减速机齿轮故障分析与维护

贾玉刚，武云龙

（日照钢铁控股集团有限公司，山东日照 276800）

0 引言

随着技术的进步，齿轮减速机传动效率越来越高，减速机的使用寿命及安装维护等优势越来越明显。齿轮作为一种重要的传动部件在机电设备中广泛应用，随着装备不断向复杂化、智能化的方向转变，齿轮故障给企业带来的损失越来越大。一些连续型工作的设备，如电力行业设备，由于减速机齿轮的故障造成的停机，会给社会造成巨大损失。通常情况下，齿轮运行一段时间会产生故障，故障的形式多样化，例如，断齿、表面疲劳和磨损等。因此，分析齿轮故障与维护具有重要意义，对齿轮进行故障模式与失效机理的分析，可以实现齿轮由事后维修，定期维修到预防性维修的转变，从而减少检测成本，避免发生安全事故。

1 减速机工作原理

减速机是一种动力传动系统，它通过各级减速比不同的齿轮进行组合从而达到减速的目的。在各级齿轮传动中，小齿轮与大齿轮啮合，通过减速比实现降速，通过多级大小齿轮的组合实现转速的进一步降低。在减速机系统中降低转速同时增加了输出扭矩，因此减速机一般用于低转速大扭矩的传动设备。它的动力传递路径为电机将动力传递到中间环节的减速机构中，通常由多级大小齿轮组成的轮系构成，通过中间轮系将动力传入到输出轴与被驱动设备。设备的额定功率不发生变化，根据功率、转速、减速比以及扭矩之间的关系，可在功率以及减速比不变的情况下，通过减小转速增加减速器的输出扭矩。

2 齿轮失效模式与故障机理分析

齿轮传动具有结构紧凑、传递效率高、可靠稳定等特点，在工业设备传动系统中应用广泛。齿轮减速器主要由轴承、传动轴、齿轮等部件构成。据统计，齿轮减速器中齿轮故障占比约为60%，轴承故障占比19%，传动轴故障占比10%。齿轮随着设备运行时间推移，其失效模式逐渐发生演变，常见的失效模式有断齿、齿面疲劳、齿面磨损、齿面胶合以及塑性变形。表1 列出齿轮失效模式以及失效原因。

2.1 断齿

齿轮断齿有多种形式，一般分为疲劳断齿与过载断齿。在疲劳断齿中，正常工况状态下运行的齿轮由于受到交变载荷的影响，在齿根处受到应力集中逐渐出现裂纹。随着运行时间推移，齿根处裂纹逐渐发展，在疲劳应力长期作用下齿轮会出现断齿。在过载断齿中，由于齿轮受到冲击载荷的影响，齿根局部产生应力集中并出现裂纹，齿根强度较低的轮齿所受的载荷超出其应有的承受强度，从而使轮齿发生折断。

2.2 轮齿表面疲劳

齿轮轮齿表面的疲劳分为齿面的点蚀与剥落。轮齿长期工作中，轮齿表面由于受到交变载荷影响，从而引起微小裂纹。当出现这种微小裂纹后，润滑油进入裂纹，轮齿的啮合将润滑油封闭在裂纹内。这种挤压让润滑油产生的高压使裂纹不断扩大，其结果是轮齿表面小部分的金属出现脱落从而造成点蚀，当出现较大面积的金属脱落时称为轮齿表面剥落。

2.3 磨损

在齿轮传动中，长期的润滑缺失或润滑不良以及异物进入造成的润滑油污染是齿轮磨损的重要原因。当轮齿表面出现磨损时，会造成轮齿变薄，轮齿间的间隙变大，长期运行会使齿轮的振动增大，轮齿逐渐变薄而发生断齿。磨损按照其运行工况以及环境因素的影响可以分为黏着磨损、磨粒磨损以及腐蚀磨损：当齿轮转速较低，并且载荷较大时，润滑油的黏度较低或者供油量不足时，油膜容易发生破坏从而发生黏着磨损；当外界环境中的颗粒状异物进入润滑油，会污染润滑油，并且随着轮齿的不断啮合，颗粒状以外会破坏轮齿，造成轮齿表面磨损；当齿轮在高酸、高碱等腐蚀性的环境中长期运行时，其轮齿会被腐蚀性环境侵蚀而出现腐蚀磨损。

2.4 胶合

在高速重载下运行的齿轮接触表面温度迅速升高，在润滑不良的条件下，接触表面容易粘连在一起，重载条件下接触表面紧紧结合在一起，随着转动进行，接触表面被撕裂从而出现胶合失效。一般情况下，胶合现象容易发生在齿面瞬时温度高、相对滑动速度大的地方。

2.5 塑性变形

塑性变形是轮齿变形的一种失效形式，当轮齿受到过应力时，其轮齿的屈服应力小于施加应力时会出现轮齿的塑性变形。一般发生在硬度较低的齿轮上，但是在特殊情况下，硬度高的齿轮上也会出现塑性变形。

3 典型故障的特征提取与维护分析

针对齿轮容易发生故障的特性，需要对其进行定期检查并根据监测结果对其进行维护分析。在齿轮的故障诊断中，常用的是基于振动信号的分析。下面针对齿轮的典型故障以及特征进行分析，并制定合理的维护方案。齿轮一旦发生故障，其振动信号上会出现响应。准确提取齿轮的典型故障特征是对其监测的基础。

3.1 轮齿折断特征

在轮齿出现折断时，断齿处出现很大的冲击振动，在时域上表现为有规律幅值的冲击振动，在频域上表现为啮合频率及其谐波频率上出现间隔为转轴的边频带，并且此高频带幅值大、数量多、分布广。轮齿出现折断时，齿轮振动信号主要特征如下。

（1）调制边频带宽高，调制频率的啮合频率调制包括齿轮所在轴的转频和高阶谐波，并出现多次高阶谐波。

（2）调制边频带宽高，调制频率的齿轮共振频率调制包括齿轮所在轴的转频和高阶谐波，并出现多次高阶谐波。

（3）振动能量和包络能量显著增大。

3.2 齿面点蚀特征

齿面出现点蚀时，转频不发生改变，但是在时域里会出现明显的周期脉冲。点蚀越严重，出现啮合频率与高次谐波频率为载波频率，转频以及高次谐波为变频的啮合频率调制，并且幅值显著增大。齿面出现点蚀时，齿轮振动信号主要特征如下：

（1）出现啮合频率及其谐波周围的边频带。

（2）随着齿面点蚀故障越来越严重，啮合频率振幅也越来越大。

（3）转频不发生变化，同时振动能量也不改变。

3.3 齿面磨损

根据齿面磨损程度的不同，磨损振动特征一般分为两种情况：第一种为齿面磨损程度不严重时，轮齿齿形变化不大，不会产生明显的调制现象，但是啮合频率及各阶谐波幅值会变大；第二种为齿面磨损程度严重时，啮合频率及其谐波频率幅值增大，且振动信号的能量显著增大。

3.4 齿根裂纹

齿根发生裂纹时，裂纹产生的相位调制波形为非对称形，并且相位调制具有一定局限性。齿轮振动信号主要特征如下：

（1）齿轮的转频对啮合振动的调幅和调频产生一定的影响，边频带非对称分布。

（2）旋转频率及高次谐波发生改变。

（3）对于多级齿轮，如果一处发生故障，相位调制信息会发生扩散，导致多处发生故障。

3.5 齿轮的维护分析

针对减速机齿轮的状态监测对减速机的运行情况进行了初步分析，需要根据分析结果制定相应的维护方案。对于监测指标正常的减速机，应对其运行环境进行清洁，定期加注润滑油，注意润滑油中尽量避免少量的金属屑，并保持良好的工作环境；对于监测指标出现异常的减速机齿轮，应拆箱查看其故障严重程度，对于轻微故障无需立即更换的，需要做好备件管理，对于严重故障的需要立即进行更换。为减少齿轮发生磨损情况，应该加强齿轮表面的硬度，将抗磨损的物质加入润滑油中，吸附润滑油中的金属，减少磨损程度。为减少发生齿轮因过度疲劳出现断齿，应该增大齿轮根部半径，使得齿轮表面光滑，加大齿轮的抗折断能力。

4 总结

减速机齿轮是齿轮减速传动系统中的重要部件，受运行工况以及环境因素的影响，容易发生各种故障。分析减速机齿轮的工作原理、失效模式、失效原因，提取齿轮的典型故障特征，制定相应的维护分析方案，保证齿轮稳定良好运行。