齿轮系统失效模式研究概述：振动分析法仍为主流

齿轮传动广泛应用于各种机械设备中，其性能的优劣直接影响到机械设备的使用情况，因而齿轮传动性能很早就受到重视。随着对齿轮传动重载、高速化、高可靠性、长寿命等现代工业的要求，对齿轮失效模式的研究越来越重视。

失效机理研究通常可从理论分析与实验研究两个方面进行

理论分析：可从啮合原理、齿轮加工精度、承载能力计算、齿形等方面研究齿轮的设计和加工与齿轮失效间的关系；可借助弹性断裂力学、弹塑断裂力学结合有限元、边界元法等研究齿轮点蚀、裂纹扩展及断裂的规律；还可从摩擦及弹性润滑流体理论方向研究齿面磨损、点蚀、剥落激励以及胶合等问题。

实验研究：在研究中采用的设备有用于齿轮磨损、疲劳点蚀、接触疲劳裂纹和弯曲疲劳裂纹分析的各种通用齿轮运转试验台、用于齿轮弯曲疲劳裂纹产生及扩展分析的非运转式脉动弯曲加载试验机、用于疲劳点蚀、胶合、磨损研究用的滚子试验机等。

齿轮传动应用条件（装置型式、使用情况、材料性能、热处理工艺等）不同，失效形式也不同。一般来说，齿轮传动失效主要是轮齿失效，常见的有轮齿折断、工作齿面磨损、点蚀、胶合、塑性变形等。无论哪种都会给设备带来损伤，影响正常生产，甚至引发危险。对于齿轮传动失效状态要严格监测，早期发现，避免损失。

齿轮的实验研究较早地受到了重视

早在1931年ASME齿轮强度专门委员会就对不同齿轮材料的表面疲劳特性进行了大量的试验研究。从1946年起还进行了长达15年之久的轮齿弯曲疲劳试验研究，做了约3000个齿轮轮齿的试验，试验结果为AGMA所采用。之后NASA的Lewis Research Center成为重要的齿轮试验研究机构。

国际上最著名的齿轮研究机构是由G. Niemann教授于1951年创建的德国慕尼黑大学的齿轮研究室（FZG）。这个研究室从建立时起就非常重视试验研究，它设计了著名的FZG齿轮试验台，编制了试验规程。由这个实验室提供的大量试验数据，已成为ISO齿轮承载能力计算标准的基础。

齿轮弯曲疲劳主要失效形式

齿轮弯曲疲劳主要失效形式有高周下的轮齿裂纹产生及扩展、低周下的塑性应变，最终导致轮齿折断；交变应力接触超过轮齿工作表面或次表面材料的极限应力，导致相应部位的微小疲劳裂纹，不断扩展延伸，形成小凸坑。根据齿面凸坑产生的方式不同，齿面接触疲劳的基本形态可分为点蚀与剥落。

疲劳点蚀是闭式齿轮传动的主要失效形式，影响疲劳点蚀的因素很多，如齿面形貌、材料、齿面硬度、工况（尤其是载荷性质对齿轮寿命有很大影响）、安装精度、齿面摩擦力的大小、方向、滑动率以及润滑等条件。对于点蚀失效齿面有多种观察、计量方法，如人眼观察法、荧光涂料法、铅印法、直接塑造法、直接摄影法、显微镜观察法、触针法、轮齿断面观测法、全息摄影法等。

剥落是先形成点蚀，然后在过高应力和应力循环次数不多的情况下产生，裂纹彼此相连扩展和最终断裂成为剥落。剥落按照形成机理不同可分为连裂型剥落、亚表层剥落和表层压碎；对于高速重载齿轮传动，齿面间压力大，瞬时温度高，润滑效果差，齿面可能发生胶合现象。有些低速重载重型齿轮传动，由于齿面间的油膜遭到破坏，也会产生胶合失效（冷胶合）；当啮合齿面间落入磨料性物质或润滑油中有杂质时，齿面将被逐渐磨损而致失效。此外，齿轮系统还可能出现过热、侵蚀、电蚀和由于不同原因产生的多种腐蚀与裂纹等。

疲劳载荷谱

疲劳载荷谱是进行疲劳模拟试验的重要依据，它来自实测零构件服役载荷历程。往往由于测试条件的限制，需要对测试结果进行统计处理。目前多采用雨流计数法，并用矩阵形式表示出各级循环的均幅值，然后进行统计推断及简化。做疲劳模拟试验时，需把循环统计结果再变成载荷历程，即为疲劳载荷谱。

从Gassner在1935年提出程序谱以来，多年来已发展了许多种疲劳谱编制方法。编谱方法大致如下：等损伤载荷谱、常均值载荷谱（波动中心法）、变均值载荷谱（变均值法）、双波法等损伤载荷谱、双波法常均值载荷谱、二维随机变量载荷谱、飞续飞载荷谱、确定型载荷谱、中值随机疲劳载荷谱、均值随机疲劳载荷谱。

在齿轮失效分析方面，数值法、解析法、试验法结合，具体有有限元法、边界元法、集中参数法、金相分析、断口分析、铁谱分析等。从工况（转速及负载大小、波动）、润滑、材料、热处理、尺寸等各方面研究了对齿轮失效行为的影响。

在各种齿轮失效预测方法中，其中振动分析法仍为主流。

振动检测法有测量简便、实时性强等优点，通过测量振动信号并进行故障诊断可以有效发现和防治严重损伤现象的产生，是一种理想的齿轮系统在线运行检测工具。由于齿轮的早期轻微失效引起的振动特征不明显，表现出的振动信息往往被淹没在其它振动分量中，因此应用振动分析法的关键是如何从复杂振动信号中提取和分离齿轮故障特征的信息。

可用方法有时域法、频域法、倒频谱分析、包络分析、高阶统计参数法、平稳循环变量法、小波分析及扭振参数识别法等。时域平均法是从复杂信号中提取周期分量的有力工具，上世纪80年代P.D.McFadden和J.D.Smith等首先将这种方法与频域法等用到齿轮故障诊断中。