机械齿轮故障机理以及特性分析

陈 国

（德州亚太集团有限公司，山东 德州 253000）

在机械齿轮出现故障时，会出现齿面破损、划痕、剥落、轮齿断裂等现象，影响机械的使用寿命，还会使机械生产受到影响。因此，需要对机械齿轮的故障机理和特性进行研究，以便在机械齿轮出现故障时，能及时采取针对性措施排除故障。

1 机械齿轮故障振动类型

（1）材料不稳定引起的震动。机械齿轮的材料决定着齿轮的质量，当所使用的材料不满足要求时，齿轮的质量就会受到影响，从而在使用过程中发生故障。目前，许多机械齿轮故障都是因为其生产材料质量差导致的。在齿轮材料失去稳定性的情况下，或者是在轮子与中轴没对准的情况下，机械齿轮就会出现故障振动现象，其振动频率主要受机械齿轮谐波的影响。

（2）齿轮碰撞引起的自振。在机械齿轮的运行过程中，齿轮之间会产生碰撞，由此可能会引起齿轮故障。不同机械中的齿轮有所差别，有些机械的运转速度比较快，机械齿轮的轮齿数量就会比较多；有些机械的运转速度比较慢，所以齿轮的轮齿数量相对比较少。当轮齿数量比较多时，轮齿之间就很容易产生碰撞，由于机械运转速度快，碰撞就会比较激烈，导致机械齿轮被动的震动。当轮齿之间相互摩擦时，如果不及时将齿轮卸载下来进行调整，就会导致齿轮结构被破坏，使齿轮快速的衰减。

（3）啮合过程中引起的激振。机械齿轮的啮合阶段，要注意观察啮合频率的变化情况，并检查机械齿轮的工作状态。当齿轮处于正常工作状态时，其啮合频率一般是比较固定的，齿形之间会保持一定的安全距离。但是，齿形之间存在相对误差，在进行啮合时，各个齿轮会出现弹性变形，这是由齿轮之间的相互摩擦和碰撞引起的。当齿面出现部分损伤时，会引起激振，其强迫振动频率由两个因素决定，一是受损的齿轮数量，二是轴转速频率，这两个因素的乘积就是强迫振动频率。另一方面，有些机械齿轮不均匀，轮齿之间的距离会周期变化，从而出现信号调制问题，即在对应的幅频特征曲线中，会在啮合频率和谐波的两边出现一簇边频带。

2 机械齿轮故障机理及特征

（1）故障机理。根据齿轮传动的动态机理生的齿轮相对位移；M为齿轮副的等效质量；C为齿轮啮合阻尼；K（t）为齿轮啮合刚度，随时间 t变化；δ1表示齿轮受载后的平均弹性变形；δ2表示齿轮传动误差和故障激励所引起的两齿轮间的相对位移。动态激励有四种，分别为刚度激励、传动误差、啮合冲击和节线冲击。大部分齿轮啮合的重合度都不是整数，在啮合过程中参与啮合的轮齿对数会随时间的变化而出现周期性的变化，从而引起齿轮振动。传动误差是齿轮振动和噪声的主要激发源，当传动误差比较大时，齿轮在运转过程中由于进入和脱离啮合时的碰撞加剧，就会产生比较高的振动峰值，还会形成短暂时间的幅值变化和相位变化。比如，装配误差是由于齿的宽度方向上接触面积比较少，造成齿轮负荷不均匀，齿轮轴不平行产生荷载冲击，从而造成齿轮断裂。啮合冲击是在啮合过程中，由于轮齿误差和受载弹性变形的影响，轮齿进入和退出啮合点与理论值之间存在偏差没，所以在进入和退出啮合时会发生冲击。在主动轮带动从动轮时，主动轮上的啮合点由齿根移向齿顶，啮合半径逐渐增大，速度逐渐提升，而从动轮上啮合点是由齿顶向齿根移动，啮合半径逐渐减小，速度逐渐降低。

（2）故障特征。当机械齿轮的齿面出现均匀性的磨损、比较高的径向间隙、齿轮所承担的负荷太大，都会增加啮合频率和谐波幅值。齿轮振动的边频通常比较复杂，当齿轮箱中在同一时间有多个齿轮啮合时，边频会自动叠加，增加频谱图的复杂度。在这样的情况下，要通过频谱图分析特征频率就会比较困难。低频脉冲的转速频率会影响谐波信号的构成。比如，当齿轮转子没有形成比较好的对中状况，或者平衡状态没有达到要求时，就会引起松动现象，从而引起低频脉冲问题。同时，还会引起齿轮载波信号和零线不对称情况。例如，原始齿轮及其调幅信号应在零线处对称，但受到低频脉冲信号的影响时，就会出现偏离零线的问题。

3 结语

综上所述，机械齿轮在运作中发生故障，一般会引起振动现象，而振动一般是由材料不稳定、齿轮碰撞及啮合引起的。因此，想要有效消除故障振动现象，就需要根据机械齿轮故障机理，以及故障特性，确定出现故障的原因，从而根据故障原因采取相应的措施排除故障，确保机械齿轮的正常运行，从而保障机械制造生产的顺利进行。

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