分析方法可分為時域分析法和頻域分析法。該方法的主要目的是研究單個信號，如振動信號或聲發射信號，分析相應的時域和頻域，根據不同的時域和頻域特征曲線（如波峰或毛刺）觀察曲線的起伏。對開式齒輪傳動系統進行了時域和頻域分析。傳統的方法雖然簡單、易操作、實用，但存在以下問題：①對于不清晰的信號，識別能力弱，故障診斷率低；②對復雜結構和故障耦合信號的處理能力差，由于只得到單一信號，易受環境干擾，抗噪聲能力差，具有通用性。

3.2 齒輪故障診斷的集成方法

通過在時域引入相關去噪以減少時域原始信號中非周期分量的干擾，在頻域引入相關去噪，實現頻譜的周期性，故障特征趨于零頻率附近聚集。它消除了周期特性在故障頻域局部分布的局限性，擴大了應用范圍。同時，它還具有較強的抗噪聲能力。但是，它還存在一些問題：①本質上，它采用數學理論相關的計算方法對輸入信號的要求仍然很高，比如信噪比的選取；②故障診斷率還沒有達到工業級的精度要求；③由于采集到的是單一信號，所以它是易受環境干擾[1]。

4 齒輪修形

4.1 齒形修形

上文中提到齒輪嚙合傳動過程中，由于重合度非整數、齒部受力變形的原因，傳動過程中載荷分布不均勻，每個齒的嚙合過程都會發生應力突變，因此而造成不傳動不平穩，會使齒輪承載能力有不同程度的降低。可以通過齒形修形來改善這一問題。①齒頂修緣和齒根修緣：由于現有加工工藝可以進行熱后齒形修整，在不考慮齒輪熱變形的情況下，齒頂修緣和齒根修緣根據輪齒的彈性變形開展。常用的修緣方式可以參考齒輪手冊。②鼓形修正：為改善齒面受力，避免發生應力集中，一般齒輪設計中會考慮增加齒形方向的鼓形量要求。齒形鼓形要求結合齒頂修緣和齒根修緣，使輪齒齒面在漸開線曲線的基礎上呈現進一步的鼓形，增加鼓形量后，齒厚有一定的增加，且受力狀態得以改善[2]。

4.2 齒向修形

①鼓形修正（非常規嚙合，雙鼓形或直線形）：為降低齒輪嚙合的應力，齒向一般修形為鼓形，但長齒的熱處理變形較大，且不易控制，熱后不加工的情況下，齒向曲線不能保證光滑，不光滑即意味著有異常凸起或凹陷；異常點在嚙合過程中應力集中，從而發生點蝕。實際嚙合中齒向設計應考慮齒輪接觸實際情況進行齒向鼓形高點位置的設定。②螺旋角修正（齒輪軸的剛性變形）：齒輪軸的裝配方式，無論是簡支或懸臂結構，都避免不了出現軸受力后的剛度變形，變形后，處于軸向不同位置的輪齒會出現不同的傾斜，傾斜后，齒輪受力發生變化，輪齒軸向受力不均勻，從而引起異常受力點的點蝕。改善方法為，根據輪齒徑向受力，計算齒輪所處位置的軸向傾角，折算到相應的齒輪螺旋角。通過改變齒輪螺旋角，達到齒向受力均勻的效果[3]。

5 結語

通過對齒輪傳動系統故障診斷傳統方法、集成方法以及智能方法的綜述，根據列舉各自的方式方法，了解近年來對齒輪方面故障診斷的發展動態以及應用趨勢的同時對比各種方法的優缺點后發現，當利用好各方法的優點，結合不同方法的優點融合得到更強大的監測和診斷方法，有效提高齒輪傳動系統發生故障時的安全效益。對于故障診斷方法在齒輪方面的研究，在更大程度上使得故障診斷方法在機械故障診斷領域日益強大并廣為接受，同時也便于初學者進行研究和探索，更為全面詳細地學習故障診斷與監測。