減速機(jī)齒輪故障分析與維護(hù)

賈玉剛，武云龍

（日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東日照 276800）

0 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，齒輪減速機(jī)傳動(dòng)效率越來越高，減速機(jī)的使用壽命及安裝維護(hù)等優(yōu)勢(shì)越來越明顯。齒輪作為一種重要的傳動(dòng)部件在機(jī)電設(shè)備中廣泛應(yīng)用，隨著裝備不斷向復(fù)雜化、智能化的方向轉(zhuǎn)變，齒輪故障給企業(yè)帶來的損失越來越大。一些連續(xù)型工作的設(shè)備，如電力行業(yè)設(shè)備，由于減速機(jī)齒輪的故障造成的停機(jī)，會(huì)給社會(huì)造成巨大損失。通常情況下，齒輪運(yùn)行一段時(shí)間會(huì)產(chǎn)生故障，故障的形式多樣化，例如，斷齒、表面疲勞和磨損等。因此，分析齒輪故障與維護(hù)具有重要意義，對(duì)齒輪進(jìn)行故障模式與失效機(jī)理的分析，可以實(shí)現(xiàn)齒輪由事后維修，定期維修到預(yù)防性維修的轉(zhuǎn)變，從而減少檢測(cè)成本，避免發(fā)生安全事故。

1 減速機(jī)工作原理

減速機(jī)是一種動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，它通過各級(jí)減速比不同的齒輪進(jìn)行組合從而達(dá)到減速的目的。在各級(jí)齒輪傳動(dòng)中，小齒輪與大齒輪嚙合，通過減速比實(shí)現(xiàn)降速，通過多級(jí)大小齒輪的組合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步降低。在減速機(jī)系統(tǒng)中降低轉(zhuǎn)速同時(shí)增加了輸出扭矩，因此減速機(jī)一般用于低轉(zhuǎn)速大扭矩的傳動(dòng)設(shè)備。它的動(dòng)力傳遞路徑為電機(jī)將動(dòng)力傳遞到中間環(huán)節(jié)的減速機(jī)構(gòu)中，通常由多級(jí)大小齒輪組成的輪系構(gòu)成，通過中間輪系將動(dòng)力傳入到輸出軸與被驅(qū)動(dòng)設(shè)備。設(shè)備的額定功率不發(fā)生變化，根據(jù)功率、轉(zhuǎn)速、減速比以及扭矩之間的關(guān)系，可在功率以及減速比不變的情況下，通過減小轉(zhuǎn)速增加減速器的輸出扭矩。

2 齒輪失效模式與故障機(jī)理分析

齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞效率高、可靠穩(wěn)定等特點(diǎn)，在工業(yè)設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。齒輪減速器主要由軸承、傳動(dòng)軸、齒輪等部件構(gòu)成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，齒輪減速器中齒輪故障占比約為60%，軸承故障占比19%，傳動(dòng)軸故障占比10%。齒輪隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間推移，其失效模式逐漸發(fā)生演變，常見的失效模式有斷齒、齒面疲勞、齒面磨損、齒面膠合以及塑性變形。表1 列出齒輪失效模式以及失效原因。

2.1 斷齒

齒輪斷齒有多種形式，一般分為疲勞斷齒與過載斷齒。在疲勞斷齒中，正常工況狀態(tài)下運(yùn)行的齒輪由于受到交變載荷的影響，在齒根處受到應(yīng)力集中逐漸出現(xiàn)裂紋。隨著運(yùn)行時(shí)間推移，齒根處裂紋逐漸發(fā)展，在疲勞應(yīng)力長(zhǎng)期作用下齒輪會(huì)出現(xiàn)斷齒。在過載斷齒中，由于齒輪受到?jīng)_擊載荷的影響，齒根局部產(chǎn)生應(yīng)力集中并出現(xiàn)裂紋，齒根強(qiáng)度較低的輪齒所受的載荷超出其應(yīng)有的承受強(qiáng)度，從而使輪齒發(fā)生折斷。

2.2 輪齒表面疲勞

齒輪輪齒表面的疲勞分為齒面的點(diǎn)蝕與剝落。輪齒長(zhǎng)期工作中，輪齒表面由于受到交變載荷影響，從而引起微小裂紋。當(dāng)出現(xiàn)這種微小裂紋后，潤(rùn)滑油進(jìn)入裂紋，輪齒的嚙合將潤(rùn)滑油封閉在裂紋內(nèi)。這種擠壓讓潤(rùn)滑油產(chǎn)生的高壓使裂紋不斷擴(kuò)大，其結(jié)果是輪齒表面小部分的金屬出現(xiàn)脫落從而造成點(diǎn)蝕，當(dāng)出現(xiàn)較大面積的金屬脫落時(shí)稱為輪齒表面剝落。

2.3 磨損

在齒輪傳動(dòng)中，長(zhǎng)期的潤(rùn)滑缺失或潤(rùn)滑不良以及異物進(jìn)入造成的潤(rùn)滑油污染是齒輪磨損的重要原因。當(dāng)輪齒表面出現(xiàn)磨損時(shí)，會(huì)造成輪齒變薄，輪齒間的間隙變大，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)使齒輪的振動(dòng)增大，輪齒逐漸變薄而發(fā)生斷齒。磨損按照其運(yùn)行工況以及環(huán)境因素的影響可以分為黏著磨損、磨粒磨損以及腐蝕磨損：當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速較低，并且載荷較大時(shí)，潤(rùn)滑油的黏度較低或者供油量不足時(shí)，油膜容易發(fā)生破壞從而發(fā)生黏著磨損；當(dāng)外界環(huán)境中的顆粒狀異物進(jìn)入潤(rùn)滑油，會(huì)污染潤(rùn)滑油，并且隨著輪齒的不斷嚙合，顆粒狀以外會(huì)破壞輪齒，造成輪齒表面磨損；當(dāng)齒輪在高酸、高堿等腐蝕性的環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，其輪齒會(huì)被腐蝕性環(huán)境侵蝕而出現(xiàn)腐蝕磨損。

2.4 膠合

在高速重載下運(yùn)行的齒輪接觸表面溫度迅速升高，在潤(rùn)滑不良的條件下，接觸表面容易粘連在一起，重載條件下接觸表面緊緊結(jié)合在一起，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行，接觸表面被撕裂從而出現(xiàn)膠合失效。一般情況下，膠合現(xiàn)象容易發(fā)生在齒面瞬時(shí)溫度高、相對(duì)滑動(dòng)速度大的地方。

2.5 塑性變形

塑性變形是輪齒變形的一種失效形式，當(dāng)輪齒受到過應(yīng)力時(shí)，其輪齒的屈服應(yīng)力小于施加應(yīng)力時(shí)會(huì)出現(xiàn)輪齒的塑性變形。一般發(fā)生在硬度較低的齒輪上，但是在特殊情況下，硬度高的齒輪上也會(huì)出現(xiàn)塑性變形。

3 典型故障的特征提取與維護(hù)分析

針對(duì)齒輪容易發(fā)生故障的特性，需要對(duì)其進(jìn)行定期檢查并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行維護(hù)分析。在齒輪的故障診斷中，常用的是基于振動(dòng)信號(hào)的分析。下面針對(duì)齒輪的典型故障以及特征進(jìn)行分析，并制定合理的維護(hù)方案。齒輪一旦發(fā)生故障，其振動(dòng)信號(hào)上會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)。準(zhǔn)確提取齒輪的典型故障特征是對(duì)其監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。

3.1 輪齒折斷特征

在輪齒出現(xiàn)折斷時(shí)，斷齒處出現(xiàn)很大的沖擊振動(dòng)，在時(shí)域上表現(xiàn)為有規(guī)律幅值的沖擊振動(dòng)，在頻域上表現(xiàn)為嚙合頻率及其諧波頻率上出現(xiàn)間隔為轉(zhuǎn)軸的邊頻帶，并且此高頻帶幅值大、數(shù)量多、分布廣。輪齒出現(xiàn)折斷時(shí)，齒輪振動(dòng)信號(hào)主要特征如下。

（1）調(diào)制邊頻帶寬高，調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制包括齒輪所在軸的轉(zhuǎn)頻和高階諧波，并出現(xiàn)多次高階諧波。

（2）調(diào)制邊頻帶寬高，調(diào)制頻率的齒輪共振頻率調(diào)制包括齒輪所在軸的轉(zhuǎn)頻和高階諧波，并出現(xiàn)多次高階諧波。

（3）振動(dòng)能量和包絡(luò)能量顯著增大。

3.2 齒面點(diǎn)蝕特征

齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕時(shí)，轉(zhuǎn)頻不發(fā)生改變，但是在時(shí)域里會(huì)出現(xiàn)明顯的周期脈沖。點(diǎn)蝕越嚴(yán)重，出現(xiàn)嚙合頻率與高次諧波頻率為載波頻率，轉(zhuǎn)頻以及高次諧波為變頻的嚙合頻率調(diào)制，并且幅值顯著增大。齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕時(shí)，齒輪振動(dòng)信號(hào)主要特征如下：

（1）出現(xiàn)嚙合頻率及其諧波周圍的邊頻帶。

（2）隨著齒面點(diǎn)蝕故障越來越嚴(yán)重，嚙合頻率振幅也越來越大。

（3）轉(zhuǎn)頻不發(fā)生變化，同時(shí)振動(dòng)能量也不改變。

3.3 齒面磨損

根據(jù)齒面磨損程度的不同，磨損振動(dòng)特征一般分為兩種情況：第一種為齒面磨損程度不嚴(yán)重時(shí)，輪齒齒形變化不大，不會(huì)產(chǎn)生明顯的調(diào)制現(xiàn)象，但是嚙合頻率及各階諧波幅值會(huì)變大；第二種為齒面磨損程度嚴(yán)重時(shí)，嚙合頻率及其諧波頻率幅值增大，且振動(dòng)信號(hào)的能量顯著增大。

3.4 齒根裂紋

齒根發(fā)生裂紋時(shí)，裂紋產(chǎn)生的相位調(diào)制波形為非對(duì)稱形，并且相位調(diào)制具有一定局限性。齒輪振動(dòng)信號(hào)主要特征如下：

（1）齒輪的轉(zhuǎn)頻對(duì)嚙合振動(dòng)的調(diào)幅和調(diào)頻產(chǎn)生一定的影響，邊頻帶非對(duì)稱分布。

（2）旋轉(zhuǎn)頻率及高次諧波發(fā)生改變。

（3）對(duì)于多級(jí)齒輪，如果一處發(fā)生故障，相位調(diào)制信息會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致多處發(fā)生故障。

3.5 齒輪的維護(hù)分析

針對(duì)減速機(jī)齒輪的狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)減速機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行了初步分析，需要根據(jù)分析結(jié)果制定相應(yīng)的維護(hù)方案。對(duì)于監(jiān)測(cè)指標(biāo)正常的減速機(jī)，應(yīng)對(duì)其運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行清潔，定期加注潤(rùn)滑油，注意潤(rùn)滑油中盡量避免少量的金屬屑，并保持良好的工作環(huán)境；對(duì)于監(jiān)測(cè)指標(biāo)出現(xiàn)異常的減速機(jī)齒輪，應(yīng)拆箱查看其故障嚴(yán)重程度，對(duì)于輕微故障無需立即更換的，需要做好備件管理，對(duì)于嚴(yán)重故障的需要立即進(jìn)行更換。為減少齒輪發(fā)生磨損情況，應(yīng)該加強(qiáng)齒輪表面的硬度，將抗磨損的物質(zhì)加入潤(rùn)滑油中，吸附潤(rùn)滑油中的金屬，減少磨損程度。為減少發(fā)生齒輪因過度疲勞出現(xiàn)斷齒，應(yīng)該增大齒輪根部半徑，使得齒輪表面光滑，加大齒輪的抗折斷能力。

4 總結(jié)

減速機(jī)齒輪是齒輪減速傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件，受運(yùn)行工況以及環(huán)境因素的影響，容易發(fā)生各種故障。分析減速機(jī)齒輪的工作原理、失效模式、失效原因，提取齒輪的典型故障特征，制定相應(yīng)的維護(hù)分析方案，保證齒輪穩(wěn)定良好運(yùn)行。