風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱失效形式和振動(dòng)特征

黃永東

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000）

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風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱失效形式和振動(dòng)特征

黃永東

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000）

文章闡述了齒輪失效的類型和成因，當(dāng)齒輪出現(xiàn)失效時(shí)，可以通過對(duì)齒輪振動(dòng)信號(hào)的邊頻帶分析得到不同的失效類型，文章歸納和總結(jié)了齒輪不同失效類型所對(duì)應(yīng)齒輪振動(dòng)信號(hào)頻譜的特征。

齒輪失效，振動(dòng)分析，邊頻帶

1　前言

齒輪傳動(dòng)是近代機(jī)器中常見的一種機(jī)械傳動(dòng)形式，主要用于傳遞機(jī)器動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械裝置的重要基礎(chǔ)部件。它與帶、鏈、摩擦、液壓等機(jī)械傳動(dòng)相比，具有功率范圍大、傳動(dòng)效率高、圓周速度高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊（如行星傳動(dòng)）和維護(hù)簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)。齒輪在運(yùn)行過程中，長(zhǎng)期承受各種交變、沖擊和摩擦等載荷作用，再加上齒輪在制造和安裝過程中留下的缺陷，則齒輪不可避免地出現(xiàn)磨損、膠合、疲勞點(diǎn)蝕和其他形式的失效形式，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，帶有齒輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械約有10%的故障是由齒輪失效引起的，因此，為了將齒輪失效引起的故障降到最低，則非常有必要了解齒輪失效的原因和類型，掌握有效的診斷方法來提高齒輪傳動(dòng)的可靠性。

2　齒輪失效的類型

機(jī)械或零件在使用過程中，由于某些原因受到傷害而影響正常功能的現(xiàn)象，稱為損傷，損傷雖然會(huì)影響機(jī)械或零部件的使用壽命，但是損傷不一定會(huì)引起機(jī)械或零件失效，當(dāng)損傷累積到一定程度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生失效。而機(jī)械或零件由于某些原因不能正常工作的現(xiàn)象，或者機(jī)械或零件在使用過程中，由于某些原因而喪失工作能力或功能參數(shù)漂移到可靠使用界限值以外的現(xiàn)象，則稱為失效。齒輪失效是指齒輪在使用過程中，在載荷、溫度或環(huán)境介質(zhì)的作用下，其尺寸、外形或材料性能發(fā)生改變，失去原定設(shè)計(jì)功能而不能正常工作。損傷往往是失效的前奏，當(dāng)齒輪損傷發(fā)展到一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致齒輪失效。

齒輪失效主要發(fā)生在齒輪齒上，而其他部分（如輪緣、輪輻、輪轂等）通常是按成熟的經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)的，其強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)余量比較富裕，在實(shí)際運(yùn)行中很少出現(xiàn)失效。

齒輪失效往往是幾種損傷綜合作用的結(jié)果，但有的損傷并不會(huì)導(dǎo)致齒輪失效，如齒輪在早期運(yùn)行階段的磨合即拋光、中等磨損、非擴(kuò)展性疲勞點(diǎn)蝕就屬于損傷。

在GB/T 3481-1997（ISO 10825-1995）和ANSI/AGMA-1010-E95-1995等標(biāo)準(zhǔn)中具體地定義了齒輪損傷和失效類型，可歸納為6大類型：

（1）齒輪表面磨損現(xiàn)象（Indication of surface disturbance）：又細(xì)分為滑動(dòng)磨損、腐蝕、過熱、侵蝕和電侵蝕。其中，滑動(dòng)磨損是齒輪最常見的磨損形式，它是由于齒輪表面之間的摩擦所產(chǎn)生的損傷或失效現(xiàn)象，其特征是齒輪金屬表面材料發(fā)生耗損或損失。研磨（磨粒）磨損、擦傷（Scoring或Scratch）屬于滑動(dòng)磨損，梨溝和劃痕則是研磨磨損的主要特征；而微動(dòng)腐蝕（Fretting corrosion）則屬于腐蝕失效類型，微動(dòng)腐蝕發(fā)生的條件是齒輪的表面緊密接觸，且齒輪之間有周期性的微小相對(duì)運(yùn)動(dòng)（一般運(yùn)動(dòng)的幅值小于120 μm），在這種條件下輪齒接觸之間的潤滑油膜因擠壓而產(chǎn)生破裂，從而造成金屬和金屬之間直接接觸而引起齒輪表面微凸體產(chǎn)生粘著現(xiàn)象，在相對(duì)微小運(yùn)動(dòng)下，齒輪接觸表面出現(xiàn)熔焊粘著而撕裂，并產(chǎn)生類似于咖啡豆顏色的細(xì)小紅褐色氧化鐵粉末，從而使得齒輪發(fā)展為類似于研磨磨損，在這個(gè)過程中齒輪之間所產(chǎn)生的碎片或磨損邊緣緊密接觸將進(jìn)一步阻止?jié)櫥瓦M(jìn)入齒輪的表面，因此，微動(dòng)腐蝕將隨著時(shí)間增加而進(jìn)一步惡化，微動(dòng)腐蝕常常發(fā)生在相對(duì)靜止的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中。通常可采用增加潤滑粘度、增加齒輪表面的接觸強(qiáng)度或減少齒輪表面的接觸壓力等措施來消除微動(dòng)腐蝕；

（2）膠合（Scuffing）：膠合是齒輪表面產(chǎn)生嚴(yán)重的粘著磨損（Severe adhesion），當(dāng)摩擦副在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于接觸點(diǎn)上的固相焊合或熱熔焊，接觸表面的材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面的現(xiàn)象，其過程為“接觸—塑性變形—表面膜（包括油膜）破裂—粘著—剪斷接點(diǎn)—再粘著”的循環(huán)過程。膠合又分為熱膠合和冷膠合，熱膠合是由于齒輪嚙合處局部過熱導(dǎo)致金屬熔焊粘著；而冷膠合多發(fā)生在低速（齒輪圓周速度小于4 m/ s）重載的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，由于齒輪嚙合處局部壓力高、且相對(duì)滑動(dòng)速度低，使得兩接觸齒面間表面氧化膜被刺破而形成冷焊。膠合通常發(fā)生在齒輪的齒頂或齒根表面，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在2個(gè)區(qū)域同時(shí)發(fā)生。改善齒輪接觸表面的粗糙度、降低齒輪表面的接觸應(yīng)力以及采用極壓潤滑油是防止或改善膠合的主要措施。需要注意的是，在老標(biāo)準(zhǔn)中（如GB 3481-1983）或一些資料中，膠合和擦傷屬于同一種損傷或失效類型，均用英文Scoring來表示，這是不正確的，真正的擦傷是由直徑比較大的顆粒所引起的磨粒磨損，造成齒輪在相對(duì)滑動(dòng)方向形成較深擦痕。在GL 2010和IEC 61400-4標(biāo)準(zhǔn)中，設(shè)計(jì)者需要采用DIN 3900-4:1987或ISO/ TR 13989:2000標(biāo)準(zhǔn)（GB/Z 6413:2003）對(duì)齒輪進(jìn)行抗熱膠合能力評(píng)估，并且要求按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 14635-1:2000（GB/T 19936.1）所規(guī)定的試驗(yàn)裝置和參數(shù)對(duì)齒輪潤滑油進(jìn)行抗膠合性能測(cè)試；

（3）永久變形（Permanent deformations）：即齒輪的外形和尺寸產(chǎn)生較大變化；

（4）表面疲勞現(xiàn)象（Surface fatigue phenomena）：具體又分為點(diǎn)蝕、片蝕、剝落和表面壓碎4個(gè)類別。點(diǎn)蝕是輪齒在循環(huán)載荷下出現(xiàn)疲勞失效的故障模式，又叫赫茲疲勞現(xiàn)象，具體又分為宏觀點(diǎn)蝕（Macropitting）、微觀點(diǎn)蝕（Micropitting）和亞表面疲勞（Subsurface initiated fatigue或subcase fatigue）3種類型，宏觀點(diǎn)蝕的機(jī)理是齒輪在摩擦接觸面上不僅承受交變壓應(yīng)力，使材料發(fā)生疲勞，同時(shí)還存在摩擦和磨損，且表面還有塑性變形和溫升現(xiàn)象，根據(jù)彈性力學(xué)赫茲應(yīng)力公式可知，無論是點(diǎn)接觸還是線接觸，接觸表面最薄弱處是在離表面0.786倍點(diǎn)接觸或線接觸區(qū)寬度的二分之一的地方，而該區(qū)域是最大剪切應(yīng)力的作用點(diǎn)，最容易產(chǎn)生裂紋，再加上齒輪滾動(dòng)加滑動(dòng)的影響下，其最大剪切應(yīng)力的區(qū)域離輪齒的摩擦表面更近，從而形成表面金屬剝落并產(chǎn)生約200 μm深的點(diǎn)蝕坑，點(diǎn)蝕的部位一般在靠近齒輪節(jié)線附近，它同齒輪表面的粗糙度，齒輪表面細(xì)小裂紋、表面溝紋和材料存在雜質(zhì)有關(guān)，可用ISO 6336標(biāo)準(zhǔn)對(duì)宏觀點(diǎn)蝕進(jìn)行評(píng)估；而微觀點(diǎn)蝕是近幾年才得以重視并加以詳細(xì)研究的，它又稱為灰斑或結(jié)霜（Frosting）現(xiàn)象，在過去，點(diǎn)蝕均用宏觀赫茲應(yīng)力分析法，認(rèn)為齒輪接觸面是理想光滑的，但從微觀角度來看齒輪表面是粗糙的，齒輪嚙合時(shí)其真實(shí)接觸在粗糙表面的峰頂，這使得赫茲應(yīng)力分布發(fā)生調(diào)幅以及金屬粘著而形成小于20 μm深的淺坑，微觀點(diǎn)蝕往往都是宏觀點(diǎn)蝕的起因，與宏觀點(diǎn)蝕不同微觀點(diǎn)蝕的部位往往多發(fā)生在遠(yuǎn)離齒輪節(jié)線的齒根處，并逐漸發(fā)展到齒輪的齒頂部位，它通常伴隨齒輪臨界潤滑使得齒輪金屬與金屬直接接觸而發(fā)生，因此，可以通過增加潤滑油粘度來改善。在風(fēng)電行業(yè)中要求對(duì)低速重載齒輪箱采用ISO/TR 15144:2000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行微觀點(diǎn)蝕評(píng)估；另外表面硬化處理后的齒輪易出現(xiàn)亞表面疲勞，推薦采用DNV Classification Note 41.2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估；

（5）裂縫和裂紋（Fissures and cracks）；

（6）齒輪齒斷裂（Tooth breakage）：可采用ISO 6336-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齒輪齒的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核，防止輪齒斷裂事故的發(fā)生。

3　齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)常用的故障診斷方法

齒輪失效會(huì)影響傳動(dòng)系統(tǒng)正常工作，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)停止運(yùn)行。因此，對(duì)齒輪失效所引起的故障進(jìn)行有效診斷有著極為重要的意義。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷研究發(fā)展至今，其診斷方法大體可分為兩大類：一類是通過采集齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)信號(hào)如振動(dòng)信號(hào)或噪聲信號(hào)，通過動(dòng)態(tài)信號(hào)處理的方法來進(jìn)行故障診斷；另一類是根據(jù)摩擦磨損理論，利用潤滑油液或金相分析來實(shí)現(xiàn)。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)常用的故障診斷方法如下：

（1）油液分析技術(shù)：油液分析技術(shù)是通過分析油液中磨損的顆粒和其他污染物質(zhì)來了解齒輪運(yùn)行中所出現(xiàn)磨損的狀態(tài)，即通過分析油液中磨損微粒的形狀、大小、數(shù)量、粒度分布和化學(xué)元素組成，來判斷齒輪磨損的類型、磨損的部位和磨損的嚴(yán)重度，達(dá)到分析和預(yù)測(cè)齒輪在磨損過程中的發(fā)展趨勢(shì)和剩余壽命，最終確定維修計(jì)劃和維修方案，它是不用對(duì)齒輪解體就可以進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的一個(gè)重要手段。目前隨著油液在線監(jiān)測(cè)傳感器技術(shù)的進(jìn)步，油液分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并能夠根據(jù)所獲取的磨損信息進(jìn)行報(bào)警和趨勢(shì)分析，目前國外比較成功的在線磨粒監(jiān)測(cè)傳感器有美國MACOM Technologies公司開發(fā)的TechAlert 10型、加拿大GasTops公司開發(fā)的MetalSCAN磨粒傳感器和英國Kittiwake開發(fā)的FG型在線磨粒量傳感器。

（2）噪聲分析技術(shù)：齒輪傳動(dòng)噪聲的聲源來源于齒輪嚙合傳動(dòng)中的相互運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)噪聲的影響因素主要為齒輪加工誤差和安裝誤差。加工誤差包括齒形誤差、齒向誤差、齒距誤差、齒圈跳動(dòng)等；安裝誤差包括齒輪軸線的平行度、中心距和齒輪副側(cè)隙等。一旦齒輪出現(xiàn)故障，則會(huì)產(chǎn)生與缺陷類型相關(guān)的沖擊激勵(lì)噪聲源，通過對(duì)齒輪振動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)和噪聲頻率分布分析，在一定程度上能夠分析和判斷齒輪的故障情況。值得注意的是，齒輪運(yùn)行產(chǎn)生噪聲并不意味著齒輪一定存在故障，因?yàn)?，噪聲等?jí)的增加還同齒輪載荷增加、運(yùn)行的轉(zhuǎn)速變化密切相關(guān)。

（3）振動(dòng)分析技術(shù)：齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)通過主、從動(dòng)齒輪的相互嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和能量，齒輪的相互嚙合會(huì)產(chǎn)生一定形式的機(jī)械振動(dòng)，而諸如磨損、點(diǎn)蝕、制造誤差、裝配誤差等缺陷必然引起機(jī)械振動(dòng)信號(hào)特征發(fā)生變化。因此，在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)中，就包含有與故障類型相關(guān)的信息，通過對(duì)齒輪振動(dòng)信號(hào)分析，就能判斷出齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的故障類型。

4　振動(dòng)分析技術(shù)在齒輪失效分析的應(yīng)用

齒輪振動(dòng)信號(hào)同齒輪失效類型是密切相關(guān)的，它能夠較為真實(shí)、全面地反映出齒輪失效的特征與類型。振動(dòng)分析技術(shù)又分為時(shí)域與頻域兩大類分析方法。借助振動(dòng)時(shí)域波形分析可以對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行初步判斷，如振動(dòng)波形信號(hào)是確定性信號(hào)還是隨機(jī)信號(hào)；振動(dòng)波形中的頻率成分是否復(fù)雜，其振動(dòng)幅值隨時(shí)間的變化的趨勢(shì)和規(guī)律；有無明顯的沖擊和調(diào)制成分等等。由于振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析方法主要依賴診斷者的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)故障機(jī)理的了解程度，因此，要準(zhǔn)確地判斷齒輪失效的類型、部位、原因和損壞程度，還需借助振動(dòng)信號(hào)的頻域分析，即頻譜、倒頻譜、細(xì)化譜等分析方法，振動(dòng)信號(hào)的頻域分析能將復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為許多單頻率簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻域信號(hào)的合成，能夠得到振動(dòng)信號(hào)能量和頻率的分布狀況，為齒輪失效分析和判斷提供較為準(zhǔn)確的判定依據(jù)。

齒輪的振動(dòng)信號(hào)來自于安裝在齒輪箱的振動(dòng)傳感器，由于結(jié)構(gòu)上的限制，振動(dòng)傳感器不可能都安裝在齒輪承載的最大區(qū)域，即振動(dòng)敏感區(qū)域，因此，監(jiān)測(cè)齒輪振動(dòng)傳感器的輸出信號(hào)還摻雜其他齒輪級(jí)的振動(dòng)信號(hào)、軸承的振動(dòng)信號(hào)、碎片經(jīng)過齒輪產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)和臨近機(jī)器的振動(dòng)信號(hào)，一般由以下振動(dòng)信號(hào)組成：

（1）支持齒輪軸上滾動(dòng)或滑動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)；

（2）齒輪軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速的諧波信號(hào)；

（3）齒輪的嚙合頻率以及嚙合頻率的高次諧波分量；

（4）以嚙合頻率為中心的邊帶頻率信號(hào)即調(diào)制信號(hào)；

（5）齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)的共振信號(hào)。

在齒輪振動(dòng)信號(hào)中，由于信號(hào)調(diào)制的原因，在齒輪振動(dòng)頻譜中，常常會(huì)出現(xiàn)齒輪的特征頻率（嚙合頻率或共振頻率）以及其高階諧頻和以這些頻率為中心等間距分布的頻率成分即邊頻帶，嚙合頻率和邊頻帶的分布形式同齒輪振動(dòng)失效類型密切相關(guān)，因此，無論哪種頻域分析技術(shù)都是為了清晰地甄別邊頻帶的分布形式，以完成齒輪的故障分析和診斷。

4.1齒輪正常運(yùn)行的振動(dòng)特征

齒輪正常運(yùn)行時(shí)，其振動(dòng)頻譜圖上會(huì)呈現(xiàn)出齒輪軸轉(zhuǎn)速的1倍（基頻）和2倍頻成分，以及齒輪的嚙合頻率和嚙合頻率的高次諧波分量，在嚙合頻率和嚙合頻率的諧波分量的兩邊同樣存在邊頻帶效應(yīng)，但不會(huì)出現(xiàn)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率信號(hào)。所有頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值均比較小，其中轉(zhuǎn)速的諧波倍頻和嚙合頻率高次諧波倍頻所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值大小是基波幅值的1%以下。圖1為齒輪正常運(yùn)行的典型振動(dòng)頻譜圖。

圖1　齒輪正常運(yùn)行的頻譜圖

雖然正常運(yùn)行的齒輪振動(dòng)信號(hào)同樣會(huì)出現(xiàn)邊帶效應(yīng)，但是邊帶頻率左右分布均勻并對(duì)稱出現(xiàn)，且對(duì)稱頻率所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值基本是一樣的，邊帶頻率的間隔等于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的基頻，如圖2所示。

圖2　齒輪正常運(yùn)行時(shí)邊帶頻譜的特征圖

4.2齒輪隨傳遞載荷變化的振動(dòng)特征

當(dāng)齒輪傳遞的載荷發(fā)生變化時(shí)，隨著傳遞載荷的增大，其嚙合頻率及其邊帶頻率的幅值將減少，空載時(shí)的振動(dòng)幅值達(dá)到最大，圖3為空載和加載時(shí)齒輪振動(dòng)典型頻譜圖。一般而言，嚙合頻率所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值更敏感于齒輪傳遞載荷和轉(zhuǎn)速的變化，通常也把它作為判斷齒輪載荷和轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀況的指標(biāo)之一。鑒于上述原因，在齒輪振動(dòng)故障分析時(shí)，需要采集和分析齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行工況的振動(dòng)情況，以確保所得到的分析結(jié)果排除了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)隨傳遞載荷和轉(zhuǎn)速變化對(duì)其振動(dòng)的影響，這也是為什么齒輪振動(dòng)故障分析時(shí)，需要將轉(zhuǎn)速信號(hào)作為相關(guān)信號(hào)的重要原因。在齒輪箱實(shí)際運(yùn)行中，由于其振動(dòng)信號(hào)的幅值和頻率分布還受到轉(zhuǎn)速、傳遞載荷大小以及齒輪副側(cè)隙等非故障因素的影響，因此，只有在相同載荷和運(yùn)行轉(zhuǎn)速狀況下，對(duì)齒輪的振動(dòng)特征進(jìn)行比較分析，才能得出較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。

圖3　齒輪空載和加載時(shí)齒輪振動(dòng)典型頻譜圖

4.3齒輪磨損的振動(dòng)特征

當(dāng)齒輪出現(xiàn)磨損后，其振動(dòng)信號(hào)將被激發(fā)出齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和以固有頻率為中心頻率的邊帶效應(yīng)，邊帶的頻率間隔等于轉(zhuǎn)速的基頻，固有頻率常常位于齒輪相對(duì)較高的轉(zhuǎn)速基頻值和基本嚙合頻率之間。

齒輪嚙合頻率所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值不敏感于齒輪齒的磨損狀況，但是其邊帶頻率的振動(dòng)幅值卻非常敏感于齒輪齒的磨損狀況，隨著磨損情況的加劇，其邊帶頻率所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值會(huì)急劇增加，因此，齒輪邊帶效應(yīng)所對(duì)應(yīng)的幅值是判斷齒輪是否存在磨損的重要指標(biāo)，同樣當(dāng)齒輪磨損嚴(yán)重時(shí)，其嚙合頻率的高次諧波也將變得更為明顯。

齒輪磨損的結(jié)果將導(dǎo)致齒輪之間的傳動(dòng)間隙增加，從而導(dǎo)致邊帶頻率的間隔頻率值發(fā)生變化，邊帶頻率的間隔不再是單純的齒輪轉(zhuǎn)速的基頻頻率，將出現(xiàn)轉(zhuǎn)速的2倍頻或者齒輪副另外一個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)速，造成邊帶的頻率間隔不再均勻分布，如圖4所示。

圖4　齒輪磨損導(dǎo)致傳動(dòng)間隙增加后頻譜特征圖

4.4齒輪偏心和backlash的振動(dòng)特征

所謂的齒輪偏心是齒輪安裝時(shí)，齒輪副的中心距不符合設(shè)計(jì)值，如圖5所示的小齒輪出現(xiàn)了ε大小的偏心；而backlash（齒輪副側(cè)隙）的定義為：在嚙合的一對(duì)齒輪上，非工作齒廓一側(cè)的間隙值。該間隙值的作用是：避免輪齒受力彈性變形和工作溫度升高熱變形后，造成齒輪傳動(dòng)發(fā)生卡滯和干涉。一般來說，一個(gè)齒輪的齒槽寬減去另一個(gè)齒輪的齒厚約等于齒輪副側(cè)隙。

圖5　齒輪偏心示意圖

當(dāng)齒輪存在偏心和backlash不符合設(shè)計(jì)值時(shí)，其振動(dòng)頻譜將呈現(xiàn)出同齒輪齒磨損一樣的頻譜特征，在backlash不符合設(shè)計(jì)值時(shí)，其嚙合頻率所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值隨齒輪傳遞載荷增加反而會(huì)減少。

4.5齒輪角度不對(duì)中的振動(dòng)特征

當(dāng)齒輪存在不對(duì)中故障現(xiàn)象時(shí)，將激發(fā)齒輪振動(dòng)頻譜出現(xiàn)嚙合頻率2倍頻率和更高次諧波分量，其嚙合頻率以及高次諧波的邊帶頻率間隔值多為轉(zhuǎn)速的基頻，往往1倍頻嚙合頻率的幅值要小于2倍頻和3倍頻嚙合頻率的幅值，與此同時(shí)，轉(zhuǎn)速的倍頻和其高次諧波分量所對(duì)應(yīng)的幅值也有所增大，并大于轉(zhuǎn)速基頻振動(dòng)的幅值。在齒輪不對(duì)中故障分析時(shí)，要求頻譜的分析范圍至少能夠分析嚙合頻率的3倍諧波分量。

4.6齒輪裂紋和斷齒的振動(dòng)特征

當(dāng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)裂紋或斷齒時(shí)，會(huì)使得1X轉(zhuǎn)速頻率的振動(dòng)幅值增加（平衡發(fā)生破壞），同時(shí)激發(fā)出齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率以及轉(zhuǎn)速頻率為間隔值的邊帶效應(yīng)，此時(shí)，時(shí)間波形也將出現(xiàn)脈沖波形，其脈沖的間隔時(shí)間反映了齒輪裂紋或斷齒的個(gè)數(shù)。由于裂紋和斷齒造成齒輪對(duì)受力不均勻，因此，其另外一個(gè)明顯特征是邊帶兩邊的幅值會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱的現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6　齒裂紋或斷裂的時(shí)域和頻域特征圖

4.7齒輪安裝出現(xiàn)松動(dòng)

齒輪支撐部分發(fā)生松動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)頻譜圖將出現(xiàn)大量齒輪軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速的高次諧波分量，同樣嚙合頻率也出現(xiàn)大量高次諧波分量，并且轉(zhuǎn)速和嚙合頻率的高次諧波分量的幅值往往大于1X嚙合頻率的幅值。

5　總結(jié)

（1）齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展至今，對(duì)其失效形式和機(jī)理都有較為深入的研究，每一種失效形式都能夠按照ISO或ANSI/AGMA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)和參照，只有找到齒輪失效的真正原因后，才能夠有針對(duì)性地進(jìn)行維修和維護(hù)；

（2）增速齒輪箱屬于雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，常受到無規(guī)律的風(fēng)載荷以及強(qiáng)陣風(fēng)沖擊，加之機(jī)組所處環(huán)境交通不便和齒輪箱安裝在塔頂?shù)莫M小空間內(nèi)，一旦出現(xiàn)故障，修復(fù)非常困難，故對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的可靠性和使用壽命有更高的要求。在相關(guān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 61400-4：2012和GL 2010）中，不但需要設(shè)計(jì)者按照相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齒輪可靠性和動(dòng)力特性進(jìn)行評(píng)估，而且還要對(duì)軸承、主軸和連接件的安全性進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)還要對(duì)齒輪的精度等級(jí)、連接件等級(jí)、加工方法、散熱方式、潤滑方式、監(jiān)控手段和試驗(yàn)項(xiàng)目作較為詳細(xì)的規(guī)定和說明，以期最大限度內(nèi)減少風(fēng)電齒輪箱的故障率；

（3）當(dāng)齒輪在傳動(dòng)中，其缺陷所伴隨的振動(dòng)信號(hào)在頻域上都以一定形式的特征嚙合頻率和邊頻帶形式呈現(xiàn)出來，因此，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)所呈現(xiàn)的嚙合頻率和邊頻帶的分布形式、邊帶頻率間隔值以及齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是否出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振頻率等現(xiàn)象，就能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)齒輪故障的類型進(jìn)行判斷。

［1］丁康，李巍華，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］Guideline for the Certification of Wind Turbine Edition 2010［Z］.Germanischer Lloyd，2010.

［3］GB/T 3481-1997齒輪輪齒磨損和損傷術(shù)語［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［4］ANSI/AGMA-1010-E95-1995 Apperence of Gear Teeth-Terminology of Wear and Failure［S］.AGMA，Alexandria，1995.

［5］IEC 61400-4：2012 Design Requirements for Wind Turbine Gearboxes［S］.International Electrotechnical Commission，2012.

Wind Turbine Gearbox Failure Mode and Vibration Feature

Huang Yongdong
（Dongfang Electric Wind Power Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

This article depicts types and causation of gear failure.When the gear failure occurs，different types of gear failure can be obtained through analyzing side band of the gear vibration signal.This article summarizes the gear vibration signal spectrum corresponding to characteristics in different gear failures.

gear failure，vibration analysis，side band

TK83

B

1674-9987（2016）03-0061-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.014

黃永東（1964-），男，正高級(jí)工程師，主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)以及強(qiáng)度、振動(dòng)故障診斷分析和研究工作。