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一、齒輪上發(fā)生的異常

　　為診斷齒輪設備，必須認識設備所發(fā)生的各種異常，在此先對齒輪所發(fā)生的異常，從制作到使用中分為三階段說明其特徵。

1.制造時發(fā)生的異常

　齒輪制作時發(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檢查出，但微小異常在任何齒輪中還是存在的。

2.安裝時發(fā)生的異常

　無論齒輪是如何精密制造出的，若安裝不良就無法達到100%的性能，　

　安裝時發(fā)生的異常有代表性的如下述兩種。

　(1)偏嚙合

　(2)齒輪軸的對心不良

　　齒輪在齒寬方向若沒有承受一樣的荷重時，在如圖Ｂ(a)所示的偏嚙合狀態(tài)下，力的傳達無法達到圓心，且恐怕會增加額外的負荷造成齒的折損。又同圖(b)所示系對心不良的例子，此狀態(tài)和偏嚙合同樣會增加額外負荷，必須避免在此狀態(tài)下長期使用。

圖Ａ  齒輪制造時發(fā)生的異常

圖Ｂ  齒輪安裝時發(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，或負荷、潤滑等使用條件

　不恰當時使用齒輪常會造成各種異常損傷，齒輪的損傷依發(fā)生形態(tài)分

　類有以下四種。

　(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，此種非進行性的破壞不能稱之為異?，F(xiàn)象。但是進行性破壞卻是齒輪的致命傷，可能會引起重大事故。

　　一般而言，摩耗并非是重大的損傷，進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，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重的，有疲勞折損、過負荷折損、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力所引起。通常在負荷側(cè)齒底角隅處開始產(chǎn)生起始裂痕，然后沿著齒底或往斜上方進展直到折損。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時，破斷凹面的底部常造成很嚴重磨損的狀態(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)的基本事項如齒輪的回轉(zhuǎn)、嚙合等之后，針對平齒輪、螺旋齒輪等一般齒輪的振動，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，但是并未觸及針對裂痕所用的超音波、磁場等非破壞檢查法。

1.齒輪診斷有關(guān)的基礎知識

　　設備發(fā)生異常時振動變大并產(chǎn)生異音，又潤滑油中特定的金屬粉會增　加，溫度也會上升。如此，在發(fā)生異常時發(fā)生變化的因素稱之為徵兆參數(shù)，具代表性的齒輪徵兆參數(shù)如下。

(1)振動

(2)音響

(3)軸扭矩變動

(4)回轉(zhuǎn)不均

(5)潤滑油

　　在此針對齒輪回轉(zhuǎn)取得的參數(shù)(1)～(4)用于診斷時所需事項予以說明。嚙合中的一對齒輪1,2其轉(zhuǎn)速分別為N1，N2(rpm)時：

fr1＝N/60(Hz),    fr2＝N2/60(Hz)……………………………(2.61)

上式稱之為各齒輪的回轉(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當處理后依含有主要fr ，fm 與否，或依其振幅值等來判定。以下以振動和回轉(zhuǎn)不均為例說明齒輪的診斷原理及方法。

2.利用振動的齒輪診斷原理

　　在嚙合率介于1和2之間的場合，看齒輪的微觀，有時瞬間僅有一齒嚙合，有時瞬間有兩齒嚙合，因一個齒輪所傳達的力為固定；若由一齒承受力量，此時的承受力假設為"1"，則有時承受力為"1/2"。如此在齒輪的回轉(zhuǎn)中一個齒的傳達力呈現(xiàn)週期性變化，因為這變化有衝擊成份存在齒輪因而受到激振，此時發(fā)生的振動為「自然振動」（嚴格來說是具衰減的自由振動），這就是齒輪振動的基本原理。圖Ｃ所示，系齒輪受力和所發(fā)生振動的關(guān)系。

圖Ｃ  齒的受力和振動的關(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)生齒輪對的自然振動（衝擊振動），但通常以后者的振動較大。

　　在作齒輪的診斷時，大都以量測其軸承部的振動，此時測出的振動樣子以圖Ｄ(a)為其典型。此波形可分解為同圖(b)的三種類。(1)系偏心、對心不良引起的振動，主要系齒輪制作及安裝時的異常。(2)嚙合時因嚙合壓力變化引起的振動，齒面摩耗進行時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)自然振動成份，嚙合異常時其衝擊振動較正常時大很多，或在發(fā)生齒折損等局部異常時，這齒的嚙合所產(chǎn)生的衝擊振動比其他部份大很多。齒輪自然振動頻率中較常出現(xiàn)者每個齒輪都不同，但大約在1~10KHz的范圍中，量測位置若遠離齒輪本體會有衰減現(xiàn)象，有時無法測得清楚的自然振動波形。

　　高速汽輪機等使用的增速機中，齒輪的嚙合頻率非常高，達到數(shù)KHz到十數(shù)KHz。有時自然振動頻率也有上升的情形，此時，(3)那種衝擊的自然振動成份不再存在；頻率高但僅存有(2)的嚙合頻率和(1)的回轉(zhuǎn)頻率。

圖Ｄ　從軸承部測出的齒輪振動（影像圖）

其他由齒輪引起的振動也存在有滾齒機等齒切削工具的齒數(shù)所對應的頻率或各段齒嚙合頻率的和或差的頻率成份。

3.利用振動的齒輪診斷法

　　利用振動作齒輪診斷的場合，診斷的對象有平齒輪、螺旋齒輪、傘齒輪等，至于利用振動于蝸齒輪診斷甚為困難，蝸齒輪的場合用后述的回轉(zhuǎn)不均來診斷較為有效。

　　振動量測時，須在齒輪之齒面未分離的情況下加之以固定負荷，在量測時若負荷變動無法得到正確的診斷。在相當大的負荷或高速回轉(zhuǎn)齒輪的場合，因齒面有可能分離須特別注意。有齒面分離情況時會發(fā)生隨機的齒打擊現(xiàn)象，在此狀態(tài)下所量測的振動無法作正確的診斷。

　　通常在軸承座量測振動，在高速增速機等其軸承座被外殼蓋住的場合，量測位置靠近軸承座的剛性大或在基礎上量測，此時依不同量測位置所測得的振動值及特徵參差不齊，量測時其位置應該固定不變。量測方向（水平、垂直或軸向）特別不能有阻礙；位置也最好在振動最大的部份。量測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感測器，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力膠、臘或磁鐵來安裝也不錯。

　　圖Ｅ所示系利用振動作齒輪診斷的解析順序，通常如圖所示(1)針對回轉(zhuǎn)頻率和嚙合頻率成份予以解析的低頻域解析(2)針對衝擊的自然振動成份的高頻域解析，再下綜合的判定。特別是在低頻域中振動加速度變換為速度，系因為在此領(lǐng)域，速度的振動量測感測較加速度高，在高速齒輪的診斷時也有不變換就加速度予以解析的情形，此時前述的自然振動成份不存在，因而無法作高頻解析。又高頻域中，自然振動成份的振幅變調(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值處理(包絡線處理)。

圖Ｅ　齒輪振動的解析流程

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