煤矿减速机齿轮箱零部件的失效形式及机理探析

王 欣

（宁夏煤矿设计研究院有限责任公司 宁夏 银川 750011）

0 引言

齿轮箱作为煤矿减速机不可少的连接和传递动力的通用零部件，同时由于煤矿减速机由于本身结构的复杂性，工作环境恶劣的原因等很容易受到损害和出现故障。 据统计，传动机械中80%的故障是由齿轮引起的，旋转机械中齿轮故障占其故障的10%左右。

1 齿轮箱失效原因及失效比重

齿轮箱中主要的零部件包括齿轮、轴和滚动轴承等，而且这三类主要零部件失效时会产生相互影响的故障，所以对齿轮箱故障诊断主要分析齿轮、滚动轴承和轴的主要失效形式，通常齿轮投入使用后，由于设计、装配、设计或者维护方面的原因会产生各种形式的失效。

表1 齿轮箱失效原因及失效比重

表1 列出了齿轮箱失效的主要原因及失效比重，表2 为齿轮箱各类零件损坏的百分比。

表2 齿轮箱的失效零件及失效比重

2 齿轮的异常现象

造成齿轮异常的原因很多，主要包括制造原因、装配原因以及齿轮本身的损伤等。 在制造方面，在加工过程中由于工艺等原因导致偏心、齿形误差以及齿距偏差等；齿轮装配不当，比如有些装配不能很好地平稳地传递动力、装配不平行，与轴的装配不良等均可能产生齿轮的异常现象；而齿轮本身的损伤情况很复杂，包括设计不当，制造误差，装配不良等都可能造成齿轮的齿面烧伤、色变、点蚀、剥落、塑性变形、磨损、胶合、波纹、隆起、断裂等损伤情况发生。 而其中的某一方面结果也会导致其他的异常现象等等。

3 滚动轴承的失效形式

滚动轴承应用于各种旋转机械中， 也是齿轮箱重要的组成部分，也是容易失效的一个零部件之一。煤矿减速机的健康状态也直接与滚动轴承健康状况息息相关， 所以在很大程度上轴承的好坏也决定着减速机的健康状态。 滚动轴承的失效会导致齿轮的异常，以至于设备的故障，很多的齿轮箱损坏都与轴承相关。据统计，一般旋转机械发生故障其原因由滚动轴承造成的概率为7%。在齿轮箱中，滚动轴承是承力单元，转速相对较高，所承载的负荷也相对较大，有调查显示，球轴承出现故障时，90%的概率发生在内圈与外圈上， 其他一般发生在滚动体上，而发生在保持架上的概率相对很低。

滚动轴承在运行过程中，很容易受到装配不当，水分、异物侵入、润滑问题等损坏，特别是过载、腐蚀等原因造成轴承的损坏，所以说滚动轴承的损伤形式也是多样的，而且原因也相对复杂。 典型的损失形式有疲劳、胶合、磨损、烧伤、腐蚀、破损、压痕等，这些损伤的原因也很多样，可以查阅相关文献等。

4 轴不平衡、不对中和弯曲

在齿轮箱中，轴都会存在一些平衡、对中和弯曲等问题，随着工艺和加工精度的提高，只要将这些不平衡量、不对中度以及弯曲控制在一定的范围之内，齿轮箱都是可以认为是正常运行的。 当然如不平衡问题，当其不平衡量超过了一定的程度，就会对齿轮箱的健康状态产生较大的影响，而且有可能使齿轮箱发生故障问题。 这里所提到的平衡问题主要是来自以下几个方面：在机械加工过程中，不管哪个零部件，或多或少存在一些工艺的问题，所以即使是新制造的轴也会存在不平衡的问题；另外一个原因是在长期的使用过程中，受到过大的载荷冲击产生变形或者弯曲； 在很多的情况下却是由于疲劳作用产生的。

齿轮箱在运行时，当出现齿轮故障、轴承故障时，通常还会伴随着轴的故障，典型的轴故障包括: 轴不对中、轴不平衡、轴弯曲等。这些故障也将严重影响齿轮箱整体健康状态。

在齿轮箱中，有的轴与轴之间通过联轴器连接，这种轴系的存在会产生不对中的问题，这是由于在设计、制造、安装或者在使用的过程中产生的。通常这种不对中的问题也会对齿轮箱的健康状态产生较大的问题。轴不对中主要发生在轴的联轴器位置，由于不对中，会使轴在旋转中受径向交变力作用而产生振动。 因存在轴之间偏差，齿轮传动过程中会出现分布类型的齿形误差，从而产生齿轮的啮合频率调制现象。在本文的案例中，采取的是加速度传感器采集信号，但轴不对中在齿轮箱中测得的振动信号频率非常低， 加速度信号很难反映其特性，研究表明轴不对中信号中由于分布式齿形误差，会出现齿轮啮合频率及其谐波为载波， 齿轮轴旋转频率及其高次谐波为调制波的调制形式。

轴受到过大的冲击载荷会产生弯曲导致不平衡问题，轴不平衡时在齿轮传动过程中也会导致齿形误差，形成以啮合频率及其倍频为载波频率，以齿轮轴旋转频率为调制频率的啮合频率调制现象，在频谱图上表现为边带数量少而稀，该轴旋转频率成分相对明显，其振动能量也会有相应的增加。

同样这种瞬间的载荷冲击也会造成轻度弯曲向严重弯曲转变。当轴发生轻度弯曲的时候，很多情况下会产生齿形误差，这种齿形误差导致调制现象，通常这种调制现象通常是以啮合频率及其倍频为载波频率，以齿轮的轴旋转频率为调制频率，假如存在多对齿轮时，相应的也会导致各种调制现象并存，同时其振动的能量加剧，当轴弯曲情况比较严重时，通常伴随的是冲击对时域信号产生影响，冲击持续整个周期的1/3 以上。 当其冲击能量很大时，在下面箱体共振中也提到会引起齿轮箱箱体共振，振幅很大，出现箱体共振调制现象。

轴的这些失效形式在很多情况向会引起齿轮的失效，这是因为轴的问题导致啮合状态发生改变。而且齿轮和滚动轴承都是安装在轴上面的，所以也有可能是滚动轴承的工作状况也发生变化。 所以在本文中对于某一轴承座上测得的信号实际上包含了轴、齿轮、滚动轴承的信息，在评价过程中应予重视。

5 箱体共振

齿轮箱箱体共振主要是箱体受到箱体外的激励触发其固有频率，相对来说箱体共振是比较严重的问题。

如果箱体是薄板结构，地基传来的振动、轴系的轻度弯曲以及齿形的较大误差在运行中产生的激励都会影响其箱体的固有频率，但是一般不会产生箱体共振调制现象，共振信号呈现比较稳定的状态。 其频率成分中箱体固有频率为主， 其他频率其幅值相对比较不明显，但是伴随的振动能量加剧比较明显。

当齿轮箱箱体出现共振的情况时，一般是其他零部件的振动引发激起齿轮箱的固有频率，此时的振动信号会出现调制现象。 调制的中心频率为其箱体的固有频率以及齿轮的啮合频率及其高次谐波频率，调制频率一般是转轴旋转频率等， 相应频率幅值和能量都会有所增加。

6 结束语

总之，齿轮及齿轮箱作为机械设备中不可缺少的连接和传递动力的零部件，在我国各领域包括机床、航空、电力、能源、农业机械、冶金、运输机械等现代设备中得到广泛的应用，特别是机械设备在科学技术日新月异的时代，而齿轮装置，特别在齿轮箱，在任何大型设备都发挥着无可替代的作用，而且对其要求也越来越高，可以说大型化、高强度、高效率、自动化以及高性能是一种必然的发展趋势。

［1］工康，李魏华，朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术[M].北京:机械工业出版社，2005.

［2］项文娟.齿轮箱故障源信号分析方法及系统研究[D].杭州:浙江大学，2007.