有關(guān)齒輪傳動(dòng)裝置故障診斷研究

朱植宇

摘 要：齒輪傳動(dòng)裝置的齒輪類故障主要有齒面磨損、齒面膠合和點(diǎn)蝕、輪齒裂紋和斷齒。齒面磨損主要引起齒廓改變，齒面膠合和點(diǎn)蝕則導(dǎo)致齒面不光滑，輪齒裂紋則對(duì)嚙合剛度和接觸力產(chǎn)生影響，而斷齒則會(huì)引起嚙合沖擊?？傊?，不同的齒輪故障會(huì)表現(xiàn)出不同的故障特征。因此，研究齒輪傳動(dòng)裝置故障診斷具有重要意義。

關(guān)鍵詞：齒輪傳動(dòng)裝置;故障診斷

大型齒輪傳動(dòng)裝置經(jīng)常在重載、沖擊及長時(shí)間連續(xù)工作的惡劣工況下使用，齒輪產(chǎn)生疲勞裂紋在所難免，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重的潛在威脅。因此，齒輪裂紋的早期檢測和定位正在日益引起人們的重視。在過去，人們對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置故障診斷的研究主要集中在故障模式、故障定位及故障信號(hào)的處理及信息提取等方面。這種故障診斷方式基本上屬于事后診斷，即出現(xiàn)常見的斷齒、齒面點(diǎn)蝕、軸承磨損等故障后，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障的原因和部位并進(jìn)行有效的維修 向大型化、精密化和復(fù)雜化方向發(fā)展，任何故障的產(chǎn)生都可能導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失和人身安全事故，因此，對(duì)大型齒輪傳動(dòng)裝置的可靠性和安全性提出了更高的要求。為適應(yīng)這一要求，出現(xiàn)了齒輪傳動(dòng)裝置故障的早期預(yù)測、在線診斷和精密診斷的概念和方法。

一、大型齒輪傳動(dòng)裝置的主要型式及其工程應(yīng)用

1.機(jī)械式礦用挖掘機(jī)的主要組成部分。機(jī)械式礦用挖掘機(jī)采用電力驅(qū)動(dòng)作業(yè)，亦稱為電鏟，廣泛應(yīng)用于露天礦山開采、大型水利工程等領(lǐng)域?，F(xiàn)代機(jī)械式礦用挖掘機(jī)主要組成部分包括工作裝置、回轉(zhuǎn)支承裝置、底盤行走裝置及回轉(zhuǎn)平臺(tái)等。工作裝置由提升機(jī)構(gòu)和推壓機(jī)構(gòu)組成。提升機(jī)構(gòu)用于鏟斗提升，一般采用雙級(jí)圓柱齒輪減速機(jī)驅(qū)動(dòng)提升卷筒實(shí)現(xiàn)鏟斗升降及配合推壓機(jī)構(gòu)完成挖掘作業(yè)。

2.機(jī)械式礦用挖掘機(jī)履帶行走減速裝置。機(jī)械式礦用挖掘機(jī)的行走機(jī)構(gòu)一般采用承重式履帶底盤，其特點(diǎn)是承載能力大、行駛速度低。礦用挖掘機(jī)履帶式行走底盤不僅承受上部機(jī)體的全部重力載荷，而且還要承受挖掘機(jī)在工作過程中的全部作業(yè)載荷。礦用挖掘機(jī)依靠履帶式行走底盤可以在工作區(qū)內(nèi)做短距離行走，以方便挖掘作業(yè)，所以行駛速度較低，一般不超過2km/h。履帶行走底盤的轉(zhuǎn)向方式為差動(dòng)轉(zhuǎn)向，即由兩條履帶的速度差產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)彎半徑來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

3.大功率可控啟動(dòng)傳動(dòng)裝置。隨著我國冶金、能源和交通等行業(yè)的發(fā)展，大型礦山、火電廠和港口等對(duì)長距離皮帶輸送機(jī)等重型設(shè)備的需求量日益增長。此類設(shè)備的工作特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率大、負(fù)載慣性大，且經(jīng)常需要重載啟動(dòng)，因此需采用具有良好調(diào)速性能的大功率傳動(dòng)裝置。例如，為保證大型皮帶輸送機(jī)的可靠運(yùn)行，并降低對(duì)系統(tǒng)中其他機(jī)械電氣部件的過高要求

二、齒輪傳動(dòng)裝置的主要故障類型及其診斷方法

大型齒輪傳動(dòng)裝置的故障類型大致可分為軸類故障、軸承類故障、齒輪類故障和箱體類故障，其中齒輪類故障所占比重最大，可達(dá)60%。而其中的前三類故障又可能互相影響、互為因果關(guān)系。

1.齒輪傳動(dòng)裝置的主要故障類型

（1） 齒面磨損。齒輪在嚙合過程中，齒輪副接觸表面出現(xiàn)材料摩擦磨損是不可避免的。這種磨損可分為正常磨損和非正常磨損。在齒輪預(yù)期壽命內(nèi)，磨損量在齒輪公差范圍內(nèi)而不影響正常功能的屬于正常磨損。正常磨損的齒輪輪齒沒有宏觀擦傷，表面光滑。如果在預(yù)期壽命內(nèi)齒面磨損量超出公差范圍，或齒形發(fā)生改變，則屬于非正常磨損。非正常磨損主要是由于齒輪選材或熱處理不當(dāng)、潤滑不良或齒輪副接觸表面之間存在硬質(zhì)顆粒等原因引起的。非正常磨損的后果可表現(xiàn)為齒形改變、齒厚變薄，并引起傳動(dòng)質(zhì)量下降和噪聲增大。

（2） 齒面膠合。齒面膠合是一種比較嚴(yán)重的齒面損傷形式，主要表現(xiàn)為齒面材料在較大壓力下融為一體，再隨齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)撕裂。齒面膠合可分為冷粘合和熱粘合。冷粘合主要是由于齒面間壓力過大，油膜破壞，接觸面產(chǎn)生塑性變形，齒面材料分子相互擴(kuò)散發(fā)生再結(jié)晶而引起齒面膠合。低速重載齒輪易發(fā)生冷粘合。熱粘合主要是由于齒輪副接觸表面局部高溫?zé)g引起的，多發(fā)生在高速齒輪傳動(dòng)。

2.齒輪傳動(dòng)裝置的主要故障診斷方法。齒輪傳動(dòng)裝置故障診斷常用的方法有振動(dòng)分析、噪聲分析、油液分析、聲發(fā)射、溫度監(jiān)測及能耗監(jiān)測等。振動(dòng)及噪聲分析是行之有效的診斷方法，目前還在不斷完善和發(fā)展。由于齒輪傳動(dòng)裝置的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其振動(dòng)和噪聲信號(hào)是故障特征的載體。通過對(duì)振動(dòng)噪聲信號(hào)的分析，可在齒輪傳動(dòng)裝置外部實(shí)現(xiàn)在線故障監(jiān)測和診斷。但由于齒輪傳動(dòng)裝置的復(fù)雜性和多樣性以及工作環(huán)境和強(qiáng)的噪聲干擾，目前在故障的早期診斷、在線監(jiān)測、故障的精確定位等方面還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用階段，對(duì)于齒輪傳動(dòng)裝置故障機(jī)理及特征提取的研究也處于發(fā)展之中。

三、齒輪傳動(dòng)裝置故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)國內(nèi)外最近文獻(xiàn)資料顯示，齒輪傳動(dòng)裝置的故障診斷技術(shù)仍處于不斷發(fā)展與完善之中。動(dòng)力學(xué)模型建模已從原來的單級(jí)直齒圓柱齒輪向斜齒輪、錐齒輪、多級(jí)齒輪傳動(dòng)乃至行星齒輪傳動(dòng)發(fā)展，逐漸接近實(shí)際應(yīng)用;信號(hào)處理領(lǐng)域的新成果應(yīng)用于齒輪振動(dòng)信號(hào)的分析與處理，提高故障信號(hào)的檢測精度，并向在線監(jiān)測方向發(fā)展;斷裂力學(xué)、疲勞損傷和摩擦磨損等領(lǐng)域的研究方法和成果開始應(yīng)用于齒輪傳動(dòng)裝置的故障診斷，為精確診斷、早期診斷和在線診斷提供理論基礎(chǔ)。 Belsak和Flasker采用有限元分析和臺(tái)架測試對(duì)齒輪齒根的疲勞裂紋進(jìn)行了研究，并采用短時(shí)傅立葉變換（STFT）等時(shí)頻分析法對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行了處理，獲得了不同長度疲勞裂紋故障信號(hào)的特征。Blunt和Keller對(duì)直升機(jī)行星齒輪箱的行星架疲勞裂紋進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)和現(xiàn)場測試，對(duì)故障信號(hào)分析的有效性進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。Guagliano等對(duì)準(zhǔn)雙曲面圓錐齒輪的裂紋進(jìn)行了斷裂力學(xué)分析研究，給出了確定應(yīng)力密度系數(shù)（SIF）的方法，并研究了裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。Ural等利用線彈性斷裂力學(xué)（LEFM）、有限元方法和邊界元法等方法對(duì)螺旋錐齒輪裂紋的形成機(jī)理和擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究，為齒輪傳動(dòng)裝置裂紋故障早期和在線診斷開辟了新的途徑。Endo和Loutridis分別將最小熵去卷積濾波和多尺度局部統(tǒng)計(jì)等信號(hào)處理方法用于齒輪故障信號(hào)分析，提高了故障識(shí)別率。

四、結(jié)語

本文在查閱大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，綜述了大型齒輪傳動(dòng)裝置的主要型式及其工程應(yīng)用齒輪傳動(dòng)裝置的主要故障類型及其診斷方法，介紹了大功率挖掘機(jī)行走減速傳動(dòng)裝置的用途和工作原理，確定了以嚙合剛度研究為基礎(chǔ)，以動(dòng)力學(xué)仿真和小波分析為手段進(jìn)行齒輪裂紋和斷齒故障研究的方法和技術(shù)路線，并闡述了大型齒輪傳動(dòng)裝置動(dòng)力學(xué)仿真分析及故障診斷的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

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