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摘要：近年来，随着机械设备的运行环境逐渐复杂化，机械设备发生故障的概率显著提高，一旦未能及时发现机械设备的局部故障问题，最终可能导致机械设备潜伏性故障逐渐发展以致整体性损坏的严重后果。本文在研究齿轮箱故障基本理论的基础上进一步讨论了铸造机械几种常见的齿轮箱故障，重点介绍了齿轮箱机械故障中占比重较大的齿轮故障、滚动轴承故障和转轴故障的形式、故障原因以及故障时的相应特征，为后期诊断和维修工作奠定了基础。
关键词：铸造机械；齿轮箱；故障
引言
齿轮箱作为机械动力系统中重要的运行转速和动力传动装置，因其扭动转矩较大、并且存在固定传动比率大和结构特点紧凑等优点，广泛运用在在电力系统、大型铸造设备以及农业机械中。但是齿轮箱中的传动性能好坏是决定了整个流水线运行设备工作效率。由于齿轮箱箱体本体内部的机械结构部件很复杂并且常常工作在恶劣的工作环境中，结合运行经验，发现齿轮箱是机械结构中最容易出现故障的部件。近年来，随着生产智能化的加剧，机械结构也更加精密，机械运行工况也日渐复杂。齿轮箱故障如果不能及时发现，很有可能造成整个智能化生产模块停止工作，如果进一步演化，极有可能会带来生产事故，后果不堪设想，所以，对齿轮箱的运行故障开展针对性的研究成为避免上述事故的重要手段。
1铸造的定义和优缺点
所谓铸造指的是先将金属熔炼成液体状，再注入相应的模具中，制造成铸型，待冷却凝固之后，就会形成一定形状和性能的铸件，此种加工生产工艺，称之为铸造工艺。和其他加工生产工艺相比，铸造工艺的优势主要体现在以下几个方面：（1）可铸造出形状相对复杂，结构多样化的铸件，尤其是具有复杂内腔的零件毛坯，铸造效果显著，如：箱体、床身、机架等采用铸造工艺，可保证生产精度，实现批量化生产。（2）铸造具有很强的适应性，而且铸造工艺操作过程比较灵活，在工业生产和矿山机械设备零部件都可以通过铸造来获得，而且铸造对铸件的重量无明显要求，小到几克，大到几百吨的铸件都通过铸造获得，铸件壁厚可控，壁厚为0.5mm到1.0m之间的铸件，都可以铸造。（3）铸造使用的原材料来源广泛，价格和成本较低，废弃的零部件，也可以用来铸造新型部件，生产成本比较低。虽然铸造有很多优势，但缺点也比较明显，主要表现为两个方面，其一是铸造获得铸件结构组织比较疏松，晶粒较大，在结构内部容易形缩孔、缩松、气孔等质量问题。因此，铸件的力学性能相对较差，尤其冲击韧度远远低于锻造的锻件。其二是铸件的质量稳定性不足，这一点只要铸造的工艺有关。
2齿轮箱故障基本理论
齿轮箱主要包含箱体、齿轮、机械支架、滚动轴承以及转轴等零部件。其中，齿轮的主要作用是传递速度和动力；而滚动轴承则是支撑整个齿轮箱的部件；转轴主要齿轮箱内重要的旋转零件。由此可见这3个部件是齿轮箱中的配件，所以也是齿轮箱故障中比较频发的故障，下面将分别介绍齿轮发生故障、轴承发生故障与转轴发生故障相对应的特征。
2.1齿轮发生故障
齿轮作为齿轮传动机构中极易损坏的机械零部件，根据齿轮发生故障时的损伤特点和损伤的机理，可以将齿轮在实际工作中的常见故障归纳为齿断裂故障、齿面疲劳故障以及齿面磨损故障等。根据国内外学者和研究机构的统计研究表明：断齿故障和点蚀故障是齿轮故障发生概率较高的故障形式，分别占齿轮总故障事故发生概率的41%和31%。
其中断齿故障是各种齿轮故障类型中最常见同时也是最严重的故障类型，进一步研究发现断齿故障大部分发生在齿轮的齿根处，这主要的原因是在齿轮齿根部分受的弯曲应力最大，进而会使轮齿的齿根处产生疲劳裂纹。当机械机构运行在正常工况下，轮齿在各个部位会产生循环应力，结果造成小金属快从齿轮表面发生脱落，这种情况叫做点蚀故障，点蚀故障按照故障特点又分为拓展性点蚀故障与非拓展性点蚀故障两种。当运行中的齿轮发生一些具有特征性的机械故障时，齿轮就会产生相应周期振动，进一步对形成周期振动信号进行调制，就会在具体在频谱上显现出来固有频率或者在啮合频率两侧发生均匀的边频带。因此，在齿轮发生以后，对这个调制信号的解调是对故障分析的一个重要的步骤。振动信号蕴含着大量的在运设备中异常或故障的信息。对这个振动信号进一步分析是诊断故障有效的方法，通过各种传感器等测试仪器捕获机械振动信号，进而对故障机械进行处理。
2.2滚动轴承的故障
在齿轮箱中使用最为广泛的部件就是滚动轴承，滚动轴承具有运行精度高、摩擦系数小和滚轴向结构紧凑等众多优点。但是由于其工作时磨损较快，承受冲击的能力差，所以它也是齿轮箱中最易故障的部件之一，在高频次的冲击载荷下极易发生机械故障。滚动轴承通常是由滚动体、内圈、外圈以及机械支架四个部分所组成。其中轴承的滚动体是核心的机械部件，它的作用是使发生在相对运动的两个物体表面的滑动摩擦转变为滚动摩擦，从而减小相对摩擦的摩擦力，其中较为常见的机械滚动体有圆锥滚子、滚针、球滚子等。当轴承正常运行时轴承外圈处机械固定状态，而内圈随转动部分一起活动，而机械支架的主要作用则是使得滚动体在滚动过程中在内圈和外圈之间可以均匀分布，从而进一步降低了相邻的两个滚动体的相对摩擦速度，也减小了机械发热程度。根据轴承铸造设备部件的故障原因和机理的不同，可以将常见的滚动轴承的机械故障分为磨损故障、疲劳故障、腐蚀故障以及断裂故障和胶合故障等。其中磨损故障产生的根本原因是轴承在实际的运行过程机械滚动体在滚动时和内外套圈的相对滑动使机械磨损加重，进而产生机械故障。疲劳故障主要是因为在实际的运行中运行过程中轴承滚动体以及内外套圈表面因为高频次冲击力的作用造成接触面的细微裂纹，如果不引起重视，机械作用继续存在，裂纹进一步向周边扩张，最后在机械接触面产生了点状或者片快的剥落现象。轴承的腐蚀故障主要是指当轴承的外表面被水，酸以及酸性润滑液侵蚀的故障。而断裂以及胶合故障则分别是因为机械轴承表面不间断的大载荷的冲击以及轴承润滑不足时导致零件断裂的故障和部分脱落的细小金属颗粒碎屑粘贴在相对接触面中的另一金属表面的故障。
2.3转轴的故障
在实际的机械工况中齿轮箱中的转轴经常会出现转轴运行不平衡的现象，这会造成转轴偏离中心的情况，严重时还会引起转轴故障。其中最为常见的就是碰摩故障。这主要是因为轴承在实际的旋转运行中，经过长时间的运转使机械磨损，造成轴承转轴面和定子面之间的间隙逐渐减小，当间距减小到极值时就会发生机械面的摩擦碰撞进而造成磨碰故障。特别是对于一些特殊用途的高转速轴承，因其本身转速高，为了保证较高的工作效率，机械面的间距通常都很小，所以控制好两者的间隙非常重要。实际的运行经验表明：当转轴发生碰摩故障时会使转轴与定子系统运行脱离实际工况，严重时甚至导致整个机械系统停转，从而造成巨大生产损失。
结束语
本文介绍了齿轮箱故障基本理论，并对齿轮箱故障中占比重较大的齿轮故障、滚动轴承故障和转轴故障进行故障诊断，接着重点介绍故障时振动机理与振动信号的模型，为后期诊断和维修工作奠定基础。
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