齿轮失效分析及其故障诊断方法研究

龚寄

（湖南涉外经济学院，湖南长沙410205）

齿轮失效分析及其故障诊断方法研究

龚寄

（湖南涉外经济学院，湖南长沙410205）

齿轮传动装置因具有结构简单、紧凑，传动比准确等独特的结构优势和传动优势而应用广泛于许多机器中。由于齿轮在工作过程中齿轮的失效主要发生在轮齿部位，结合齿轮在负载状态下的几种常见失效形式及其机理分析，提出了相应的齿轮轮齿失效的预防措施，分别从齿轮的设计、加工、使用和维护等方面尽量延缓轮齿的失效；对已经发生失效的齿轮总结了几种行之有效的故障诊断方法，分别通过时频分析法、解调分析法、统计分析法、多传感器数据融合法以及智能诊断法从复杂的振动信号中提取和分离与齿轮故障特征有关的微弱信号以实现齿轮和齿轮传动系统的故障诊断。

齿轮；失效分析；故障诊断预报

齿轮传动装置因具有结构简单、紧凑，传动比准确等独特的结构优势和传动优势而广泛应用于许多机器中。齿轮作为齿轮传动装置的重要基础件，其工作状态关系到整台机器的工作性能甚至导致重大的安全生产事故。为此，在齿轮发生故障之前或故障初期，如果能及时发现并判断故障类型，及时组织设备检修，对预防生产安全事故和重大经济损失都有十分重要的意义［1］。本文先针对齿轮的几种失效进行分析，然后讨论了故障齿轮的诊断方法。

1　齿轮的失效形式及其成因

齿轮传动由于种类较多，齿轮材料和制造工艺及工况条件不同，其失效形式及影响因素也较多。因而有多种不同的失效形式。分析不同失效类型的形成机理及辨别其相应特征，则是提出失效预防方法的前提。齿轮失效的形式及成因主要如下［1］：

（1）齿面疲劳。轮齿啮合时，齿顶表面受压应力，齿根表面受拉应力，导致齿轮表面层深处产生脉动循环变化的剪应力。当循环次数超过某一极限，工作齿面将因疲劳而产生裂纹。随后裂纹开始扩展，导致齿面金属剥落，形成点状小凹坑，称为点蚀。当点蚀逐渐扩大，齿面出现大块金属剥落，称为接触疲劳剥落。很多情况下，由于齿轮材质不均匀，或局部擦伤等，轮齿齿面上就容易出现接触疲劳和剥落。

（2）齿面磨损。齿轮副工作过程中，轮齿表面接触和摩擦导致材料消耗，称为磨损。其中又以磨粒磨损较为常见，多发生在开式齿轮传动装置中的轮齿齿顶、齿根部位，而闭式齿轮传动装置中，当润滑油含有杂质颗粒时也易造成齿面磨损。当磨损使齿廓侧隙显著加大，齿厚过度减薄时可能断齿。

（3）齿面胶合。当齿轮副在高速重载时，由于散热不足或润滑不良等使齿面接触区内金属局部熔焊，使两齿轮工作齿面的金属胶合粘连而产生撕裂伤痕，称为齿面胶合。

（4）塑性变形。当齿轮副过载或低速重载时，轮齿材料所受应力超过屈服极限而产生塑性流动，形成齿面或齿体的塑性变形。

（5）轮齿折断。齿轮由于疲劳或冲击、偏载及材料不均匀，齿轮的一个或多个轮齿局部或整体断裂的现象。轮齿折断按形成机理分为疲劳折断和过载折断。由于周期性载荷的反复作用，齿根材料产生疲劳裂纹，当裂纹扩大到齿轮无法承受载荷时发生疲劳折断；而齿轮在过载、受到冲击时发生突然断裂，即过载折断，多见于脆性材料制成的齿轮。

2　预防齿轮失效的措施

齿轮是机械设备中用来传递动力的重要部件，而齿轮故障又时常发生，这无疑会对机械的整体运作产生不利影响。所以，有必要对齿轮失效进行预防。常见的方法有［2］：

（1）合理设计

在设计齿轮传动时，合理优化齿轮传动结构方案，计算并校核齿轮的受力，确保齿根弯曲强度及齿面接触强度。对于高速大功率齿轮传动，计算还应保证抗胶合能力，从而从齿轮设计层面预防齿轮的失效。

（2）材料选择

正确选择齿轮材料，首先要满足齿轮工作条件的要求。例如，用于飞行器上的齿轮，要满足质量小，传动功率大和可靠性高的要求，因此选择机械性能高的合金钢；矿山机械中的齿轮传动，一般功率大，工作速度低，周围环境中粉尘含量高，因此常选用铸钢或铸铁材料。然后根据设计计算所知的材料强度极限，选择恰当的钢材牌号。此外，材料的选择还要考虑齿轮尺寸、毛坯成型方法及热处理和制造工艺等。

（3）制造工艺

制造齿轮时，通过改进生产工艺，确保齿轮制造精度和表面粗糙度，通过恰当的热处理工艺，调整齿轮材质组织，提高轮齿硬度，提高齿面抗剥落能力。

（4）正确安装

齿轮副只有正确安装才能确保正确啮合、防止偏载、降低噪声。在齿轮安装时，确保中心距安装误差在允许范围内，确保两齿轮轴平行度满足要求，防止齿轮齿面接触不均匀，从而提高齿轮的使用寿命。

（5）维护保养

为了确保齿轮传动正常，需定期对齿轮传动装置进行例行检查、维护保养。如定期检查、更换润滑油，清理杂质颗粒，检查齿轮运行状况，及早发现潜在问题，并及时检修。对高速重载齿轮传动装置，要检查润滑油温升，做好通风散热。

3　齿轮故障的诊断方法

前面通过对齿轮失效形式及成因的分析，可根据失效特征判别齿轮故障类型，及时解除故障，提出改进方案。但在齿轮传动投入使用之后，为了确保正常生产秩序、提高经济效益并确保生产安全，必须对齿轮传动的故障做到早知道早预防。而不是等到齿轮失效发生后才处理。为此，研究齿轮故障诊断方法就有特别重要的现实意义。

齿轮传动主要通过旋转啮合传递力和运动，而旋转啮合必将产生某种形式的机械振动。当齿轮传动发生故障时，如齿面磨损、点蚀、变形、制造或安装误差等将改变正常的齿轮啮合振动的形式，也即在这些振动信号中，必然包含有齿轮故障的特征信息。监测、分析这些故障信息就可实现齿轮传动的故障诊断。而从这些振动信号中提取和分离与齿轮故障特征有关的微弱信号则是故障诊断的关键和难点。目前使用的主要方法可分为以下几类［1］：

（1）时频分析法

利用振动信号进行时域分析并给出结果，是最简单直接的方法。根据测量所用传感器的不同，振动时域波形的示性指标主要有：1）振动幅值，如峰值、均方根值等；2）振动周期和频率；3）相位；4）其它指标，如偏度、峭度、均方根波形因数、峰值因数、裕度因数等。其中最常用的是均方根值和峭度值。将振动信号从时域变换到频域进行谱分析，往往能得到更多的特征信息。在分析时，首先应注意幅值较高的谱峰，分析产生这些频率分量的原因。如果这些频率分量不随时间变化，通常不影响机器的正常运转。但是，如果一些频率分量开始幅值较小，但增长很快，则意味着齿轮故障正在产生和发展。频谱分析法主要有相关谱分析、最大熵谱分析、小波分析等方法、全谱、全息谱和全矢谱分析［3-4］等。

（2）解调分析法

由于齿轮轴的转频、载荷波动、故障等调制齿轮啮合频率，齿轮传动的振动信号频谱常常表现为啮合频率及其谐波边带。当齿轮工作正常时，这些振动频谱基本保持不变；而当齿轮出现故障时，频谱边带和幅值将发生变化。如轮齿发生裂纹，故障齿轮每转都会产生一次局部调制［5］。若对振动信号进行解调，并从时域变换到频域分析，往往能得到更多的特征信息。基于解调思路的方法主要有倒频分析、包络分析等。

（3）统计分析法

对于高斯信号，其统计特性可由其均值（一阶矩）和方差（二阶矩）来描述。而对于非高斯信号，就需要用更高阶的统计量来描述。在齿轮早期故障时，振动和噪声信号中故障调制信息微弱，常常被淹没在噪声之中。基于Hilbert变换构造解析信号，然后计算包络信号的高阶统计量，从而提取机械故障特征。该方法可以较容易地将正常齿轮信号和齿轮裂纹、断齿的信号分离。

（4）多传感器数据融合法

在故障诊断领域，由于现代机械系统日益复杂，仅靠单一传感器采集存在信息量不足、信噪比和可信度较低等问题，而采用多传感器数据融合技术可对多信息源进行综合处理。数据融合包括数据层融合、特征层融合和决策层融合。其中决策层融合对带宽要求低，处理较灵活，能较好地反映各类型信息，得到了更广泛的关注。

（5）智能诊断法

针对齿轮轮齿的智能故障诊断法主要包括神经网络、灰色理论、失效树分析、专家系统等。其中神经网络和灰色理论应用更广泛，神经网络由于在非线性问题的自学习和在线预报方面有很强的优势，目前已经在轮齿的失效诊断和预报方面得到了广泛的应用；而灰色理论系统中由于只有部分信息已知，在将灰色系统应用于轮齿的故障诊断时，把带有故障的齿轮系统抽象为一灰色系统，将系统的灰色建模，灰色聚类等数学方法与信号处理技术有机结合，达到系统预见的发展状态，从而到轮齿故障的内在情况。

4　结束语

本文通过对齿轮失效的形成及成因进行分析，从而提高辨别齿轮失效特征的能力及提出恰当的失效预防方法。而在齿轮失效后，应根据失效特征及产生机理，分析其失效形式、失效程度和预防措施，及时记录总结，为齿轮的设计、维护等提供参考。在齿轮使用过程中，必须跟踪监测齿轮的健康状态，利用齿轮故障诊断技术，对齿轮传动的故障做到早知道早预防，才能确保正常生产，提高经济效益及避免重大安全生产事故。

［1］韩振南.齿轮传动系统的故障诊断方法的研究［D］.太原:太原理工大学，2003:1，3，6-15.

［2］窦玉香，张继周，吴金跃.齿轮失效原因分析及防止措施［J］.机械与电子，2014，（1）：114.

［3］韩捷，巩晓赟，陈宏.全矢谱技术在齿轮故障诊断中的应用［J］.中国工程机械学报，2010，8（1）:81-85.

［4］李辉，郑海起，唐力伟.Teager-Huang变换在齿轮裂纹故障诊断中的应用［J］.振动、测试与诊断，2010，30（1）：1-5.

［5］王阳，刘红彦.频谱分析在齿轮故障诊断中的应用［J］.石油和化工设备，2010，（3）:31-33.

Failure Analysis and Fault Diagnosis Method of Gear

GONG Ji
（Hunan International Economics University，Changsha Hunan 410205，China）

The gear transmission device has the advantages of simple structure，compact structure，accurate transmission ratio and so on.It is widely used in many machines.Due to failure of gears in the working process mainly occurred in the tooth position，combined with several in the load condition of gear common failure forms and mechanism analysis，firstly put forward the corresponding gear failure prevention measures，respectively from aspects of gear design，processing，use and maintenance to delay gear failure，then summary the fault diagnosis of several effective methods have taken place on the failure of the gear，respectively by means of time-frequency analysis method，demodulation analysis method，statistical analysis method，multi-sensor data extraction and separation of weak signals related to gear fault features from complex vibration signals to realize the fault diagnosis of gear and gear transmission system integration and intelligent diagnosis method method.

gear；failure analysis；fault diagnosis and prediction

TH132.41

A

1672-545X（2016）08-0138-03

2016-05-05

本课题获得湖南涉外经济学院2013年度科学研究一般项目资助

龚寄（1976-），女，湖南澧县人，硕士，讲师，研究方向:复杂机电系统建模及控制。