一、齿轮缺陷知多少
1. 齿形误差，制造与使用中的 “捣蛋鬼”。
齿形误差在齿轮的整个生命周期中都可能出现。在制造过程中，滚刀的齿形误差、安装中的径向跳动和轴向窜动等都会导致齿形误差。例如，滚刀刃磨质量不好很容易出现齿形误差，滚刀移动速度、工作台回转角速度以及滚刀原始齿形角等参数的不准确也可能使基圆产生误差，进而影响齿形。在使用过程中，如机床和刀架的垂直进给方向偏离零件轴线、尾座顶心与工作台回转中心不一致等情况，也会造成齿形误差。此外，齿形误差还可能由于材料变形、切削工具磨损、机床误差等原因引起，它会影响齿轮的传动精度和运行平稳性，通常以齿廓偏差、齿间隙不均匀等形式表现。
2. 齿轮均匀磨损，摩擦损伤不可忽视。
齿轮均匀磨损主要是在齿轮投入使用后，在啮合过程中出现的材料摩擦损伤现象。这种磨损包括磨粒均匀磨损和腐蚀均匀磨损。当齿轮发生均匀磨损时，齿侧间隙增大，会使正弦波式的啮合波形遭到破坏。在频谱图上，啮合频率及其谐波分量的位置保持不变，但幅值大小会发生改变，且高次谐波幅值相对增大较多。据统计，随着磨损的加剧，还有可能产生 1/k（k = 2,3,4,…）的分数谐波。分析时，要分析三个以上谐波的幅值变化才能从频谱上检测出这种特征。齿轮均匀磨损虽然不会造成严重的齿形误差，但会使振动能量（包括有效值和峭度指标）有较大幅度的增加。
二、轴的问题也不少
1. 轴不对中，引发分布型齿形误差。
轴不对中主要是指联轴器两端的轴由于设计、制造、安装或者使用过程中的问题，使轴系虽平行但不对中。这种情况下，会造成轴上的齿轮产生分布类型的齿形误差。其振动信号与单一齿轮齿形误差不同的是，轴不对中时所有轴上的齿轮均会产生齿形误差而导致信号的调制现象。例如在一些工业设备中，由于安装不当或者长期运行导致的轴不对中，会使得齿轮箱的运行出现异常，振动加剧，噪音增大。据统计，约有 30% 的齿轮箱故障与轴不对中有关。
2. 轴轻度弯曲，多对齿轮啮合受影响。
当轴产生轻度弯曲时，在齿轮传动中将导致齿形误差，形成以啮合频率及其倍频为载波频率，以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象。如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对啮合频率调制。一般谱图上边带数量少而稀，但其轴向振动能量明显加大。例如在一些机床设备中，长期使用或者受到意外冲击可能导致轴轻度弯曲，从而影响齿轮的正常啮合，降低加工精度。
3. 轴严重弯曲，冲击振动后果严重。
轴严重弯曲是一种较为严重的故障形式。时域有明显的冲击振动，以一定的时间间隔出现，冲击持续了整个周期的 1/3 以上，这与单个断齿和集中型故障产生的冲击振动有明显区别，是轴严重弯曲造成的齿轮啮合过程中连续多次冲击振动构成的一次大的冲击过程。当冲击能量很大时激励起箱体的固有频率，振幅很大。轴严重弯曲时，形成以啮合频率及其倍频、齿轮固有频率、箱体固有频率为载波频率，以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象，如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对啮合频率调制。谱图上边带数量较宽，轴向振动能量明显加大。例如在一些重型机械中，轴严重弯曲可能导致设备无法正常运行，甚至引发安全事故。
4. 轴不平衡，偏心引发振动。
轴不平衡是齿轮箱中轴的一种典型故障。所谓不平衡，是指轴由于偏心的存在而引起的不平衡的振动，这种偏心可以是由于制造、安装和投入使用后的变形产生。当产生轴不平衡时，在齿轮传动中也将导致齿形误差，但这种故障与单纯的齿形误差有着明显的区别。例如在一些旋转设备中，轴不平衡会导致设备振动加剧，降低设备的使用寿命。据统计，约有 20% 的齿轮箱故障与轴不平衡有关。
三、轴向窜动隐患大
1. 斜齿轮易发生轴向窜动。
齿轮箱轴向窜动主要发生在使用斜齿轮的情况下，当同一轴上有两个同时参与啮合的斜齿轮，而轴向又没有很好的定位与锁定装置时，有时就会发生轴向窜动现象，这主要是由于其轴向受力不平衡造成的。据统计，在齿轮箱故障中，轴向窜动占比约为 10%。轴向窜动将严重影响齿轮传动精度和平稳性，还可能造成齿轮轮齿端面的冲击磨损，是一种较为严重的故障。
在实际应用中，例如在一些风力发电设备的齿轮箱中，由于长期受到风力的不均匀作用以及设备运行过程中的振动等因素影响，容易出现轴向窜动问题。当轴向窜动发生时，时域表现为频率与有故障轴上相啮合的两对齿轮中较大的啮合频率相等，一周内有正负各一次大的尖峰冲击振动，频域中啮合频率幅值明显增大。
此外，轴向窜动还可能导致箱体共振。当冲击能量很大时激励起箱体的固有频率，振幅很大，产生很大的冲击振动能量，是一种非常严重的故障，一般是由箱体的外部激励而引起的。例如在一些工业生产设备中，轴向窜动产生的冲击可能会传递到箱体上，引起箱体共振，进一步影响设备的正常运行。
为了防止轴向窜动现象的发生，可以采取一些措施。比如，在设计阶段，应充分考虑轴向定位与锁定装置的合理性，确保斜齿轮在运行过程中不会发生轴向窜动。在安装和使用过程中，要定期检查轴向定位装置的状态，及时发现并解决问题。同时，可以采用一些先进的监测技术，实时监测齿轮箱的运行状态，一旦发现轴向窜动的迹象，及时采取措施进行处理，以保证设备的正常运行和使用寿命。
四、箱体共振很严重
1. 外部激励引发箱体共振。
箱体共振是由冲击能量激励起齿轮箱箱体的固有频率而产生的共振现象。这种共振产生的振动能量极大，是一种非常严重的故障。在实际应用中，箱体共振一般是由箱体的外部激励而引起的。例如，在一些大型工业设备中，周围环境的振动、其他设备的运行产生的振动波等都可能成为外部激励源，当这些外部激励的频率与齿轮箱箱体的固有频率接近或相同时，就容易引发箱体共振。
据统计，在齿轮箱故障案例中，箱体共振的发生概率虽然相对较低，但一旦发生，其造成的损失往往非常严重。当箱体共振发生时，不仅会产生巨大的噪声，还会对整个设备的结构稳定性造成严重威胁。长期的箱体共振可能导致箱体结构的疲劳损伤，甚至出现裂缝、变形等严重问题，进而影响设备的正常运行和使用寿命。
为了避免箱体共振的发生，可以采取一些有效的措施。首先，在设计阶段，应通过精确的计算和模拟，确定齿轮箱箱体的固有频率，并尽量使其远离可能的外部激励频率范围。其次，在安装过程中，要确保齿轮箱的安装位置合理，避免与其他振动源过于接近。同时，可以采用一些减震措施，如安装减震垫、使用减震支架等，减少外部激励对箱体的影响。此外，定期对设备进行维护和检查，及时发现并处理可能引起箱体共振的潜在问题，也是非常重要的。
五、轴承缺陷难诊断
1. 疲劳剥落和点蚀，诊断难点之一。
齿轮箱中滚动轴承的典型故障为内、外环和滚动体的疲劳剥落和点蚀。轴旋转时，内、外环和滚动体在接触过程中会发生机械冲击，产生被称为冲击脉冲变动幅度较大的力。据统计，齿轮箱中滚动轴承发生故障时，其能量较齿轮产生的振动能量小得多，因而是诊断的难点之一。
当轴承出现疲劳剥落和点蚀时，在齿轮箱轴系中，一般滚动轴承内环与轴多为紧密的过盈配合，即轴与内环牢固的连为一体，要激起固有频率需要较大能量，且内环固有频率与自由状态下测得或计算的频率完全不同。外环与箱体轴承座也是过盈配合，但同内环比较，要松得多。且外环在工作中一直受到滚动体对其较大的压力，当轴承有故障并运行一段时间后，外环与轴承座之间基本完全松动，外环固有频率与自由状态下测得或计算的频率基本相同。由于外环松动且质量轻，轴承元素故障时，振动能量通过滚动体传到外环上，激起外环固有频率。齿轮箱中轴承故障的载波频率一般为外环的各阶固有频率，调制频率为产生剥落元件的通过频率。
在诊断过程中，确定齿轮箱中间传动轴的转速难。齿轮箱通常具有多级结构，每级传动产生不同的速比。一般情况下，齿轮箱厂家仅提供齿轮总速比，并不详细提供每级传动速比以及齿轮齿数，这为准确判断中间传动轴的轴承故障增加了难度。确定每根传动轴的转速，是正确分析判断轴承故障的关键，因为轴承故障特征频率是与轴承结构尺寸及轴的转速相关的。轴承的结构尺寸（滚子直径、滚子分布圆直径、接触角）以及轴承滚子数量等是内在因素，是由轴承制造商决定的。而转速是外在因素，同一轴承在不同的转速上，轴承的故障特征频率不同。
确定频谱中故障特征频率成分也难。目前齿轮箱故障诊断方法是以箱体振动信号进行研究的，信号在传递过程中经过的环节很多，例如齿轮信号传递会经过以下环节：齿轮 - 轴 - 轴承 - 轴承座 - 测点，这样会导致部分信号在传递过程中衰减或受调制。另外，由于齿轮箱结构复杂，工作条件多样，箱内多对齿轮和滚动轴承同时工作，频率成分多且复杂，各种干扰较大。所以传感器所提取的振动信号中，各信号频率杂、多且不易区分，确定其中某故障特征频率就存在一定难度。滚动轴承故障产生的振动信号能量要比齿轮或轴承故障产生的振动能量小，其故障信号很容易被淹没在其他振动信号中，故障特征更不明显，这为确定轴承故障特征频率增加了很大难度。
六、齿轮箱缺陷的影响与应对
1. 缺陷影响齿轮箱性能。
齿轮箱的各种缺陷对其性能有着严重的负面影响。首先，齿形误差会使齿轮传动精度和运行平稳性下降，导致设备在运行过程中产生不规则的振动和噪音。例如，在一些精密加工设备中，齿形误差可能会影响产品的加工精度和质量。据统计，齿形误差每增加一定程度，产品的不合格率可能会提高几个百分点。
齿轮均匀磨损虽然是一种较为缓慢的损伤过程，但随着磨损的加剧，齿侧间隙增大，会破坏啮合波形，使振动能量大幅增加。这不仅会加速其他部件的磨损，还可能引发共振，对设备的结构稳定性造成威胁。例如，在一些连续运行的工业生产设备中，齿轮均匀磨损可能导致设备的维修周期缩短，增加生产成本。
轴的问题同样不可忽视。轴不对中、轴弯曲和轴不平衡等缺陷会使齿轮产生分布型齿形误差，导致振动加剧、噪音增大，严重影响设备的正常运行。据研究表明，约有 30% 的齿轮箱故障与轴不对中有关，约有 20% 的故障与轴不平衡有关。这些缺陷还可能导致轴承损坏、箱体共振等连锁反应，进一步加重设备的损坏程度。
轴向窜动不仅会影响齿轮传动精度和平稳性，还可能造成齿轮轮齿端面的冲击磨损。在风力发电设备等领域，轴向窜动问题较为常见，一旦发生，可能导致设备无法正常运行，甚至引发安全事故。据统计，在齿轮箱故障中，轴向窜动占比约为 10%。
箱体共振是一种非常严重的故障，由外部激励引发的箱体共振会产生巨大的振动能量，不仅会产生巨大的噪声，还会对整个设备的结构稳定性造成严重威胁。长期的箱体共振可能导致箱体结构的疲劳损伤，甚至出现裂缝、变形等严重问题，进而影响设备的正常运行和使用寿命。
轴承缺陷如疲劳剥落和点蚀也是诊断的难点之一。这些缺陷会使轴承的振动能量通过滚动体传到外环上，激起外环固有频率，从而影响齿轮箱的正常运行。由于轴承故障产生的振动信号能量较小，很容易被其他振动信号淹没，增加了故障诊断的难度。
总之，齿轮箱的各种缺陷会导致振动、噪声加大，磨损加剧，甚至断齿失效，严重影响设备的正常运行。
2. 应对措施需综合考虑。
为了减少齿轮箱缺陷的发生，需要从设计、制造、安装、使用维护等多方面入手。
在设计方面，应充分考虑齿轮箱的工作环境和负载情况，选择合适的齿轮材料和热处理方式，提高齿轮的抗疲劳强度和抗磨损能力。例如，选择高强度、高韧性的齿轮材料，如合金钢、硬质合金等，并对齿轮进行淬火、回火等热处理，以优化材料的力学性能。同时，要优化齿轮箱的结构设计，确保轴的对中精度、减少轴向窜动的可能性，提高箱体的固有频率，避免与外部激励频率接近。
在制造方面，要严格控制加工质量，确保齿轮的精度和表面质量。例如，采用先进的加工设备和工艺，控制滚刀的齿形误差、安装中的径向跳动和轴向窜动等，提高齿轮的制造精度。同时，要加强对轴承、箱体等部件的质量控制，确保其符合设计要求。
在安装方面，要严格按照安装规范进行操作，确保轴的对中精度、轴承的安装质量和箱体的密封性。例如，使用专业的安装工具和设备，对轴进行精确的对中调整，确保轴承的安装间隙和预紧力符合要求，防止箱体漏油和杂质进入。
在使用维护方面，要加强润滑和监控管理。选择合适的润滑剂，定期检查润滑剂的质量和清洁度，确保齿轮和轴承在良好的润滑状态下运行。例如，根据齿轮箱的工作条件和负载情况，选择合适的润滑剂，如矿物油、合成油等，并定期更换润滑剂，防止润滑剂变质和污染。同时，要加强对齿轮箱的运行监控，定期检查齿轮的啮合情况、轴承的磨损情况、箱体的振动和温度等，及时发现潜在的故障隐患，并采取相应的措施进行处理。
总之，减少齿轮箱缺陷的发生需要综合考虑设计、制造、安装、使用维护等多方面因素，采取有效的措施，提高齿轮箱的性能和可靠性，确保设备的正常运行。