一、齒輪上發(fā)生的異常
為齒輪設(shè)備振動(dòng)分析診斷時(shí)，必須認(rèn)識(shí)設(shè)備所發(fā)生的各種異常，在此先對(duì)齒輪所發(fā)生的異常，從制作到使用中分為三階段說(shuō)明其特徵。
1.制造時(shí)發(fā)生的異常
齒輪制作時(shí)發(fā)生的異常中具代表性的有下述三種。
(1)偏心
(2)齒距誤差
(3)齒形誤差
小齒輪偏心，大齒輪有齒距誤差的齒輪對(duì)如圖Ａ(a)所示，又齒形誤差的例子如同圖(b)所示。雖然這些異常在齒輪安裝前可以用精密量測(cè)檢查出，但微小異常在任何齒輪中還是存在的。
2.安裝時(shí)發(fā)生的異常
無(wú)論齒輪是如何精密制造出的，若安裝不良就無(wú)法達(dá)到100%的性能，
安裝時(shí)發(fā)生的異常有代表性的如下述兩種。
(1)偏嚙合
(2)齒輪軸的對(duì)心不良
齒輪在齒寬方向若沒(méi)有承受一樣的荷重時(shí)，在如圖Ｂ(a)所示的偏嚙合狀態(tài)下，力的傳達(dá)無(wú)法達(dá)到圓心，且恐怕會(huì)增加額外的負(fù)荷造成齒的折損。又同圖(b)所示系對(duì)心不良的例子，此狀態(tài)和偏嚙合同樣會(huì)增加額外負(fù)荷，必須避免在此狀態(tài)下長(zhǎng)期使用。
圖Ａ 齒輪制造時(shí)發(fā)生的異常
圖Ｂ 齒輪安裝時(shí)發(fā)生的異常
3.使用中發(fā)生的異常
在制造誤差大，組立或安裝不良的狀態(tài)下，或負(fù)荷、潤(rùn)滑等使用條件
不恰當(dāng)時(shí)使用齒輪常會(huì)造成各種異常損傷，齒輪的損傷依發(fā)生形態(tài)分
類(lèi)有以下四種。
(1)摩耗
(2)表面疲勞
(3)塑性流
(4)齒的折損
這些損傷中也包含了甚多使用初期出現(xiàn)的所謂磨合現(xiàn)象，此種非進(jìn)行性的破壞不能稱(chēng)之為異常現(xiàn)象。但是進(jìn)行性破壞卻是齒輪的致命傷，可能會(huì)引起重大事故。
一般而言，摩耗并非是重大的損傷，進(jìn)行性破壞的摩耗如刮傷、鱗狀剝落(flaking)等，在損傷發(fā)生后，依不同的使用場(chǎng)合等，決定是否能繼續(xù)使用。
表面疲勞有初期孔蝕(pitting)、破壞的孔蝕、剝落等種類(lèi)，其中剝落系突發(fā)的疲勞現(xiàn)象，僅發(fā)生于完全淬火，特別是滲碳淬火鋼。
屬于塑性流的損傷有碾軋(rolling)，錘擊(peening)，波紋(rippling)，山脊紋(ridging)等，其中波紋常發(fā)生于滲碳戟齒輪，山脊紋常發(fā)生于滲碳戟齒輪或青銅蝸齒輪的齒面。
齒的折損系齒輪損傷中最嚴(yán)重的，有疲勞折損、過(guò)負(fù)荷折損、熱裂、研磨裂等，其中以疲勞折損最多，一般系由于在材料疲勞限以上承受反覆應(yīng)力所引起。通常在負(fù)荷側(cè)齒底角隅處開(kāi)始產(chǎn)生起始裂痕，然后沿著齒底或往斜上方進(jìn)展直到折損。疲勞折損的破斷面，可明顯看到一連串的貝殼狀輪廓和其中比較平滑的部份。若表面下方有裂痕起始點(diǎn)時(shí)，破斷凹面的底部常造成很?chē)?yán)重磨損的狀態(tài)，熱裂及研磨裂痕也是疲勞折損的原因之一。
二、診斷法
在敘述齒輪診斷有關(guān)的基本事項(xiàng)如齒輪的回轉(zhuǎn)、嚙合等之后，針對(duì)平齒輪、螺旋齒輪等一般齒輪的振動(dòng)，和以蝸齒輪的回轉(zhuǎn)不均所代表特殊的齒輪的診斷原理及方法予以敘述，但是并未觸及針對(duì)裂痕所用的超音波、磁場(chǎng)等非破壞檢查法。
1.齒輪診斷有關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)
設(shè)備發(fā)生異常時(shí)振動(dòng)變大并產(chǎn)生異音，又潤(rùn)滑油中特定的金屬粉會(huì)增 加，溫度也會(huì)上升。如此，在發(fā)生異常時(shí)發(fā)生變化的因素稱(chēng)之為徵兆參數(shù)，具代表性的齒輪徵兆參數(shù)如下。
(1)振動(dòng)
(2)音響
(3)軸扭矩變動(dòng)
(4)回轉(zhuǎn)不均
(5)潤(rùn)滑油
在此針對(duì)齒輪回轉(zhuǎn)取得的參數(shù)(1)～(4)用于診斷時(shí)所需事項(xiàng)予以說(shuō)明。嚙合中的一對(duì)齒輪1,2其轉(zhuǎn)速分別為N1，N2(rpm)時(shí)：
fr1＝N/60(Hz), fr2＝N2/60(Hz)……………………………(2.61)
上式稱(chēng)之為各齒輪的回轉(zhuǎn)頻率(fr)，又齒數(shù)分別為z1，z2 的話
fm＝z1fr1＝z2fr2 (Hz)………………………………………(2.62)
上式稱(chēng)之為嚙合頻率(fm)，在齒輪的診斷中，一般的作法是依各徵兆參數(shù)，或?qū)ζ渥鬟m當(dāng)處理后依含有主要fr ，fm 與否，或依其振幅值等來(lái)判定。以下以振動(dòng)和回轉(zhuǎn)不均為例說(shuō)明齒輪的診斷原理及方法。
2.利用振動(dòng)的齒輪診斷原理
在嚙合率介于1和2之間的場(chǎng)合，看齒輪的微觀，有時(shí)瞬間僅有一齒嚙合，有時(shí)瞬間有兩齒嚙合，因一個(gè)齒輪所傳達(dá)的力為固定；若由一齒承受力量，此時(shí)的承受力假設(shè)為"1"，則有時(shí)承受力為"1/2"。如此在齒輪的回轉(zhuǎn)中一個(gè)齒的傳達(dá)力呈現(xiàn)週期性變化，因?yàn)檫@變化有衝擊成份存在齒輪因而受到激振，此時(shí)發(fā)生的振動(dòng)為「自然振動(dòng)」（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是具衰減的自由振動(dòng)），這就是齒輪振動(dòng)的基本原理。圖Ｃ所示，系齒輪受力和所發(fā)生振動(dòng)的關(guān)系。
圖Ｃ 齒的受力和振動(dòng)的關(guān)系
由此圖可知，從兩齒嚙合變?yōu)橐积X嚙合的瞬間，和從一齒嚙合變?yōu)閮升X嚙合的瞬間，分別在一齒嚙合及兩齒嚙合的狀態(tài)發(fā)生齒輪對(duì)的自然振動(dòng)（衝擊振動(dòng)），但通常以后者的振動(dòng)較大。
在作齒輪的診斷時(shí)，大都以量測(cè)其軸承部的振動(dòng)，此時(shí)測(cè)出的振動(dòng)樣子以圖Ｄ(a)為其典型。此波形可分解為同圖(b)的三種類(lèi)。(1)系偏心、對(duì)心不良引起的振動(dòng)，主要系齒輪制作及安裝時(shí)的異常。(2)嚙合時(shí)因嚙合壓力變化引起的振動(dòng)，齒面摩耗進(jìn)行時(shí)除正常嚙合磨損外大都為此種成份，其波形從漂亮的正弦波慢慢歪斜。(3)自然振動(dòng)成份，嚙合異常時(shí)其衝擊振動(dòng)較正常時(shí)大很多，或在發(fā)生齒折損等局部異常時(shí)，這齒的嚙合所產(chǎn)生的衝擊振動(dòng)比其他部份大很多。齒輪自然振動(dòng)頻率中較常出現(xiàn)者每個(gè)齒輪都不同，但大約在1~10KHz的范圍中，量測(cè)位置若遠(yuǎn)離齒輪本體會(huì)有衰減現(xiàn)象，有時(shí)無(wú)法測(cè)得清楚的自然振動(dòng)波形。
高速汽輪機(jī)等使用的增速機(jī)中，齒輪的嚙合頻率非常高，達(dá)到數(shù)KHz到十?dāng)?shù)KHz。有時(shí)自然振動(dòng)頻率也有上升的情形，此時(shí)，(3)那種衝擊的自然振動(dòng)成份不再存在；頻率高但僅存有(2)的嚙合頻率和(1)的回轉(zhuǎn)頻率。
圖Ｄ 從軸承部測(cè)出的齒輪振動(dòng)（影像圖）
其他由齒輪引起的振動(dòng)也存在有滾齒機(jī)等齒切削工具的齒數(shù)所對(duì)應(yīng)的頻率或各段齒嚙合頻率的和或差的頻率成份。
3.利用振動(dòng)的齒輪診斷法
利用振動(dòng)作齒輪診斷的場(chǎng)合，診斷的對(duì)象有平齒輪、螺旋齒輪、傘齒輪等，至于利用振動(dòng)于蝸齒輪診斷甚為困難，蝸齒輪的場(chǎng)合用后述的回轉(zhuǎn)不均來(lái)診斷較為有效。
振動(dòng)量測(cè)時(shí)，須在齒輪之齒面未分離的情況下加之以固定負(fù)荷，在量測(cè)時(shí)若負(fù)荷變動(dòng)無(wú)法得到正確的診斷。在相當(dāng)大的負(fù)荷或高速回轉(zhuǎn)齒輪的場(chǎng)合，因齒面有可能分離須特別注意。有齒面分離情況時(shí)會(huì)發(fā)生隨機(jī)的齒打擊現(xiàn)象，在此狀態(tài)下所量測(cè)的振動(dòng)無(wú)法作正確的診斷。
通常在軸承座量測(cè)振動(dòng)，在高速增速機(jī)等其軸承座被外殼蓋住的場(chǎng)合，量測(cè)位置靠近軸承座的剛性大或在基礎(chǔ)上量測(cè)，此時(shí)依不同量測(cè)位置所測(cè)得的振動(dòng)值及特徵參差不齊，量測(cè)時(shí)其位置應(yīng)該固定不變。量測(cè)方向（水平、垂直或軸向）特別不能有阻礙；位置也最好在振動(dòng)最大的部份。量測(cè)探頭最好接觸在表面最平滑的地方。探頭最好是從數(shù)Hz到5~10KHz具有平的頻率特性的加速度型振動(dòng)感測(cè)器，電壓感度在10~50mv/G(1G=9.8m/s2)以上，探頭的安裝最好用鐵制螺栓或絕緣螺絲，若欲得到完全的頻率特性用強(qiáng)力膠、臘或磁鐵來(lái)安裝也不錯(cuò)。
圖Ｅ所示系利用振動(dòng)作齒輪診斷的解析順序，通常如圖所示(1)針對(duì)回轉(zhuǎn)頻率和嚙合頻率成份予以解析的低頻域解析(2)針對(duì)衝擊的自然振動(dòng)成份的高頻域解析，再下綜合的判定。特別是在低頻域中振動(dòng)加速度變換為速度，系因?yàn)樵诖祟I(lǐng)域，速度的振動(dòng)量測(cè)感測(cè)較加速度高，在高速齒輪的診斷時(shí)也有不變換就加速度予以解析的情形，此時(shí)前述的自然振動(dòng)成份不存在，因而無(wú)法作高頻解析。又高頻域中，自然振動(dòng)成份的振幅變調(diào)的間隔(週期或頻率的倒數(shù))也是調(diào)查的目的之一，因而作濾波后的波形絕對(duì)值處理(包絡(luò)線處理)。
圖Ｅ 齒輪振動(dòng)的解析流程
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