齿轮振动的原因(齿轮松动及轮对裂纹故障检测技术)

一、齿轮上发生的异常

为了诊断齿轮设备，需要了解设备的各种异常情况。这里，首先将齿轮的异常从制造到使用分为三个阶段来说明其特征。

1.制造时发生的异常

齿轮制造有以下三种典型异常。

(1)偏心率

(2)螺距误差

(3)齿形误差

具有偏心小齿轮和大齿轮节距误差的齿轮副如图A (a)所示，齿廓误差示例如图b所示，虽然这些异常可以在齿轮安装前通过精密测量检测出来，但微小的异常仍然存在于任何齿轮中。

2.安装时发生的异常

无论齿轮制造得多么精确，如果安装不当，都无法达到99%的性能。

安装过程中有两种典型的例外情况，如下所示。

(1)部分啮合

(2)齿轮轴对准不良

如果齿轮齿在宽度方向上不承受相同的载荷，在图B (a)所示的偏心啮合状态下，力的传递将达不到圆心，恐怕会增加额外的载荷导致断齿。如图(b)所示，这是一个错位的例子。这种状态和部分啮合也会增加额外的载荷，所以要避免在这种状态下长期使用。

图齿轮制造时发生的异常

图齿轮安装时发生的异常

3.使用中发生的异常

在制造误差大，装配或安装不良，或使用条件如负荷和润滑等条件下。

齿轮使用不当往往会造成各种非正常损坏，齿轮的损坏按发生形式分。

有以下四种类型的类。

(1)摩擦

(2)表面疲劳

(3)塑性流动

(4)断齿

这些损坏还包括大量使用初期出现的所谓磨合现象，这种非渐进性的损坏不能称为异常现象。然而，渐进损伤对齿轮是致命的，这可能导致严重的事故。

一般来说，摩擦不是主要的损伤。擦伤、剥落等渐进性损伤的摩擦，损伤发生后还可以继续使用，视不同场合而定。

表面疲劳包括初始点蚀、破损点蚀和剥落，其中剥落是一种突发性疲劳现象，仅

出现在完全淬火，特别是渗碳硬化钢。

属于塑性流动的损伤包括碾压、喷丸、波纹、隆起等。其中，渗碳戟齿轮常出现波纹，渗碳戟齿轮或青铜蜗轮齿面常出现棱纹。

在齿轮损伤中，最严重的是疲劳损伤、过载损伤、热裂纹、磨削裂纹等。其中疲劳破坏最为常见，一般是由于材料疲劳极限以上的重复应力造成的。通常初始裂纹从载荷侧的齿底拐角处开始，然后沿齿底或斜向上扩展，直至断裂。在疲劳损伤的断裂断面上可以清楚地看到一系列贝壳状的轮廓和相对光滑的部分。如果表面下有裂纹起点，凹面底部断裂往往造成严重磨损，热裂和磨削裂纹也是疲劳破坏的原因之一。

二、诊断法

在描述了与齿轮诊断相关的基本事项如齿轮的转动和啮合后，描述了一般齿轮如平齿轮和螺旋齿轮以及以蜗轮不均匀转动为代表的特殊齿轮的诊断原理和方法，但未触及裂纹的超声波和磁场等无损检测方法。

1.齿轮诊断有关的基础知识

设备异常时，振动变大，产生异响，润滑油中会加入特定的金属粉末，温度也会升高。因此，发生异常时发生变化的因素称为症状参数，齿轮的代表性症状参数如下。

(1)振动

(2)音频

(3)轴扭矩的变化

(4)旋转不均匀

(5)润滑油

这里，将说明当针对齿轮旋转获得的参数(1)至(4)用于诊断时需要什么。当一对啮合齿轮1和2的转速分别为N1和N2(rpm)时：

fr1=N/60(赫兹)，fr2=N2/60(赫兹)……………………………………(2.61)

公式叫做每个齿轮的旋转频率(fr)，齿数分别为z1和z2。

FM=z1fr 1=z2fr 2(Hz)…………………………………………………………(2.62)

上述公式称为啮合频率(fm)。在齿轮的诊断中，一般的做法是根据各个症状参数，或者是否包含主要的fr、fm，或者根据其经过适当处理后的幅值来判断。下面以振动和转动不均匀为例说明齿轮的诊断原理和方法。

2.利用振动的齿轮诊断原理

当啮合比在1到2之间时，看齿轮的微观，有时一瞬间只有一个齿啮合，有时一瞬间有两个齿啮合，因为一个齿轮传递的力是固定的；如果一颗牙齿承受了力，假设此时的承受力为‘1’，有时承受力为‘1/2’。这样，在齿轮转动过程中，一个齿的传递力是周期性变化的，因为这种变化中有冲击分量，齿轮受到激励。此时发生的振动是“固有振动”(严格来说是有衰减的自由振动)，这是齿轮振动的基本原理。图c显示了齿轮上的力和振动之间的关系。

图齿的受力和振动的关系

从图中可以看出，齿轮副的固有振动(冲击振动)分别发生在两齿啮合成一齿啮合的瞬间和一齿啮合成两齿啮合的瞬间，但通常后者的振动较大。

在诊断齿轮时，大部分都是测量其轴承部分的振动，测得的振动在图D (A)中比较典型。该波形可分为三类，如图(B)所示。(1)偏心和不对中引起的振动，主要是齿轮制造和安装的异常。(2)啮合时，啮合压力变化引起的振动，除了正常的啮合磨损外，大部分是这个分量，其波形从一个漂亮的正弦波慢慢偏斜。(3)固有振动分量，啮合异常时的冲击振动比正常时大得多，或者出现断齿等局部异常时，该齿啮合产生的冲击振动比其他部位大。

很多。各档齿轮的固有振动频率不同，但都在1~10KHz范围内。如果测量位置离齿轮本身较远，会有衰减，有时无法测量出清晰的固有振动波形。

在高速汽轮机使用的增速器中，齿轮的啮合频率很高，达到几千赫兹到几十千赫兹。有时自然振动频率也会上升。此时，(3)那种冲击的固有振动分量不再存在；高频率，但只存在(2)啮合频率和(1)车削频率。

图　从轴承部测出的齿轮振动（影像图）

其他齿轮引起的振动也有频率成分，如对应于滚齿机和其他齿轮刀具齿数的频率或各段齿啮合频率的和或差。

3.利用振动的齿轮诊断法

用振动齿轮进行诊断时，被诊断的对象有平齿轮、螺旋齿轮、锥齿轮等。至于通过振动来诊断蜗轮，难度很大，通过下面的不均匀旋转来诊断蜗轮比较有效。

在振动测量过程中，必须在不分离齿轮齿面的情况下施加固定载荷。如果负载在测量过程中发生变化，则无法做出正确的诊断。在载荷相当大或齿轮高速旋转的情况下，要特别注意齿面分离的可能性。齿面分离时会发生随机的齿冲击，这种状态下测得的振动无法正确诊断。

通常在轴承座处测量振动，当高速增速机的轴承座被外壳覆盖时，测量位置靠近轴承座，刚性高或以此为测量依据。此时不同测量位置测得的振动值和特性不均匀，应固定测量位置。测量方向(水平、垂直或轴向)不得受到阻碍；位置也在振动部分。测量探头接触表面最光滑的部分。探头为加速度振动传感器，频率特性平坦，从几Hz到5~10KH，电压灵敏度在10~50mv/G(1G=9.8m/s2)以上。铁螺栓或绝缘螺钉用于探头的安装。如果想获得完整的频率特性，用强力胶、蜡或者磁铁安装也是不错的。

图E显示了齿轮振动诊断的分析顺序，通常如图(1)旋转频率和啮合频率分量的低频域分析；(2)对冲击固有振动分量进行高频域分析，然后进行综合判断。特别是在低频域，把振动加速度换算成速度，因为在这个领域，速度的振动测量高于加速度，而在高速齿轮的诊断中，加速度是不换算分析的。此时，上述固有振动分量不存在，因此不能进行高频分析。在高频域中，固有振动分量的幅度调制的间隔(周期或频率的倒数)也是考察的目的之一，因此对滤波后的波形值进行处理(包络处理)。