行星齿轮箱故障诊断技术的研究进展

行星齿轮箱故障诊断技术的研究进展

摘要：行星齿轮箱在现代机械中应用十分广泛，并且还发挥着重要作用。但是在运行过程中由于环境问题、使用问题等原因，会出现不同程度的磨损或裂纹等故障，而现有的故障诊断技术又不能满足其发展的需要，因此加大对诊断技术的研究，有效解决齿轮箱故障问题，有助于提高机械设备的运行效率。

关键词：齿轮箱；故障；原因；发展

齿轮箱属于故障多发部件，对于行星齿轮箱故障的诊断主要是通过对相关数据的监测进行分析、处理，从而判断齿轮箱的运行状况，达到事前预防、事后处理的目的。

1行星齿轮箱常见故障分析

行星齿轮箱常见故障有齿轮损伤、轴承损坏及运转异常、断轴、渗漏油、齿轮箱异响、振动较大、油温油压异常、连接螺栓损坏、润滑系统故障等。

1.1齿轮损伤

齿轮损伤主要包括轮齿折断（断齿）、齿面疲劳（点蚀）、齿面胶合、齿面磨损等。对齿轮箱中齿轮出现的故障，国内外的观察结果或报告都较为一致，即发生最多的仍为齿面的损坏，从应用初期的微点蚀，到逐步扩展的大面积点蚀、剥落或磨损。断齿常由细微裂纹逐步扩展而成。突发性的阵风或者电网故障导致的突发载荷、发生故障时的紧急制动等，都会产生较大载荷，有时甚至超过额定载荷数倍，引起齿轮的过载折断。在行星齿轮箱内部行星级、低速中间级、高速级都曾出现的情况中，齿轮断齿的情况最为严重，一旦出现断齿的情况，大部分齿轮箱需要下塔进行维修

1.2轴承损坏

轴承是行星齿轮箱中一个相对薄弱的环节。统计数据表明早期的行星齿轮箱故障大多是由轴承引起的。随着现场经验的增多，目前轴承引起的故障明显降低，但在齿轮箱故障中仍占有一定比例，其失效常常会引起齿轮箱灾难性的破坏。由于涉及选型不当、安装偏差、润滑不足等方面的原因，极易发生轴承烧毁，滚道表面发生点蚀、裂纹、表面剥落等损坏及轴承温度异常等情况。

1.3齿轮箱渗漏油

齿轮箱的渗漏油情况主要发生在箱体与齿圈结合面、端盖与箱体结合面、低速轴和高速轴轴颈处、润滑冷却系统管接头处等。箱体与齿圈结合面漏油的可能原因有箱体与齿圈连接螺栓松动、箱体与齿圈结合面安装密封胶条的环槽设计不当，密封胶条选用不合适等。

1.4齿轮箱异响、振动大齿轮箱异响总和振动相伴，齿轮箱异响及振动较大的情况较多，异响和振动产生的原因比较复杂，但是可以确定的是以下各因素都有可能导致齿轮箱产生异响和较大的振动：齿轮件和箱体加工精度不高，各部件装配误差较大；齿轮箱箱体强度不高，轴刚度不足，导致齿轮轴发生变形，影响齿轮啮合产生异响和振动；齿轮传动因摩擦磨损和疲劳点蚀、剥落使齿轮啮合精度大为降低，亦会产生异响和振动。

1.5齿轮箱油温油压异常

齿轮箱油温油压异常主要表现在齿轮箱油温偏高、油压偏高或偏低等。齿轮箱油温偏高的主要因素有冷却器冷却能力设计不够；主机机舱通风结构设计不当，机舱通风效果不好，导致齿轮箱温度偏高；润滑系统温控阀故障，齿轮箱润滑油不经冷却器直接进入齿轮箱；齿轮箱润滑油压异常，影响因素有润滑系统支路故障、润滑系统故障等。润滑系统故障主要包括温控阀问题导致齿轮箱油温偏高、机械泵抽不起油、润滑系统电机故障、油泵电机过载（温度低、粘度大）等。

2 行星齿轮箱故障诊断技术中常用方法

行星齿轮箱一般为多轴系系统，结构复杂，在工作过程中由于存在多对齿轮和滚动轴承同时工作，频率成分多，各种干扰较大，所以状态监测和故障诊断过程中，应尽量采取多种方法进行综合诊断。

2.1扭振分析是行星齿轮箱状态监测和故障诊断的常用方法之一。在行星齿轮箱故障诊断中常常采用箱体振动信号进行分析处理，但是由于箱体振动信号中包含了各种齿轮的啮合信号以及整个机器系统中其他振动的响应，并且在振动传递到测点的过程中有较大衰减和畸形，因此将待诊断的齿轮啮合振动信号从很强的噪声中分离出来较困难。而利用从齿轮传动系统的回转信号波动中得到的扭振形式振动信号进行分析，则可避免以上利用箱体振动信号分析带来的困难。而且扭振信号不像横向信号那样容易受到其他振源产生的振动干扰，对于故障更加敏感，信噪比高，适合应用于早期的故障发现。

2.2油液分析也是行星齿轮箱故障诊断的一种常用方法。利用油液分析进行故障诊断是建立在齿轮箱中产生故障的摩擦副材料不同和磨粒大小、数量、形状的不同的基础上。齿轮箱在工作过程中，齿轮和滚动轴承各摩擦副都会产生摩擦，使摩擦副材料的磨粒发生脱落而进入润滑油中。由于磨损的程度不同，进入润滑油的磨粒的数量、大小和形状也是不同的，通过对油液中的化学元素进行成分分析或对油液中磨粒的数量、大小和形状进行分析，可以监测和诊断齿轮箱的故障。常用的油液分析方法有铁谱分析法和光谱分析法。

2.3在相同的转速和负荷的情况下，对轴承座的温度进行监测是状态监测和故障诊断的一种有效方法。温度的变化反映了安装在这个轴上的齿轮和滚动轴承的劣化和故障程度。但是此方法的缺点是测点一定要在轴承座上或非常接近轴承座的位置，否则故障的初期温度变化不灵敏。这就要求在轴承座上预先安装温度传感器，这一点在很多场合无法实现。

3行星齿轮箱故障诊断技术发展趋势

故障诊断技术与当代前沿科学的融合，是故障诊断技术发展的趋势。由于齿轮箱结构复杂，工作环境恶劣，未来齿轮箱的状态监测和故障诊断发展更应与前沿科技相融合，具体来说表现在以下几个方面：

3.1对齿轮箱的故障和振动机理展开深入理论研究。由于齿轮箱结构复杂，工作条件多样，诊断中涉及到的问题较多，对其故障和振动产生机理研究还不透彻，大多是一些定性的结论。建立完整的数学模型进行定量分析还存在相当大的难度，因此要加大基础理论研究。

3.2与最新传感器技术的融合。如激光测试技术，近年来，激光技术已经从军事、医疗、机械加工等领域深入发展到振动测量和设备故障诊断中，并且已经成功应用于测振和旋转等机械中。

3.3与最新的信号处理方法融合。随着新的信号处理方法在设备故障诊断领域中的应用，传统的基于快速傅里叶变换的信号分析技术有了新的突破性进展。

3.4与现代智能方法的融合。现代智能技术包括专家系统、模糊逻辑、神经网络、进化计算等。如专家系统（ExpertSystem，ES）。专家系统是一种计算机程序系统，能够在专门领域达到专家的水平。

4 结语

行星齿轮箱作为机械设备的重要结构部件，其故障诊断得到了广泛的重视。齿轮箱故障诊断是一门建立在多学科基础上的交叉学科，研究齿轮箱故障诊断技术是一项复杂的任务，要求在多方面用新的眼光来洞察新情况、新问题，用创新的思维研究新规律，总结新经验、新方法。齿轮箱故障诊断是一个复杂的系统工程，涉及学科多、技术方法多，因此要对齿轮箱故障诊断进行深入研究，就要加强齿轮箱振动机理的研究，进而建立完整的数学模型；研究有效的齿轮箱诊断方法，并进行多方法融合诊断；构造专家知识库，进行人工智能、模式识别和神经网络方面的探索。

［参考文献］

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