何卫东 刘健英 杨飞
中车永济电机有限公司机加事业部 山西永济 044502
摘要：齿轮泵是汽车起重机的动力来源，各个零部件稳定可靠工作是起重机安全运行的重要保证。 齿轮泵悬置即为隔离齿轮泵振动向车身传递及衰减外部激励引起的齿轮泵共振的装置。本文主要针对减速箱齿轮故障灯诊断技术进行了探讨。
关键词：起重机；减速箱齿轮；轴断裂；振动
前言
减速机是起重机一个传递扭矩的关键部件，各级齿轮轴主要受起重机制动时冲击载荷和正常工作时扭转力共同作用。各个零部件稳定可靠工作是起重机安全运行的重要保证。
1齿轮轴断裂故障分析
1.1齿轮轴断裂检测及原因分析
（1）同轴度检查
齿轮轴断裂后，对减速机安装精度、齿轮轴材质、金相、力学性能等进行了认真分析。对断轴侧减速器与电机同轴度测量，同轴度数据为左右偏差0.72mm，上下偏差为1.985mm，高于刚性齿接手0.45mm安装标准(GB50231－2009)。
（2）断口微观检查
对高速齿轮轴按疲劳源区、扩展区、最终断裂区进行了断口微观检查。疲劳源区扫描电镜下观察结果:靠近齿轮轴表面有多条韧性疲劳条纹，由于断裂时受到挤压摩擦较为严重，台阶“R”部位加工痕迹较粗糙。扩展区扫描电镜下观察:断裂扩展区为典型的疲劳贝纹弧线，并有二次裂纹存在。扩展区和终断区过渡位置发现有成分偏析现象，经过能谱分析发现该区域为Si、Mn富集区。最终断裂区(瞬断区)扫描电镜观察:扩展区与终断区的过度区域伴有韧性断口和解理断口，韧性断口呈方向性剪切韧窝。在终断区的中心位置是河流状花样的解理断口和准解理断口形貌，由于受外力作用还出现了少量二次裂纹。
（3）齿轮轴化学成分及力学性能检测
从化学成分检测结果看，齿轮轴化学成分满足技术要求;力学性能检测结果表明齿轮轴屈服强度、抗拉强度和常温冲击值不满足技术要求。
（4）齿轮轴内在质量检测
齿轮轴的热处理工艺为调质，调质后金相组织应为回火索氏体，回火索氏体组织使高速齿轮轴满足较高的屈服、抗拉强度，并有较好的抗冲击等力学性能，能满足起重机工作时传递扭矩、抗击冲击的功能。经过对试样内的质量检测发现:高速齿轮轴从表面至心部金相组织均为极少量回火索氏体+大量针状铁素体(呈魏氏组织形态分布)，没有达到锻件调质处理的技术要求。
1.2改进措施
(1) 调质处理目的是使齿轮轴具有良好的综合机械性能，金相组织应为回火索氏体，回火索氏体组织使高速齿轮轴满足较高的屈服、抗拉强度，并有较好的抗冲击等力学性能。42CrMo齿轮轴采用840℃油淬，再480°回火处理，硬度可达HＲC35～45，获得良好的综合机械性能。
(2)齿轮轴在设计时对可能产生应力集中的部位进行优化，轴身、轴肩等关键位置标注符合机械设计手册中规定的过渡圆角和表面粗糙度要求。在机床加工时提高加工精度，尽量减少应力集中。
(3)在设备安装调试时需对电机轴与减速机输入轴的同轴度进行严格把关，确保安装同轴度符合设计标准，减少齿轮轴在正常工作中承受的旋转弯矩载荷。
2齿轮泵噪声分析
2.1齿轮泵噪声原因分析
（1）内部激励分析
齿轮泵主从齿轮啮合时，齿轮会发出敲击噪声，一般将这种噪声称为啸叫，主要有3种形式：单边敲击噪声、双边敲击噪声和间歇性敲击噪声。当被动齿轮的惯性矩大于减速力矩时，齿轮副会发生噪音。因此，准确地获得挡轮扭矩对于研究齿轮噪音问题具有重要意义。齿轮泵空载空转时，主动齿隙距和齿隙侧距交替变化，说明非承载齿轮的啮合状态非常自由，从动齿轮的惯性矩大于堵转力矩。在重载、高速时，从动齿轮需要传递扭矩和动力。在大负载转矩的阻碍下，从动齿轮的惯性矩小于减速转矩，防止齿轮脱齿。结果表明，齿轮在双边敲击条件下的敲击噪声强度明显高于单边全啮合条件下的爆震噪声强度。当减速转矩为0.96N.M时，齿轮的爆震噪声最小，说明适当增大闭锁力矩可以降低空套齿轮的爆震噪声。
（2）外部激励分析
外部激励引起的噪声有轰鸣声、颤抖声、嗡嗡声等。引起动力系统振动的原因主要有：发动机转矩输出不均匀、万向节二阶附加扭矩、传动轴的动不平衡和径向跳动等。动力传动系统的扭振一方面通过发动机悬置、传动轴中间支撑、悬架等结构传递至车身，然后经由与车身相连的齿轮泵支架传递到齿轮泵壳体，壳体振动并向空气中辐射噪声；另一方面则通过变速箱、传动轴传递到齿轮泵内部齿轮，使得齿轮啮合过程中产生噪声。在汽车启动或制动的过程中，离合器主动部分和从动部分存在随相对转速的变化而变化的动摩擦，在摩擦扭矩的作用下，离合器被动盘产生的剧烈转速波动通过车轮传递至车身，引起车辆振动，车身抖动通过齿轮泵支架传递到齿轮泵壳体，壳体振动并向空气中辐射噪声。
2.2汽车起重机齿轮泵噪声测试结果及分析
（1）定置工况（发动机转速800RPM，变速箱速比1），该工况的测试目的是测量发动机和变速箱在不受齿轮泵影响下的噪声值。操纵室内频谱图，可以发现有两个较为突出的尖峰，分
别为80HZ与6714HZ左右，前者为发动机二阶点火激振频率，后者为操纵室蜂鸣器鸣叫频率，后者为干扰项需要在后面的分析中剔除，两处频率分贝值均为45dB(A)左右，在定置工况下，操纵室内噪声主要由发动机产生。
（2）怠速工况（发动机转速900RPM，变速箱速比1.04），该工况的测试目的是测量齿轮泵在不受负载影响下的噪声噪声值。
液压泵近场噪声中主要频率为468HZ其次为1720HZ，其中468HZ液压泵10齿三阶转频：900/60×1.04×10×3=468；1720HZ暂时不清楚，估计为变速箱某一阶频率。操纵室内主要噪声由液压系统不动作时主溢流阀的溢流声，该频率为4000HZ，符合液阀溢流啸叫的高频噪声特性。以及齿轮泵啮合产生的辐射噪声。
（3）变幅工况液压泵近场噪声主要来源为液压泵10齿的一阶364HZ、三阶1094HZ转频以及9齿的一阶328HZ转频。操纵室内主要噪声贡献为液压泵10齿的一阶364HZ、三阶1094HZ转频以及9齿的一阶328HZ转频，加上3986HZ的主溢流阀噪声。
参考文献：
[1] 张军锋.手动变速器齿轮敲击噪声的实验分析[D].上海交通大学,2012.