有关齿轮传动装置故障诊断研究

朱植宇

摘 要：齿轮传动装置的齿轮类故障主要有齿面磨损、齿面胶合和点蚀、轮齿裂纹和断齿。齿面磨损主要引起齿廓改变，齿面胶合和点蚀则导致齿面不光滑，轮齿裂纹则对啮合刚度和接触力产生影响，而断齿则会引起啮合冲击。总之，不同的齿轮故障会表现出不同的故障特征。因此，研究齿轮传动装置故障诊断具有重要意义。

关键词：齿轮传动装置;故障诊断

大型齿轮传动装置经常在重载、冲击及长时间连续工作的恶劣工况下使用，齿轮产生疲劳裂纹在所难免，对设备的安全运行构成了严重的潜在威胁。因此，齿轮裂纹的早期检测和定位正在日益引起人们的重视。在过去，人们对齿轮传动装置故障诊断的研究主要集中在故障模式、故障定位及故障信号的处理及信息提取等方面。这种故障诊断方式基本上属于事后诊断，即出现常见的断齿、齿面点蚀、轴承磨损等故障后，能够及时发现故障的原因和部位并进行有效的维修 向大型化、精密化和复杂化方向发展，任何故障的产生都可能导致重大经济损失和人身安全事故，因此，对大型齿轮传动装置的可靠性和安全性提出了更高的要求。为适应这一要求，出现了齿轮传动装置故障的早期预测、在线诊断和精密诊断的概念和方法。

一、大型齿轮传动装置的主要型式及其工程应用

1.机械式矿用挖掘机的主要组成部分。机械式矿用挖掘机采用电力驱动作业，亦称为电铲，广泛应用于露天矿山开采、大型水利工程等领域。现代机械式矿用挖掘机主要组成部分包括工作装置、回转支承装置、底盘行走装置及回转平台等。工作装置由提升机构和推压机构组成。提升机构用于铲斗提升，一般采用双级圆柱齿轮减速机驱动提升卷筒实现铲斗升降及配合推压机构完成挖掘作业。

2.机械式矿用挖掘机履带行走减速装置。机械式矿用挖掘机的行走机构一般采用承重式履带底盘，其特点是承载能力大、行驶速度低。矿用挖掘机履带式行走底盘不仅承受上部机体的全部重力载荷，而且还要承受挖掘机在工作过程中的全部作业载荷。矿用挖掘机依靠履带式行走底盘可以在工作区内做短距离行走，以方便挖掘作业，所以行驶速度较低，一般不超过2km/h。履带行走底盘的转向方式为差动转向，即由两条履带的速度差产生不同的转弯半径来实现转向。

3.大功率可控启动传动装置。随着我国冶金、能源和交通等行业的发展，大型矿山、火电厂和港口等对长距离皮带输送机等重型设备的需求量日益增长。此类设备的工作特点是驱动功率大、负载惯性大，且经常需要重载启动，因此需采用具有良好调速性能的大功率传动装置。例如，为保证大型皮带输送机的可靠运行，并降低对系统中其他机械电气部件的过高要求

二、齿轮传动装置的主要故障类型及其诊断方法

大型齿轮传动装置的故障类型大致可分为轴类故障、轴承类故障、齿轮类故障和箱体类故障，其中齿轮类故障所占比重最大，可达60%。而其中的前三类故障又可能互相影响、互为因果关系。

1.齿轮传动装置的主要故障类型

（1） 齿面磨损。齿轮在啮合过程中，齿轮副接触表面出现材料摩擦磨损是不可避免的。这种磨损可分为正常磨损和非正常磨损。在齿轮预期寿命内，磨损量在齿轮公差范围内而不影响正常功能的属于正常磨损。正常磨损的齿轮轮齿没有宏观擦伤，表面光滑。如果在預期寿命内齿面磨损量超出公差范围，或齿形发生改变，则属于非正常磨损。非正常磨损主要是由于齿轮选材或热处理不当、润滑不良或齿轮副接触表面之间存在硬质颗粒等原因引起的。非正常磨损的后果可表现为齿形改变、齿厚变薄，并引起传动质量下降和噪声增大。

（2） 齿面胶合。齿面胶合是一种比较严重的齿面损伤形式，主要表现为齿面材料在较大压力下融为一体，再随齿轮转动撕裂。齿面胶合可分为冷粘合和热粘合。冷粘合主要是由于齿面间压力过大，油膜破坏，接触面产生塑性变形，齿面材料分子相互扩散发生再结晶而引起齿面胶合。低速重载齿轮易发生冷粘合。热粘合主要是由于齿轮副接触表面局部高温烧蚀引起的，多发生在高速齿轮传动。

2.齿轮传动装置的主要故障诊断方法。齿轮传动装置故障诊断常用的方法有振动分析、噪声分析、油液分析、声发射、温度监测及能耗监测等。振动及噪声分析是行之有效的诊断方法，目前还在不断完善和发展。由于齿轮传动装置的性质和结构特点，其振动和噪声信号是故障特征的载体。通过对振动噪声信号的分析，可在齿轮传动装置外部实现在线故障监测和诊断。但由于齿轮传动装置的复杂性和多样性以及工作环境和强的噪声干扰，目前在故障的早期诊断、在线监测、故障的精确定位等方面还远未达到实用阶段，对于齿轮传动装置故障机理及特征提取的研究也处于发展之中。

三、齿轮传动装置故障诊断技术的发展趋势

根据国内外最近文献资料显示，齿轮传动装置的故障诊断技术仍处于不断发展与完善之中。动力学模型建模已从原来的单级直齿圆柱齿轮向斜齿轮、锥齿轮、多级齿轮传动乃至行星齿轮传动发展，逐渐接近实际应用;信号处理领域的新成果应用于齿轮振动信号的分析与处理，提高故障信号的检测精度，并向在线监测方向发展;断裂力学、疲劳损伤和摩擦磨损等领域的研究方法和成果开始应用于齿轮传动装置的故障诊断，为精确诊断、早期诊断和在线诊断提供理论基础。 Belsak和Flasker采用有限元分析和台架测试对齿轮齿根的疲劳裂纹进行了研究，并采用短时傅立叶变换（STFT）等时频分析法对故障信号进行了处理，获得了不同长度疲劳裂纹故障信号的特征。Blunt和Keller对直升机行星齿轮箱的行星架疲劳裂纹进行了研究，并进行了台架试验和现场测试，对故障信号分析的有效性进行了对比验证。Guagliano等对准双曲面圆锥齿轮的裂纹进行了断裂力学分析研究，给出了确定应力密度系数（SIF）的方法，并研究了裂纹的扩展规律。Ural等利用线弹性断裂力学（LEFM）、有限元方法和边界元法等方法对螺旋锥齿轮裂纹的形成机理和扩展规律进行了研究，为齿轮传动装置裂纹故障早期和在线诊断开辟了新的途径。Endo和Loutridis分别将最小熵去卷积滤波和多尺度局部统计等信号处理方法用于齿轮故障信号分析，提高了故障识别率。

四、结语

本文在查阅大量国内外相关文献的基础上，综述了大型齿轮传动装置的主要型式及其工程应用齿轮传动装置的主要故障类型及其诊断方法，介绍了大功率挖掘机行走减速传动装置的用途和工作原理，确定了以啮合刚度研究为基础，以动力学仿真和小波分析为手段进行齿轮裂纹和断齿故障研究的方法和技术路线，并阐述了大型齿轮传动装置动力学仿真分析及故障诊断的理论和现实意义。

参考文献：

[1] 苏永生，张永祥，明廷涛.斜齿轮齿面接触型故障的仿真与诊断方法研究.  船海工程，2006年第5期（第174期）：96-99.

[2] 诊断中的单齿分析技术.  航空动力学报，2003年6月第18卷第3期：444-449.