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机械监测与诊断技术
论文

齿轮震动故障诊断与分析

学院：机械与动力学院
姓名：刘聪
学号：2012105422

2015年11月4号齿轮振动故障诊断与分析
一．齿轮典型故障介绍
(1)磨损
磨损包括磨粒磨损、腐蚀磨损和冲击磨损，磨粒磨损是常见的磨损形式，一般是由于齿的工作表面进入了金属微粒、尘埃和沙粒等所引起的齿面擦伤或者齿面材料脱落，是润滑不好的开式传动齿轮的主要故障类型。齿轮磨损后，齿的厚度变薄，齿廓变形，侧隙变大，会造成齿轮动载荷增大，不仅会使振动和噪音加大，而且很可能导致断齿。磨损故障大概占齿轮常见故障比例的10%。
(2)点蚀
点蚀是减速箱等闭式齿轮传动系统中极其普遍的故障类型，约占齿轮常见故障比例的31%。齿轮受啮合过程产生的循环交变应力会在表面产生微小疲劳裂纹，啮合时润滑油进入该裂纹中后被封口并受挤压产生高压，从而扩大了裂纹，最终导致齿轮表面金属的脱落形成麻点状小坑，这就是点蚀。在齿轮表面硬度低于350HBS的闭式齿轮上，点蚀现象尤为常见。点蚀的出现会加大齿轮表面的局部接触应力，导致点蚀现象的恶化，进而加剧齿轮啮合时的噪声、降低齿轮传动的精度。
(3)断齿
断齿在齿轮故障类型中是最容易发生的，占齿轮常见故障比例的41%。断齿故障有过载断齿、疲劳断齿和缺陷断齿三种，这里面又以疲劳断齿最为常见，它是由于齿轮工作受到周期性载荷，弯曲应力超过弯曲疲劳极限而在齿根处产生疲劳裂纹，裂纹渐渐扩大，当载荷的循环次数达到一定值时，就会致使轮齿折断。断齿是所有齿轮故障中最严重的类型，经常会导致停工停产。
(4)胶合
齿轮润滑良好时齿面间会保持一层润滑油膜作用，但是当载荷较大、齿面间压力大、工作转速高、工作表面温度较高时，润滑油膜被破坏，使金属齿面直接接触，相接触的金属材料在高温高压作用下发生粘着，相粘连的齿面由于相对滑动而被撕裂，在相对滑动方向形成划痕。齿面的胶合故障，会加剧齿面的磨损程度和速度，从而使齿轮更加快速地失效。这种故障类型占齿轮常见故障比例的10%。
(5)塑性变形
软齿面齿轮重载或者突然的重载冲击情况下，齿面容易发生塑性变形。因为重载会大幅加大齿面的摩擦力，这会导致齿轮表面的材料呈现塑性状态，使齿轮表面的金属发生塑性流动，进而造成被动轮齿面中间凸起、主动轮齿面中间凹陷。塑性变形会使齿面偏离渐开线形状，引起齿轮传动比的变化，产生附加动载荷。齿轮塑性变形和化学腐蚀、表面龟裂等其它类型的一些故障，占齿轮常见故障比例的8%。

齿轮振动类型及特征
即便在理想状态下，齿轮传动也会有振动产生，更何况是实际中齿轮的工作环境一般都比较恶劣，再加上齿轮的制造问题、安装问题、故障问题等的影响，因此齿轮传动中的振动根本是无法避免的。
1.齿轮振动类型介绍
不同的原因引起不同类型的振动，根据振动的来源一般可以把它们归为两类：一类是由齿轮正常啮合传动中交变载荷引起的，包括啮合振动和固有振动；另一类是由齿轮故障或者误差引起的，如齿形误差、磨损、断齿等引起的振动。各种振动都有各自不同的特点，下面简单介绍一下：
(1)齿轮的啮合振动
齿轮传动时，一对齿轮副中的两个齿轮相互啮合时会产生弹性变形，使刚进入啮合的齿轮发生撞击，从而产生振动，齿轮的啮合振动是无论齿轮状态的正常与否都会存在的，但是振动水平会存在差异。
(2)齿轮的固有振动
齿轮在啮合过程中产生的周期性冲击载荷的作用下，会激起固有振动，这种振动也是无论齿轮处于正常或者异常状态都会发生的，齿轮的固有振动频率就是产生的振动中的高频分量。
齿轮的固有振动会激起共振，而共振现象又会使齿轮的振动处于一个极高的水平，最终就会引起齿轮的断齿故障。因此，一个准确的齿轮的固有频率数值，对于齿轮故障诊断来说具有比较重要的参考价值。
(3)齿轮磨损引起的振动
齿轮齿面的磨损会使齿隙增大，进而导致齿轮啮合频率及其各次谐波振动分量幅值的增大，但是信号基波幅值增长缓慢，各次谐波分量幅值增长比基波快很多。
(4)齿轮局部异常引起的振动
齿轮的局部异常是指齿轮发生断齿、根部产生大裂纹等，它会产生激励，进而引起冲击振动，冲击剧烈时，不但会出现啮合频率的调制现象，还会出现固有频率的调制现象。
(5)齿轮误差引起的振动
齿轮存在误差使齿轮副相互啮合时产生撞击，从而产生振动，撞击频率是啮合频率。以齿轮偏心和周节误差为例，前者会提升齿轮转频振幅，后者则会在齿轮啮合频率及其谐波上产生振动分量，增大它们的振幅。两者都存在时就会出现调制现象，振动的高频部分会出现转频的高次谐波、啮合频率，且产生调制边频带。
(6)齿轮不同轴引起的振动
齿轮不同轴会导致啮合频率调制现象的出现，并且存在调制边频带，但是它的边频带分布情况和齿轮误差、点蚀、断齿等的不同。上述6种振动类型，很明显(1)、(2)属于分类中的第一种，(4)-(6)属于第