铸造机械齿轮箱故障问题分析研究

2020-06-28任战锋王非柴自豪

中国设备工程 2020年7期

任战锋，王非，柴自豪

（洛阳双瑞精铸钛业有限公司，河南洛阳 471000）

1 绪论

齿轮箱作为机械动力系统中重要的运行转速和动力传动装置，因其扭动转矩较大、并且存在固定传动比率大和结构特点紧凑等优点，广泛运用在在电力系统、大型铸造设备以及农业机械中。但是齿轮箱中的传动性能好坏是决定了整个流水线运行设备工作效率。由于齿轮箱箱体本体内部的机械结构部件很复杂并且常常工作在恶劣的工作环境中，结合运行经验，发现齿轮箱是机械结构中最容易出现故障的部件。近年来，随着生产智能化的加剧，机械结构也更加精密，机械运行工况也日渐复杂。齿轮箱故障如果不能及时发现，很有可能造成整个智能化生产模块停止工作，如果进一步演化，极有可能会带来生产事故，后果不堪设想，所以，对齿轮箱的运行故障开展针对性的研究成为避免上述事故的重要手段。

本文在讨论研究齿轮箱故障基本理论的基础上进一步讨论了铸造机械几种常见的齿轮箱故障，并且重点对故障的形式、故障原因以及故障时的相应特征进行了讨论研究，为后期诊断和维修工作奠定基础。

2 齿轮箱故障基本理论

齿轮箱主要包含箱体、齿轮、机械支架、滚动轴承以及转轴等零部件。其中，齿轮的主要作用是传递速度和动力；而滚动轴承则是支撑整个齿轮箱的部件；转轴主要齿轮箱内重要的旋转零件。由此可见这3 个部件是齿轮箱中的配件，所以也是齿轮箱故障中比较频发的故障，下面将分别介绍齿轮发生故障、轴承发生故障与转轴发生故障相对应的特征。

（1）齿轮发生故障。齿轮作为齿轮传动机构中极易损坏的机械零部件，根据齿轮发生故障时的损伤特点和损伤的机理，可以将齿轮在实际工作中的常见故障归纳为齿断裂故障、齿面疲劳故障以及齿面磨损故障等。根据国内外学者和研究机构的统计研究表明：断齿故障和点蚀故障是齿轮故障发生概率较高的故障形式，分别占齿轮总故障事故发生概率的41%和31%。其中断齿故障是各种齿轮故障类型中最常见同时也是最严重的故障类型，进一步研究发现断齿故障大部分发生在齿轮的齿根处，这主要的原因是在齿轮齿根部分受的弯曲应力最大，进而会使轮齿的齿根处产生疲劳裂纹。当机械机构运行在正常工况下，轮齿在各个部位会产生循环应力，结果造成小金属快从齿轮表面发生脱落，这种情况叫做点蚀故障，点蚀故障按照故障特点又分为拓展性点蚀故障与非拓展性点蚀故障两种。

自20 世纪末开始，科研工作者就对齿轮故障开展了针对性研究，其中振动分析法是对齿轮状态监测和齿轮故障分析的重要方法之一。当运行中的齿轮发生一些具有特征性的机械故障时，齿轮就会产生相应周期振动，进一步对形成周期振动信号进行调制，就会在具体在频谱上显现出来固有频率或者在啮合频率两侧发生均匀的边频带。因此，在齿轮发生以后，对这个调制信号的解调是对故障分析的一个重要的步骤。振动信号蕴含着大量的在运设备中异常或故障的信息。对这个振动信号进一步分析是诊断故障有效的方法，通过各种传感器等测试仪器捕获机械振动信号，进而对故障机械进行处理。对于正常工况下运行的齿轮来说，它的振动信号函数模型可以表示为以下公式：

其中，N 表示啮齿的最高次谐波次数；fm表示啮合频率；Z 表示齿轮的齿数；fr表示齿轮的转频；An表示n 次谐波下啮合幅值；φn则表示振动信号的初始相位角度。

但是当齿轮发生机械故障后，其振动信号公式就会变为：

其中1+an(t)表示调制信号的幅值函数；bn(t)表示调制信号频率的函数。当此公式用于分析上述的局部断齿故障或者点蚀的故障时，1+an(t)与bn(t)都是以齿轮的旋转周期为周期的函数。由物理学知识可以知道：信号的调制就是将高频信号的某一特征参量用一个低频信号函数进行控制。常见的信号调制的类型可分为：幅值调制、频率调制以及幅值频率调制三种，下面简单的介绍它们的基本概念。

幅值调制是指载波信号的幅值随调制信号变化而变化。例如用幅值调制信号 a (t ) = 1 + 0.5 sin(2π *×6t)对载波信号x (t ) = sin (2π×30t)进行幅值调制，得到的幅值调制信号为xa(t ) = a ( t )x (t ) = 1 + 0.5 sin(2π×6t )sin(2π×30t)

频率调制就是指使载波信号的频率随调制信号变化而变化。例如用频率调制信号 b( t ) = 1 + 1.5 sin(2π *×6t)对载波信号 x (t ) = sin(2π×30t)进行频率调制，得到的频率调制信号为

幅值频率调制包含了幅值和频率调制的双重特点。如信号 a (t ) = 1 + 0.5 sin(2π×6t)和 b( t ) = 1 + 1.5 sin(2π×6t)分别是幅值调制信号与频率调制信号，对载波信号为 x (t ) = sin(2π *×30t)，进行幅值频率调制后得到一个幅值频率调制信号为

（2）滚动轴承的故障。在齿轮箱中使用最为广泛的部件就是滚动轴承，滚动轴承具有运行精度高、摩擦系数小和滚轴向结构紧凑等众多优点。但是由于其工作时磨损较快，承受冲击的能力差，所以它也是齿轮箱中最易故障的部件之一，在高频次的冲击载荷下极易发生机械故障。滚动轴承通常是由滚动体、内圈、外圈以及机械支架四个部分所组成。其中轴承的滚动体是核心的机械部件，它的作用是使发生在相对运动的两个物体表面的滑动摩擦转变为滚动摩擦，从而减小相对摩擦的摩擦力，其中较为常见的机械滚动体有圆锥滚子、滚针、球滚子等。当轴承正常运行时轴承外圈处机械固定状态，而内圈随转动部分一起活动，而机械支架的主要作用则是使得滚动体在滚动过程中在内圈和外圈之间可以均匀分布，从而进一步降低了相邻的两个滚动体的相对摩擦速度，也减小了机械发热程度。

根据轴承铸造设备部件的故障原因和机理的不同，可以将常见的滚动轴承的机械故障分为磨损故障、疲劳故障、腐蚀故障以及断裂故障和胶合故障等。其中磨损故障产生的根本原因是轴承在实际的运行过程机械滚动体在滚动时和内外套圈的相对滑动使机械磨损加重，进而产生机械故障。疲劳故障主要是因为在实际的运行中运行过程中轴承滚动体以及内外套圈表面因为高频次冲击力的作用造成接触面的细微裂纹，如果不引起重视，机械作用继续存在，裂纹进一步向周边扩张，最后在机械接触面产生了点状或者片快的剥落现象。轴承的腐蚀故障主要是指当轴承的外表面被水，酸以及酸性润滑液侵蚀的故障。而断裂以及胶合故障则分别是因为机械轴承表面不间断的大载荷的冲击以及轴承润滑不足时导致零件断裂的故障和部分脱落的细小金属颗粒碎屑粘贴在相对接触面中的另一金属表面的故障。

根据以上对故障原因的分析和故障特征以及故障出现的位置等的不同，也方便用于公式表达，将滚动轴承的故障总结为内圈故障，外圈故障和滚动体故障三类。这些故障的特征频率分别有不同的公式表示：

（1）内圈故障的特征频率表示为

（2）外圈故障的特征频率表示为

（3）滚动体故障的特征频率表示为

以上三式中，fr表示转轴频率；Z 表示滚动体具体的个数；d0表示滚动体的直径；α 和D 则分别表示为接触角和节径的大小。

（3）转轴的故障。在实际的机械工况中齿轮箱中的转轴经常会出现转轴运行不平衡的现象，这会造成转轴偏离中心的情况，严重时还会引起转轴故障。其中最为常见的就是碰摩故障。这主要是因为轴承在实际的旋转运行中，经过长时间的运转使机械磨损，造成轴承转轴面和定子面之间的间隙逐渐减小，当间距减小到极值时就会发生机械面的摩擦碰撞进而造成磨碰故障。特别是对于一些特殊用途的高转速轴承，因其本身转速高，为了保证较高的工作效率，机械面的间距通常都很小，所以控制好两者的间隙非常重要。实际的运行经验表明：当转轴发生碰摩故障时会使转轴与定子系统运行脱离实际工况，严重时甚至导致整个机械系统停转，从而造成巨大生产损失。