一、齒輪上發生的異常

??為齒輪設備振動分析診斷時，必須認識設備所發生的各種異常，在此先對齒輪所發生的異常，從制作到使用中分為三階段說明其特徵。

1.制造時發生的異常

?齒輪制作時發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，此狀態和偏嚙合同樣會增加額外負荷，必須避免在此狀態下長期使用。

圖Ａ齒輪制造時發生的異常

圖Ｂ齒輪安裝時發生的異常

3.使用中發生的異常

?在制造誤差大，組立或安裝不良的狀態下，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，齒輪的損傷依發生形態分

?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的所謂磨合現象，此種非進行性的破壞不能稱之為異常現象。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，在損傷發生后，依不同的使用場合等，決定是否能繼續使用。

??表面疲勞有初期孔蝕(pitting)、破壞的孔蝕、剝落等種類，其中剝落系突發的疲勞現象，僅發生于完全淬火，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，其中波紋常發生于滲碳戟齒輪，山脊紋常發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。通常在負荷側齒底角隅處開始產生起始裂痕，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，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的基本事項如齒輪的回轉、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.齒輪診斷有關的基礎知識

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

(1)振動

(2)音響

(3)軸扭矩變動

(4)回轉不均

(5)潤滑油

??在此針對齒輪回轉取得的參數(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頻率(fr)，又齒數分別為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，或對其作適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"。如此在齒輪的回轉中一個齒的傳達力呈現週期性變化，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，系齒輪受力和所發生振動的關系。

圖Ｃ齒的受力和振動的關系

由此圖可知，從兩齒嚙合變為一齒嚙合的瞬間，和從一齒嚙合變為兩齒嚙合的瞬間，分別在一齒嚙合及兩齒嚙合的狀態發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，或在發生齒折損等局部異常時，這齒的嚙合所產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KHz到十數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生隨機的齒打擊現象，在此狀態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的間隔(週期或頻率的倒數)也是調查的目的之一，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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