机械齿轮故障机理以及特性分析

摘要：我国的经济社会不断发展，机械制造水平不断提升。在机械制造的过程中，齿轮承担着重要的工作职能。只有解决机械齿轮的故障问题，才能保证机械的连续运转，提升机械装置的工作效率。为了促进机械制造行业的健康发展，必须掌握齿轮的故障原理和特性。文章探讨了机械齿轮故障机理以及特性的分析，希望能为相关人士提供一些参考。

关键词：机械制造行业；机械齿轮；故障机理；齿面破损；齿面划痕；齿面剥落 文献标识码：A

中图分类号：TH132 文章编号：1009-2374（2017）11-0131-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.067

近几年来，我国的市场经济日益繁荣，科学技术水平不断提升，机械制造行业也进入了快速发展阶段。在进行机械制造时，机械齿轮是重要的元件，如果齿轮出现了故障，就会影响机械制造的效率和水平，阻碍机械制造行业的可持续发展。齿轮在出现故障时会发生振动，振动的频率不同，齿轮故障类型也不同，为了对齿轮故障进行精确分析，采用科学的应对举措，了解机械齿轮故障机理及其特性势在必行。

1 齿轮出现故障后的常见表现

1.1 齿面破损

在机械制造的过程中，会出现齿面破损的问题。在机械制造的过程中，为了提高工作效率，加速齿轮运转，经常要应用润滑油等对齿轮进行润泽。一些润滑油的质量较差，里面存在大量的污浊物体，当对齿轮添加润滑油时，润滑油中的污浊物体会进入到齿轮之中，加大齿轮之间的缝隙，导致齿面发生磨损，如果齿轮处在高速运转的状态下，润滑油中的污浊物甚至会导致齿轮的断裂。

1.2 齿面划痕

在机械制造的过程中，会出现齿面划痕的问题。在齿轮工作的过程中，轮齿会高速运转，而高速运转会产生大量的热量。在齿轮的表面附着一层润滑油，一些润滑油对温度的敏感度比较高，当热量较多，温度较高时，齿轮表面润滑油的油膜会出现破裂的情况。当油膜破裂之后，齿轮的两个齿面会粘结在一起，如果没有对齿面进行分离，齿面的划痕将持续加深，外部摩擦力将持续加大，阻碍齿轮的正常应用。

1.3 齿面剥落

在机械制造的过程中，会出现齿面剥落的问题。齿轮在应用过程中会呈现出不同的运动状态：第一种运动状态是滚动状态；第二种运动状态是滑动状态，摩擦力的方向不同，齿轮的运动方向也不尽相同。当节点两侧摩擦力的作用方向相反，齿轮运动会受到一个水平的推力，齿面的两侧会出现不同的脉动情况，当脉动值超过齿面的预应力，就会使齿轮材料陷入疲乏状态，出现纵向裂纹和横向裂纹。如果此时没有将齿轮换下，继续应用齿轮，就会扩大裂纹的纵深面积和水平扩散面，形成金属剥落结构。在齿轮表面，经常可以看到金属脱落，出现坑洼的现象，这一现象就被称为齿面点蚀，如果点蚀的面积持续扩大，连成了一片，齿轮的表面材料就会发生整体脱落。脱落的材料嵌入到齿轮之中，会加剧齿轮的损害，折损齿轮的使用寿命。

1.4 轮齿断裂

在机械制造的过程中，会出现轮齿断裂的问题。在齿轮运行的过程中，经常会出现轮齿断裂的问题。齿轮在运行过程中会承载水平负荷和竖直负荷，承受的压力方向不同，齿轮的断裂情况也不同。从整体上来看，轮齿断裂和齿轮材料、齿轮装配密切相关，如果齿轮材料不均，装配方法有误，就会在齿轮运转的过程中出现轮齿断裂等问题。综合齿轮的工作故障问题，可以发现轮齿断裂与齿面点蚀最为常见，两种故障类型的表现方式和集中区域不同，就表现方式来看，前者表现为结构破坏，后者表现为材料损伤。就集中区域来看，前者集中在齿轮的前部轮齿区域，后者集中在齿轮的后部轮齿区域。

2 齿轮故障振动的类型

2.1 啮合阶段的激振现象

机械齿轮在啮合阶段会出现故障问题。在啮合阶段，技术人员应该对机械齿轮的工作状态进行检查。在正常工作状态下，机械齿轮的啮合频率相对固定，齿形之间需要保持一定的安全距离，避免齿轮发生弹性变形。在非正常的工作状态下，技术人员可以发现机械齿轮会出现不规则振动的情况，轮齿之间发生了摩擦，当轮齿断裂，断裂的碎渣嵌入到齿轮之中，会导致齿面受损，加剧机械齿轮的激振情况。此时机械齿轮的振动频率开始加快，这是由激振所带来的强迫振动所造成的。机械齿轮出现结构性损伤之后，轮齿之间的距离会不断加大，轮齿之间的相互距离直接影响了机械齿轮的荷载波动，荷载波动出现紊乱，信号调整也会出现问题，机械齿轮所呈现的频率波谱会出现两种不同的频带。

2.2 材料失稳导致的振动

机械齿轮在材料不稳定的情况下会出现故障问题。从某个角度来看，齿轮的材料质量直接关系着机械齿轮的正常运转，很多机械齿轮的组成材料比较低劣，或者是齿轮装配不当，会对机械齿轮产生极其不利的影响。当齿轮的材料失稳，或者是轮子没有对准中轴，机械齿轮会发生故障振动问题，而故障震动的频率和机械齿轮的谐波密切相关。

2.3 轮齿碰撞导致的自振

机械齿轮在轮齿发生碰撞时会出现故障问题。在不同的机械装置中，需要应用不同的机械齿轮。一些机械装置的运转速度较快，需要轮齿数量较多的机械齿轮，一些机械装置的运转速度较小，需要轮齿数量较少的机械齿轮。在应用轮齿数量较多的机械齿轮时，轮齿会出现相互碰撞的情況，使机械齿轮陷入到被动振动的状态。轮齿相互摩擦，齿轮的振动频率会不断加快，如果没有对齿轮进行卸载调整，就会破坏齿轮结构，加剧齿轮的衰减趋势。

3 齿轮的振动故障机理

3.1 大周期误差

大周期误差是影响机械齿轮产生振动的原因之一。齿轮在运动过程中会出现两种振动形式：第一是大周期振动；第二是小周期振动。产生大周期振动的原因是在机械齿轮运动时，结构的偏心距和几何的偏心距出现了偏移，呈现出机械齿轮中心不对称的情况，影响了机械齿轮的正常运转。当出现大周期误差情况时，机械齿轮的振动频谱误差值非常大，在振动信号的作用下，机械齿轮的谐波量也会相应增大。由于频率信号调制误差出现，齿轮的啮合频率提高，会使机械齿轮出现各种故障问题。

3.2 小周期误差

小周期误差是影响机械齿轮产生振动的原因之一。小周期振动是因为机械齿轮在加工的过程中，主轴出现偏移，导致齿轮啮合刚度发生变化，轮齿受到不利影响。当出现小周期误差时，机械齿轮的振动频谱相对集中，齿轮的运转速度会受到影响。在频率调制的过程中，由于振动频谱出现变化，振幅会相应增大，导致机械齿轮出现轮齿断裂、齿面点蚀、齿面剥落等情况。

4 机械齿轮故障振动特性

4.1 啮合阶段干预转速

在机械齿轮的啮合阶段，会出现齿轮磨损、轮齿距离加大等情况，一旦出现这种情况，机械齿轮的转速就会受到不利影响。在机械齿轮的运转过程中，除了大周期误差和小周期误差外，还会产生传动误差，影响机械齿轮频率信号的调制。在啮合阶段内，机械齿轮的信号调节包括频率调节和振幅调节两项内容。当机械齿轮波动失稳，就要对频率信号进行调节，当机械齿轮的轴心失衡，就要对振幅信号进行调节。

4.2 齿轮啮合边频叠加

在齿轮啮合振动的过程中，需要对机械齿轮的振动频带进行分析。机械齿轮经常是组合应用的，在齿轮同时运作的过程中，不同机械齿轮的振动频带会重合在一起，加大技术人员的分析难度。当出现了这一情况，需要对机械齿轮的类型进行判断，得到不同类型齿轮的频波谱，并通过数控技术等对机械齿轮的频率特征进行分析。

4.3 脉冲影响谐波信号

在机械齿轮运转时会出现低频脉冲，低频脉冲会对谐波信号产生影响。机械齿轮产生低频脉冲的原因如下：当机械齿轮的转子没有保持对称，或者是机械齿轮的材料不均衡，或者是机械齿轮的轮齿出现了松动，就会导致低频脉冲的出现，对信号传输造成不利影响。但如果机械齿轮的转子处在中线位置，齿轮载波信号相对对称，低频脉冲就会汇入到总信号当中。

4.4 断齿形成冲击信号

上文已述，在机械齿轮的运转中，断齿故障问题非常常见，当机械齿轮出现了断齿，断齿碎渣会进入到齿轮之中，影响齿轮的快速运转。碎渣进入到啮合状态的齿轮缝隙中，会引发冲击信号，对机械齿轮的频率波谱产生新一轮的影响，如果断齿情况没有得到抑制，冲击信号就会影响机械齿轮的高阶自振频率，机械齿轮的运动会呈现出衰减状态，直至机械齿轮的停转。

5 结语

综上所述，随着我国经济社会的不断发展，机械制造行业也进入了快速发展阶段。在机械产品的生产制造过程中，齿轮是最重要的基础元件之一。只有解决机械齿轮的故障问题，才能保证机械的连续运转，提升机械装置的工作效率。齿轮在出现故障时会发生振动，振动的频率不同，齿轮故障类型也不同，为了对齿轮故障进行精确分析，采用科学的应对措施，了解齿轮出现故障后的常见表现、齿轮故障振动的类型、机械齿轮故障机理以及齿轮故障特性势在必行。

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作者简介：陆斌（1975-），男，江苏常州人，江苏国茂减速机股份有限公司助理工程师，研究方向：机械工程。

（责任编辑：蒋建华）