煤礦減速機(jī)齒輪箱零部件的失效形式及機(jī)理探析

王 欣

（寧夏煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 寧夏 銀川 750011）

0 引言

齒輪箱作為煤礦減速機(jī)不可少的連接和傳遞動(dòng)力的通用零部件，同時(shí)由于煤礦減速機(jī)由于本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，工作環(huán)境惡劣的原因等很容易受到損害和出現(xiàn)故障。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳動(dòng)機(jī)械中80%的故障是由齒輪引起的，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中齒輪故障占其故障的10%左右。

1 齒輪箱失效原因及失效比重

齒輪箱中主要的零部件包括齒輪、軸和滾動(dòng)軸承等，而且這三類主要零部件失效時(shí)會產(chǎn)生相互影響的故障，所以對齒輪箱故障診斷主要分析齒輪、滾動(dòng)軸承和軸的主要失效形式，通常齒輪投入使用后，由于設(shè)計(jì)、裝配、設(shè)計(jì)或者維護(hù)方面的原因會產(chǎn)生各種形式的失效。

表1 齒輪箱失效原因及失效比重

表1 列出了齒輪箱失效的主要原因及失效比重，表2 為齒輪箱各類零件損壞的百分比。

表2 齒輪箱的失效零件及失效比重

2 齒輪的異常現(xiàn)象

造成齒輪異常的原因很多，主要包括制造原因、裝配原因以及齒輪本身的損傷等。 在制造方面，在加工過程中由于工藝等原因?qū)е缕摹X形誤差以及齒距偏差等；齒輪裝配不當(dāng)，比如有些裝配不能很好地平穩(wěn)地傳遞動(dòng)力、裝配不平行，與軸的裝配不良等均可能產(chǎn)生齒輪的異?，F(xiàn)象；而齒輪本身的損傷情況很復(fù)雜，包括設(shè)計(jì)不當(dāng)，制造誤差，裝配不良等都可能造成齒輪的齒面燒傷、色變、點(diǎn)蝕、剝落、塑性變形、磨損、膠合、波紋、隆起、斷裂等損傷情況發(fā)生。 而其中的某一方面結(jié)果也會導(dǎo)致其他的異常現(xiàn)象等等。

3 滾動(dòng)軸承的失效形式

滾動(dòng)軸承應(yīng)用于各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中， 也是齒輪箱重要的組成部分，也是容易失效的一個(gè)零部件之一。煤礦減速機(jī)的健康狀態(tài)也直接與滾動(dòng)軸承健康狀況息息相關(guān)， 所以在很大程度上軸承的好壞也決定著減速機(jī)的健康狀態(tài)。 滾動(dòng)軸承的失效會導(dǎo)致齒輪的異常，以至于設(shè)備的故障，很多的齒輪箱損壞都與軸承相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生故障其原因由滾動(dòng)軸承造成的概率為7%。在齒輪箱中，滾動(dòng)軸承是承力單元，轉(zhuǎn)速相對較高，所承載的負(fù)荷也相對較大，有調(diào)查顯示，球軸承出現(xiàn)故障時(shí)，90%的概率發(fā)生在內(nèi)圈與外圈上， 其他一般發(fā)生在滾動(dòng)體上，而發(fā)生在保持架上的概率相對很低。

滾動(dòng)軸承在運(yùn)行過程中，很容易受到裝配不當(dāng)，水分、異物侵入、潤滑問題等損壞，特別是過載、腐蝕等原因造成軸承的損壞，所以說滾動(dòng)軸承的損傷形式也是多樣的，而且原因也相對復(fù)雜。 典型的損失形式有疲勞、膠合、磨損、燒傷、腐蝕、破損、壓痕等，這些損傷的原因也很多樣，可以查閱相關(guān)文獻(xiàn)等。

4 軸不平衡、不對中和彎曲

在齒輪箱中，軸都會存在一些平衡、對中和彎曲等問題，隨著工藝和加工精度的提高，只要將這些不平衡量、不對中度以及彎曲控制在一定的范圍之內(nèi)，齒輪箱都是可以認(rèn)為是正常運(yùn)行的。 當(dāng)然如不平衡問題，當(dāng)其不平衡量超過了一定的程度，就會對齒輪箱的健康狀態(tài)產(chǎn)生較大的影響，而且有可能使齒輪箱發(fā)生故障問題。 這里所提到的平衡問題主要是來自以下幾個(gè)方面：在機(jī)械加工過程中，不管哪個(gè)零部件，或多或少存在一些工藝的問題，所以即使是新制造的軸也會存在不平衡的問題；另外一個(gè)原因是在長期的使用過程中，受到過大的載荷沖擊產(chǎn)生變形或者彎曲； 在很多的情況下卻是由于疲勞作用產(chǎn)生的。

齒輪箱在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)齒輪故障、軸承故障時(shí)，通常還會伴隨著軸的故障，典型的軸故障包括: 軸不對中、軸不平衡、軸彎曲等。這些故障也將嚴(yán)重影響齒輪箱整體健康狀態(tài)。

在齒輪箱中，有的軸與軸之間通過聯(lián)軸器連接，這種軸系的存在會產(chǎn)生不對中的問題，這是由于在設(shè)計(jì)、制造、安裝或者在使用的過程中產(chǎn)生的。通常這種不對中的問題也會對齒輪箱的健康狀態(tài)產(chǎn)生較大的問題。軸不對中主要發(fā)生在軸的聯(lián)軸器位置，由于不對中，會使軸在旋轉(zhuǎn)中受徑向交變力作用而產(chǎn)生振動(dòng)。 因存在軸之間偏差，齒輪傳動(dòng)過程中會出現(xiàn)分布類型的齒形誤差，從而產(chǎn)生齒輪的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象。在本文的案例中，采取的是加速度傳感器采集信號，但軸不對中在齒輪箱中測得的振動(dòng)信號頻率非常低， 加速度信號很難反映其特性，研究表明軸不對中信號中由于分布式齒形誤差，會出現(xiàn)齒輪嚙合頻率及其諧波為載波， 齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波為調(diào)制波的調(diào)制形式。

軸受到過大的沖擊載荷會產(chǎn)生彎曲導(dǎo)致不平衡問題，軸不平衡時(shí)在齒輪傳動(dòng)過程中也會導(dǎo)致齒形誤差，形成以嚙合頻率及其倍頻為載波頻率，以齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象，在頻譜圖上表現(xiàn)為邊帶數(shù)量少而稀，該軸旋轉(zhuǎn)頻率成分相對明顯，其振動(dòng)能量也會有相應(yīng)的增加。

同樣這種瞬間的載荷沖擊也會造成輕度彎曲向嚴(yán)重彎曲轉(zhuǎn)變。當(dāng)軸發(fā)生輕度彎曲的時(shí)候，很多情況下會產(chǎn)生齒形誤差，這種齒形誤差導(dǎo)致調(diào)制現(xiàn)象，通常這種調(diào)制現(xiàn)象通常是以嚙合頻率及其倍頻為載波頻率，以齒輪的軸旋轉(zhuǎn)頻率為調(diào)制頻率，假如存在多對齒輪時(shí)，相應(yīng)的也會導(dǎo)致各種調(diào)制現(xiàn)象并存，同時(shí)其振動(dòng)的能量加劇，當(dāng)軸彎曲情況比較嚴(yán)重時(shí)，通常伴隨的是沖擊對時(shí)域信號產(chǎn)生影響，沖擊持續(xù)整個(gè)周期的1/3 以上。 當(dāng)其沖擊能量很大時(shí)，在下面箱體共振中也提到會引起齒輪箱箱體共振，振幅很大，出現(xiàn)箱體共振調(diào)制現(xiàn)象。

軸的這些失效形式在很多情況向會引起齒輪的失效，這是因?yàn)檩S的問題導(dǎo)致嚙合狀態(tài)發(fā)生改變。而且齒輪和滾動(dòng)軸承都是安裝在軸上面的，所以也有可能是滾動(dòng)軸承的工作狀況也發(fā)生變化。 所以在本文中對于某一軸承座上測得的信號實(shí)際上包含了軸、齒輪、滾動(dòng)軸承的信息，在評價(jià)過程中應(yīng)予重視。

5 箱體共振

齒輪箱箱體共振主要是箱體受到箱體外的激勵(lì)觸發(fā)其固有頻率，相對來說箱體共振是比較嚴(yán)重的問題。

如果箱體是薄板結(jié)構(gòu)，地基傳來的振動(dòng)、軸系的輕度彎曲以及齒形的較大誤差在運(yùn)行中產(chǎn)生的激勵(lì)都會影響其箱體的固有頻率，但是一般不會產(chǎn)生箱體共振調(diào)制現(xiàn)象，共振信號呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。 其頻率成分中箱體固有頻率為主， 其他頻率其幅值相對比較不明顯，但是伴隨的振動(dòng)能量加劇比較明顯。

當(dāng)齒輪箱箱體出現(xiàn)共振的情況時(shí)，一般是其他零部件的振動(dòng)引發(fā)激起齒輪箱的固有頻率，此時(shí)的振動(dòng)信號會出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象。 調(diào)制的中心頻率為其箱體的固有頻率以及齒輪的嚙合頻率及其高次諧波頻率，調(diào)制頻率一般是轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率等， 相應(yīng)頻率幅值和能量都會有所增加。

6 結(jié)束語

總之，齒輪及齒輪箱作為機(jī)械設(shè)備中不可缺少的連接和傳遞動(dòng)力的零部件，在我國各領(lǐng)域包括機(jī)床、航空、電力、能源、農(nóng)業(yè)機(jī)械、冶金、運(yùn)輸機(jī)械等現(xiàn)代設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用，特別是機(jī)械設(shè)備在科學(xué)技術(shù)日新月異的時(shí)代，而齒輪裝置，特別在齒輪箱，在任何大型設(shè)備都發(fā)揮著無可替代的作用，而且對其要求也越來越高，可以說大型化、高強(qiáng)度、高效率、自動(dòng)化以及高性能是一種必然的發(fā)展趨勢。

［1］工康，李魏華，朱小勇.齒輪及齒輪箱故障診斷實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］項(xiàng)文娟.齒輪箱故障源信號分析方法及系統(tǒng)研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2007.