一、概述
现代机械设备日益向大型化、高速化、连续化和自动化方向发展，但同时也潜伏着一个危机，即一旦发生故障所造成的损害将十分严重。随着生产的发展，这种危机的影响愈来愈突出，这一客观形势促使了机械设备诊断这一门新的技术和学科的诞生和兴起。
齿轮和滚动轴承广泛应用在机械设备中，是机器设备中的关键部件，一旦发生故障就成为引起机器设备失效的重要原因。因此，对齿轮和滚动轴承的状态监测和故障诊断进行研究是机械设备诊断这门学科的重要研究内容。
二、齿轮故障种类及损伤原因
2.1断齿
轮齿断裂简称断齿，是一种常见的损伤形式。从断齿的形式来看，有单齿折断、多齿折断和局部折断。在使用中最典型的是疲劳断齿和过载断齿。
2.2齿面接触疲劳损坏
在航空燃气涡轮发动机的修理中，失效齿轮有80%以上是由于齿面接触疲劳造成的。齿面接触疲劳的基本形态是齿的点蚀和齿面剥落。
a）点蚀
点蚀有局限性点蚀和发展性点蚀。局限性点蚀出现在表面粗糙度较大的软吃面齿轮上，初期出现后可以自愈，对齿轮的继续使用没有影响。发展性点蚀出现在硬齿面齿轮上，是航空发动机齿轮的一种主要破坏形式。由于点蚀造成的断齿情况很少，因此，设计上齿面接触疲劳的安全系数比轮齿弯曲疲劳安全系数取的低。
b）剥落
按其机理可分为连续型剥落、次表层剥落和表面层压碎三种。连续型剥落是初期点蚀在过大应力作用下形成的，其特点是蚀坑大而深，边缘轮廓清晰而形状不规则，常发生在中硬度材料的齿轮上。次表层剥落源于表面层，当接触表面的压力超过临界值时，使表层开裂，形成浅而大的剥落坑。表层压碎是由于热处理缺陷，在硬化层与心部过渡处产生较大的硬度梯度和有害的残余力，使该处的应力超过材料的极限应力所致。
2.3胶合破坏
胶合是相啮合齿面间的一种黏着磨损。产生的条件是两个相互啮合是齿面间油膜破坏，而产生直接的金属对金属的接触。同时，由于两齿面间的相对运动使黏着的金属被撕伤，从而产生胶合失效。
2.4轮体破坏
齿轮轮体破坏是高速、重载航空齿轮的一种常见的破坏形式，尤其是由于齿轮共振引起是齿体破坏在国内外各机种中曾多次发生。轮体破坏分从轮缘开始扩展的疲劳破坏，从辐板开始扩展及从轮毂开始扩展的疲劳破坏等三种形式。
三、轴承故障种类
滚动轴承有很多损坏形式，常见的有磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失效、压痕失效和胶合失效。滚动轴承故障也可分为分布故障与局部故障。分布故障主要体现为表面波纹度、不对中、游隙过大等形式；局部故障主要体现为轴承元件裂纹、划痕、点蚀等形式。
四、齿轮与轴承故障诊断方法
目前，基于振动信号分析的机械监测诊断技术，仍然是齿轮和轴承诊断的主要手段之一。
4.1齿轮振动剖析
4.1.1齿轮的固有振动频率
齿轮在啮合过程中，受周期性冲击载荷的激励，会引发齿轮的固有振动，齿轮的固有振动频率在振动信号中属于高频成份。其固有振动频率计算公式如下：
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式中，m为齿轮的等效质量，k为齿轮的刚度系数。
4.1.2齿轮的故障监测频率
齿轮在运转过程中，两个齿轮相互啮合，齿轮在啮合过程中载荷的分配是变化的，载荷的变化会引起齿轮刚性的变化，从而引起齿轮的振动，这种振动称为啮合振动。当齿轮有缺陷时，啮合振动频率及其谐频成分会格外的突出，因此监测啮合频率对于齿轮故障诊断很重要。其计算公式如下：
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其中，Z为齿轮的齿数，N为相应齿轮的转速。
齿轮轴每旋转一周重复产生的附加脉冲会引起齿轮及轴的转动频率及其低次谐频。当诊断啮合齿轮中单个齿轮的故障时，该齿轮的转频及其谐频在频谱图中就成为监测的重点。
4.2滚动轴承振动剖析
4.2.1滚动轴承的固有频率
轴承在旋转过程中，会产生振动，一种是由轴承元件的不圆度、粗糙度和波纹度引起，该振动是随机的；另一种是由外力激励或滚动体与内、外圈之间产生冲击诱发的轴承各元件固有振动。下面给出滚珠、内外圈的固有频率计算公式。
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式中，r为滚动体半径，p为材料密度，E为弹性模量，n为固有频率的阶次，I为套圈截面绕中性轴的惯性矩，a为回转轴线到中性轴的半径，M为单位长度的质量。
4.2.2滚动轴承的故障特征频率
滚动轴承在回转过程中所产生的振动是随机的，含有滚动体的传输振动，其主要频率成分为滚动轴承的特征固有频率。故障特征频率根据轴承的结构参数计算如下：
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式中，N为轴的转速，D为轴承节径，d为滚动体直径，β为接触角。
在实际监测中，谱峰的频率并不总是精确地等于理论计算值，因为滚动体并非纯滚动，另外，实际轴承中存在几何误差和安装误差。因此，在各种谱图上寻找故障特征频率时，可在理想特征频率值附近寻找近似频率来做故障诊断。
五、结论
振动分析对齿轮和轴承故障信号进行诊断，振动信号固然是目前表征齿轮和轴承故障特征的最有效的信号。智能故障诊断的方法中，采用了小波神经网络进行故障诊断，诊断了齿轮和轴承故障的故障，具有一定的诊断效果。但是，由于条件限制，齿轮和轴承故障的知识库的容量有限，诊断的故障种类也有限制。在后期的研究中，需要诊断更多的故障类型，并积累诊断经验以扩大知识库。
参考文献：
[1]滚动轴承应用手册 《机械设计》 刘泽九 机械工业出版社
[2]滚动轴承和齿轮振动信号分析与故障诊断方法。李辉 西北工业大学硕士论文
[3]航空发动机设计手册 第12册 《传动及润滑系统》 张洪彪 航空工业出版社
论文作者:周玉莲,马长顺
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/7
标签：齿轮论文; 故障论文; 频率论文; 轴承论文; 疲劳论文; 故障诊断论文; 表层论文; 《基层建设》2019年第31期论文;