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第八章 齿轮箱故障诊断　　8．1 齿轮失效形式 图8－1 齿根部的应力集中 一．齿的断裂 　　 齿轮副在啮合传递运动时，主动轮的作用力和从动轮的反作用力都通过接触点分别作用在对方轮齿上，最危险的情况是接触点某一瞬间位于轮齿的齿顶部，此时轮齿如同一个悬臂梁，受载后齿根处产生的弯曲应力为最大，若因突然过载或冲击过载，很容易在齿根处产生过负荷断裂。即使不存在冲击过载的受力工况，当轮齿重复受载后，由于应力集中现象，也易产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿在齿根处产生疲劳断裂。 　　轮齿的断裂是齿轮的最严重的故障，常因此造成设备停机。 二．齿面磨损或划痕 A）粘着磨损 在低速、重载、高温、齿面粗糙度差、供油不足或油粘度太低等情况下，油膜易被破坏而发生粘着磨损。润滑油的粘度高，有利于防止粘着磨损的发生。 B）磨粒磨损与划痕 含有杂质颗粒以及在开式齿轮传动中的外来砂粒或在摩擦过程中产生的金属磨屑，都可以产生磨粒磨损与划痕。 C）腐蚀磨损 由于润滑油中的一些化学物质如酸、碱或水等污染物与齿面发生化学反应造成金属的腐蚀而导致齿面损伤。 D）烧伤 烧伤是由于过载、超速或不充分的润滑引起的过分摩擦所产生的局部区域过热，这种温度升高足以引起变色和过时效，会使钢的几微米厚表面层重新淬火，出现白层。损伤的表面容易产生疲劳裂纹。 E）齿面胶合 大功率软齿面或高速重载的齿轮传动，当润滑条件不良时易产生齿面胶合（咬焊）破坏，即一齿面上的部分材料胶合到另一齿面上而在此齿面上留下坑穴，在后续的啮合传动中，这部分胶合上的多余材料很容易造成其他齿面的擦伤沟痕，形成恶性循环。 图8－2 齿面点蚀 三．齿面疲劳(点蚀、剥落) 　　所谓齿面疲劳主要包括齿面点蚀与剥落。造成点蚀的原因，主要是由于工作表面的交变应力引起的微观疲劳裂纹，润滑油进入裂纹后，由于啮合过程可能先封闭入口然后挤压，微观疲劳裂纹内的润滑油在高压下使裂纹扩展，结果小块金属从齿面上脱落，留下一个小坑，形成点蚀。如果表面的疲劳裂纹扩展得较深、较远或一系列小坑由于坑间材料失效而连接起来，造成大面积或大块金属脱落，这种现象则称为剥落。剥落与严重点蚀只有程度上的区别而无本质上的不同。 　 　　　实验表明，在闭式齿轮传动中， 　点蚀是最普遍的破坏形式。在开式齿 　轮传动中，由于润滑不够充分以及进 　入污物的可能性增多，磨粒磨损总是 　先于点蚀破坏。 四．齿面塑性变形 　　　软齿面齿轮传递载荷过大（或在大冲击载荷下）时，易产生齿面塑性变形。在齿面间过大的摩擦力作用下，齿面接触应力会超过材料的抗剪屈服极限，齿面材料进入塑性状态，造成齿面金属的塑性流动，使主动轮节圆附近齿面形成凹沟，从动轮节圆附近齿面形成凸棱，从而破坏了正确的齿形。有时可在某些类型的齿轮的从动齿面上出现“飞边”，严重时挤出的金属充满顶隙，引起剧烈振动，甚至发生断裂。 图8－3 齿轮副的运动学分析 8．2 齿轮的振动机理与信号特征 　　齿轮传动系统是一个弹性的机械系统，由于结构和运动关系的原因， 存在着运动和力的非平稳性。图8－3是齿轮副的运动学分析示意图。图 中O1是主动轮的轴心，O2是被动轮的轴心。 假定主动轮以ω1作匀角速度运动，A、B分别 为两个啮合点，则有O1A O1B，即A点的线 速度VA大于B点的线速度VB。而O2AO2B， 从理论上有 　　　 、　　　 ，则ω2ω3。 然而A、B又是被动轮的啮合点，当齿轮副只 有一个啮合点时，随着啮合点沿啮合线移动， 被动轮的角速度存在波动；当有两个啮合点时 ，因为只能有一个角速度，因而在啮合的轮齿 上产生弹性变形，这个弹性变形力随啮合点的 位置、轮齿的刚度以及啮合的进入和脱开而变 化，是一个随时间变化的力FC（t）。 齿轮啮合的特征频率——啮合频率 　　　从这个意义上说：齿轮传动系统的啮合振动是不可避免的。振动的频率就是啮合频率。也就是齿轮的特征频率，其计算公式如下： 　齿轮一阶啮合频率 　啮合频率的高次谐波 　　　　 i=2、3、4、… n 　 其中：N——齿轮轴的转速（r/min）　 　　　　 Z——齿轮的齿数 齿轮啮合的特征频率——边频带 　　　由于传递的扭矩也随着啮合而改变，它作用到转轴上，使转轴发生扭振。而转轴上由于键槽等非均布结构的存在，轴的各向刚度不同，刚度变动的周期与轴的周转时间一致，激发的扭振振幅也就按转轴的转频变动。这个扭振对齿轮的啮合振动产生了调制作用，从而在齿轮啮合频率的两边产生出以轴频为间隔的边频带。 　　　边频带也是齿轮振动的特征频率，啮合的异常状况反映到边频带，造成边频带的分布和形态都发生改变。可以说：边频带包含了齿轮故障的丰富信息。 　　　此外齿轮制造时所具有的：偏心误差、周节误差、齿形误差、装配误差等都能影响齿轮