齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷方法與研究

黃良興 凌曦

梧州奧卡光學(xué)儀器有限公司 廣西梧州 543003

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

傳統(tǒng)方法大多數(shù)為研究單一信號(hào)，如振動(dòng)信號(hào)或聲發(fā)射信號(hào)，根據(jù)信號(hào)本身具備的物理特性判定故障診斷率，信號(hào)的采集易受外界環(huán)境的干擾，且單一信號(hào)對(duì)早期故障衰弱感知能力差?，F(xiàn)有方法中，通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)方法的單一信號(hào)研究，將多種采樣信號(hào)的時(shí)域、頻域和空間狀態(tài)進(jìn)行物理特征獲取與分析，繼而得出最終故障診斷率，往往其故障診斷正確率較低，目前需要在改進(jìn)傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，提高故障診斷自身正確率，以提高檢測(cè)精度為目的，進(jìn)一步優(yōu)化診斷方法，使得該領(lǐng)域的技術(shù)日漸穩(wěn)定和成熟。

2 故障表現(xiàn)形式

在齒輪傳動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用中，不同的使用工況有不同的故障表現(xiàn)，常見(jiàn)的典型故障類(lèi)型主要有以下幾個(gè)方面：①齒根部斷裂。由于齒根彎曲強(qiáng)度不足、輪齒受力異常、齒根應(yīng)力集中等，輪齒自根部折斷，單齒斷裂后，傳動(dòng)處于嚴(yán)重不穩(wěn)定的狀態(tài)，會(huì)迅速造成其他輪齒的斷裂。②齒面點(diǎn)蝕。由于齒面接觸強(qiáng)度不足、輪齒受力異常、齒面磨損異常等，輪齒齒面出現(xiàn)麻點(diǎn)狀的表層剝落，齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕后，傳動(dòng)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，在閉式傳動(dòng)中會(huì)引起箱內(nèi)異響、震動(dòng)等問(wèn)題。③異物、雜質(zhì)作用下的齒面損傷。閉式傳動(dòng)由于內(nèi)部清潔度不良，異物夾在齒面之間，在齒輪嚙合過(guò)程中對(duì)齒面造成擠壓，形成壓痕，齒面光潔度及漸開(kāi)線被破壞，造成齒輪嚙合不良，引起異響、震動(dòng)、齒輪損壞。④潤(rùn)滑不良導(dǎo)致的異常燒蝕。閉式傳動(dòng)中，由于箱內(nèi)潤(rùn)滑不良，齒輪嚙合傳動(dòng)過(guò)程中，齒面的滑動(dòng)不能形成油膜，近似于齒面在高速下持續(xù)進(jìn)行干摩擦，短期內(nèi)出現(xiàn)齒面異常磨損，以及高溫下的燒蝕變形，并很快發(fā)展為傳動(dòng)失效。

3 基于物理特性傳統(tǒng)方法及改進(jìn)優(yōu)化集成方法的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷綜述

3.1 齒輪故障診斷傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)方法中的經(jīng)典譜分析方法可分為時(shí)域分析法和頻域分析法。該方法的主要目的是研究單個(gè)信號(hào)，如振動(dòng)信號(hào)或聲發(fā)射信號(hào)，分析相應(yīng)的時(shí)域和頻域，根據(jù)不同的時(shí)域和頻域特征曲線（如波峰或毛刺）觀察曲線的起伏。對(duì)開(kāi)式齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)域和頻域分析。傳統(tǒng)的方法雖然簡(jiǎn)單、易操作、實(shí)用，但存在以下問(wèn)題：①對(duì)于不清晰的信號(hào)，識(shí)別能力弱，故障診斷率低；②對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和故障耦合信號(hào)的處理能力差，由于只得到單一信號(hào)，易受環(huán)境干擾，抗噪聲能力差，具有通用性。

3.2 齒輪故障診斷的集成方法

通過(guò)在時(shí)域引入相關(guān)去噪以減少時(shí)域原始信號(hào)中非周期分量的干擾，在頻域引入相關(guān)去噪，實(shí)現(xiàn)頻譜的周期性，故障特征趨于零頻率附近聚集。它消除了周期特性在故障頻域局部分布的局限性，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。同時(shí)，它還具有較強(qiáng)的抗噪聲能力。但是，它還存在一些問(wèn)題：①本質(zhì)上，它采用數(shù)學(xué)理論相關(guān)的計(jì)算方法對(duì)輸入信號(hào)的要求仍然很高，比如信噪比的選??；②故障診斷率還沒(méi)有達(dá)到工業(yè)級(jí)的精度要求；③由于采集到的是單一信號(hào)，所以它是易受環(huán)境干擾[1]。

4 齒輪修形

4.1 齒形修形

上文中提到齒輪嚙合傳動(dòng)過(guò)程中，由于重合度非整數(shù)、齒部受力變形的原因，傳動(dòng)過(guò)程中載荷分布不均勻，每個(gè)齒的嚙合過(guò)程都會(huì)發(fā)生應(yīng)力突變，因此而造成不傳動(dòng)不平穩(wěn)，會(huì)使齒輪承載能力有不同程度的降低。可以通過(guò)齒形修形來(lái)改善這一問(wèn)題。①齒頂修緣和齒根修緣：由于現(xiàn)有加工工藝可以進(jìn)行熱后齒形修整，在不考慮齒輪熱變形的情況下，齒頂修緣和齒根修緣根據(jù)輪齒的彈性變形開(kāi)展。常用的修緣方式可以參考齒輪手冊(cè)。②鼓形修正：為改善齒面受力，避免發(fā)生應(yīng)力集中，一般齒輪設(shè)計(jì)中會(huì)考慮增加齒形方向的鼓形量要求。齒形鼓形要求結(jié)合齒頂修緣和齒根修緣，使輪齒齒面在漸開(kāi)線曲線的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)進(jìn)一步的鼓形，增加鼓形量后，齒厚有一定的增加，且受力狀態(tài)得以改善[2]。

4.2 齒向修形

①鼓形修正（非常規(guī)嚙合，雙鼓形或直線形）：為降低齒輪嚙合的應(yīng)力，齒向一般修形為鼓形，但長(zhǎng)齒的熱處理變形較大，且不易控制，熱后不加工的情況下，齒向曲線不能保證光滑，不光滑即意味著有異常凸起或凹陷；異常點(diǎn)在嚙合過(guò)程中應(yīng)力集中，從而發(fā)生點(diǎn)蝕。實(shí)際嚙合中齒向設(shè)計(jì)應(yīng)考慮齒輪接觸實(shí)際情況進(jìn)行齒向鼓形高點(diǎn)位置的設(shè)定。②螺旋角修正（齒輪軸的剛性變形）：齒輪軸的裝配方式，無(wú)論是簡(jiǎn)支或懸臂結(jié)構(gòu)，都避免不了出現(xiàn)軸受力后的剛度變形，變形后，處于軸向不同位置的輪齒會(huì)出現(xiàn)不同的傾斜，傾斜后，齒輪受力發(fā)生變化，輪齒軸向受力不均勻，從而引起異常受力點(diǎn)的點(diǎn)蝕。改善方法為，根據(jù)輪齒徑向受力，計(jì)算齒輪所處位置的軸向傾角，折算到相應(yīng)的齒輪螺旋角。通過(guò)改變齒輪螺旋角，達(dá)到齒向受力均勻的效果[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷傳統(tǒng)方法、集成方法以及智能方法的綜述，根據(jù)列舉各自的方式方法，了解近年來(lái)對(duì)齒輪方面故障診斷的發(fā)展動(dòng)態(tài)以及應(yīng)用趨勢(shì)的同時(shí)對(duì)比各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)利用好各方法的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合不同方法的優(yōu)點(diǎn)融合得到更強(qiáng)大的監(jiān)測(cè)和診斷方法，有效提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的安全效益。對(duì)于故障診斷方法在齒輪方面的研究，在更大程度上使得故障診斷方法在機(jī)械故障診斷領(lǐng)域日益強(qiáng)大并廣為接受，同時(shí)也便于初學(xué)者進(jìn)行研究和探索，更為全面詳細(xì)地學(xué)習(xí)故障診斷與監(jiān)測(cè)。