設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷作業(yè)羅靜

1、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷作業(yè)姓名：羅靜 學(xué)號(hào)：20110702150 課程老師：謝志江、陳平一、論述齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的機(jī)理及齒輪故障診斷方法答：齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的機(jī)理：齒輪的振動(dòng)頻率基本上可歸納為三類(lèi)：軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其諧頻，齒輪的嚙合頻率及其諧頻，齒輪自身的各階固有頻率。其中齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的機(jī)理如下：（1）齒輪嚙合過(guò)程中由于周節(jié)誤差、齒形誤差或均勻磨損等都會(huì)使齒與齒之間發(fā)生撞擊， 撞擊的頻率就是它的嚙合頻率。（2）由于齒輪嚙合過(guò)程中輪齒發(fā)生彈性變形，使剛剛進(jìn)人嚙合的輪齒發(fā)生撞擊，因而產(chǎn)生沿著嚙合線(xiàn)方向作用的脈動(dòng)力，于是也會(huì)產(chǎn)生以嚙合頻率為頻率的振動(dòng)。對(duì)于齒廓為漸開(kāi)線(xiàn)的齒輪，在節(jié)點(diǎn)附近為單齒嚙合

2、，而在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)為雙齒嚙合，故其剛度是非簡(jiǎn)諧的周期函數(shù)， 所產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)與上述第一種情況不同，不僅有以嚙合頻率為頻率的基頻振動(dòng)，而且還有嚙合頻率的高次諧波振動(dòng)。齒輪故障診斷方法：1齒輪常見(jiàn)故障類(lèi)型和失效比例1）齒的斷裂，故障比例為 41% ;2）齒面疲勞（點(diǎn)蝕、剝落等），失效比例為 31% ;3）齒面劃痕，失效比例為 10% ；4）齒面磨損，失效比例為 10% ;5）其他故障，例如齒面龜裂、化腐、塑性變形等。2故障原因和特點(diǎn)2. 1斷裂齒的斷裂有疲勞斷裂和過(guò)負(fù)荷斷裂2種情況。齒的根部在傳遞周期性載荷過(guò)程中，承受彎矩最大，由于幾何形狀和工藝上的原因，在根部有較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中，交變載荷易使根部產(chǎn)

3、生裂紋最終導(dǎo)致斷裂，裂紋的擴(kuò)展可以是沿橫向的，也可以是沿斜線(xiàn)向上的。因此， 斷裂形式可能是齒根，也可能是齒頂部分，如圖 1所示。疲勞和過(guò)負(fù)荷斷裂從本質(zhì)上說(shuō)是由于設(shè)計(jì)、制造、裝配不良而引起的軸系共振、軸的彎曲、 系統(tǒng)速度的急劇變化、不平衡載荷等原因造成的。2. 2磨損由于潤(rùn)滑油或其他原因，在齒面上有污物、金屬屑末、塵埃和砂粒，潤(rùn)滑不良、齒面粗糙等使動(dòng)載荷加大，不但點(diǎn)蝕多發(fā)生在節(jié)線(xiàn)2所示。造成點(diǎn)蝕也是引起磨損的因索，故齒輪磨損后齒的幾何形狀、厚度均產(chǎn)生變化， 振動(dòng)和噪音加大，而且最終導(dǎo)致齒的折斷。2. 3齒面疲勞（點(diǎn)蝕、剝落）齒面疲勞是指齒表面金屬微屑剝落下來(lái)而形成的麻斑逐步發(fā)展成為點(diǎn)蝕。 和齒根

4、區(qū)間而又靠近節(jié)線(xiàn)附近，它與齒的磨損故障形式是不同的，如圖 的主要原因是由于工作表面的交變應(yīng)力引起的微觀疲勞裂痕。試驗(yàn)表明：在閉式傳動(dòng)中，點(diǎn)蝕是最普遍的破壞方式；在開(kāi)式傳動(dòng)中，由于潤(rùn)滑油不夠充分以及進(jìn)入污物可能性增多，磨損總是先于點(diǎn)蝕破壞。2. 4齒面劃痕齒面劃痕與點(diǎn)蝕不同， 它的故障機(jī)理是由于齒面在相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，因油膜破裂引起金屬表面熔融粘著并剝落而產(chǎn)生的損傷。這類(lèi)故障往往發(fā)生在潤(rùn)滑油粘度過(guò)低、低轉(zhuǎn)速、大載荷和運(yùn)行溫度過(guò)高的情況。3故障診斷方法齒輪故障診斷的基本方法是利用振動(dòng)信號(hào)在頻域和時(shí)域上診斷。時(shí)域法主要依賴(lài)診斷者的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)故障機(jī)理的透徹了解；頻域法即利用細(xì)化譜分析和倒頻譜技術(shù)進(jìn)行邊帶分析。

5、3. 1細(xì)化譜分析法頻域分析在齒輪診斷中主要是提取邊頻特征信息，但是在以嚙合頻率為中心的兩邊分布或單邊分布有邊頻族，這些譜線(xiàn)之間的間隔很小， 一般的頻率分析無(wú)法分辨出這些間隔很密的頻率。因此，有頻譜分析中采用了所謂細(xì)化技術(shù)，實(shí)質(zhì)上就是進(jìn)行局部放大，用來(lái)判斷或讀出故障的特征信息。細(xì)化譜邊頻診斷故障一般從兩個(gè)方面著手：（1）利用邊帶的對(duì)稱(chēng)性，找出的頻率關(guān)系，確定是否成為一組邊帶，如果是邊帶，則可知道嚙合頻率 fc和調(diào)制信號(hào)頻率 fe; ( 2)比較各次測(cè)量中邊帶幅值變化的趨勢(shì)。 由此2點(diǎn)，就可判斷故障的類(lèi)型和故障發(fā)展的程度。JCF - 500型齒輪箱的結(jié)構(gòu)及細(xì)化邊頻譜分析如圖3、4所示。在細(xì)化譜上

6、，以嚙合頻率fc=299. 84Hz 為中心，具有對(duì)稱(chēng)分布的一族邊帶。其中邊帶族以(299. 84 ± n X 12. 5) Hz比較突出，而其他邊帶族則不明顯，說(shuō)明輸入軸的轉(zhuǎn)頻fz是主要調(diào)制源，故障發(fā)生在小齒輪軸上，其故障性質(zhì)有兩種可能：(1)小齒輪加工分度誤差大；(2)載荷波動(dòng)。3. 2倒頻譜分析法倒頻譜是功率譜對(duì)數(shù)的功率譜，又稱(chēng)功率倒頻譜、倒譜分析，也稱(chēng)為二次譜分析。倒頻譜有兩條顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)倒頻譜在功率譜的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)給低幅值分量有較高的加權(quán)，而對(duì)高幅值分量較小的權(quán)，加權(quán)的結(jié)果有助于突出小信號(hào)的周期性，又能精確測(cè)出頻率間隔，這對(duì)于檢測(cè)出譜圖中的故障邊帶族(周期信號(hào))是十分有用

7、的；(2)倒頻譜分析對(duì)譜的形狀不敏感， 具體說(shuō)來(lái)就是對(duì)于傳感器的測(cè)點(diǎn)位置或信號(hào)傳偷途徑不敏感，對(duì)于幅度和頻率調(diào)制的相位關(guān)系不敏感，由于這種不敏感，十分有助于我們找到故障源的特征須率。二、滾動(dòng)軸承故障的特征頻率推導(dǎo)計(jì)算答：圖2為向心推力滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)圖和運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖，中間為滾珠軸承的軸向剖面圖，右邊為滾動(dòng)軸承的軸向剖面圖。分析的外環(huán)固定而內(nèi)環(huán)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，軸承故障引起振動(dòng)， 它的特征頻率是診斷中必須要識(shí)別提取的，為便于推導(dǎo)軸承故障的特征頻率，作如下假設(shè)：(1)滾動(dòng)體與滾道之間無(wú)滑動(dòng)接觸；(2)每個(gè)滾動(dòng)體直徑相同，目 _均勻分布在內(nèi)外滾道之間；(3)徑向、軸向受載荷時(shí)各部分無(wú)變形。圖2設(shè)外圈轉(zhuǎn)頻

8、為f°,內(nèi)圈轉(zhuǎn)頻為fi,保持架轉(zhuǎn)頻為fc,軸承節(jié)徑為D,滾動(dòng)體直徑為d,接觸角為 。通過(guò)滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析，可以求得滾動(dòng)體通過(guò)內(nèi)、外圈滾道的頻率，以 及滾動(dòng)體相對(duì)保持架的回轉(zhuǎn)頻率等。這些頻率與故障密切相關(guān)的。滾動(dòng)體與內(nèi)環(huán)接觸點(diǎn)的速度為:Vi 2 r fifiD d cos滾動(dòng)體與外環(huán)接觸點(diǎn)的速度為:Vo2 r0 f0D d cos滾動(dòng)體的速度為:VmViVofiD由此可得fmViVo9cosfiD1 cosDfo單個(gè)滾動(dòng)體在外圈滾道上的通過(guò)頻率, 得，即即為保持架相對(duì)外圈的回轉(zhuǎn)頻率,可由上式求f0mf0 fmfi 1 cosD同理，單個(gè)滾動(dòng)體在內(nèi)圈滾道上的通過(guò)頻率fim為fim f

9、i fmfid cosD滾動(dòng)體相對(duì)保持架的回轉(zhuǎn)頻率(即自轉(zhuǎn)頻率)fbm,也可求得，即fbm2dfi f02cos考慮到滾動(dòng)軸承有 N個(gè)滾動(dòng)體,則滾動(dòng)體在外圈及內(nèi)圈滾道上通過(guò)頻率f0p、fip及fbm可表不為:f0 pdcos Dfipfrd cosD【d221 2 cosD2式中fr fi f。為內(nèi)外圈的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，當(dāng)外圈固定時(shí),fr即為軸的轉(zhuǎn)頻率，即frfi, fi n60, n為軸的轉(zhuǎn)速。如果在外圈滾道上有故障時(shí)，則產(chǎn)生以p為頻率的脈沖激勵(lì)，所以稱(chēng) f0P為外圈的，一一 一f“故障頻率，同理fiP為內(nèi)圈的故障頻率。若滾動(dòng)體上有故障時(shí)，因其自轉(zhuǎn)一周通過(guò)內(nèi)外圈各 一次，故滾動(dòng)體的故障頻率為f

10、b 2 f一般徑向滾珠軸承0, 一般外圈固定，即fo °，則 fi ,其故障頻率如表1所示（其中N為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)）。元件故障頻率公式內(nèi)圈Ndf1 cosfi2 D外圈N d df1 cosf i2D滾珠Dd22f1cCOSfidD2表1三、針對(duì)某個(gè)機(jī)組對(duì)象建立其狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，描述測(cè)點(diǎn)布置、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成（框圖）及各部分功能（如：汽輪機(jī)狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)）（如：齒輪箱狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)）（如：煤氣鼓風(fēng)機(jī)/旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)）答：以齒輪箱為例：1、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷定義設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷是通過(guò)掌握設(shè)備過(guò)去和現(xiàn)在運(yùn)行中或在基本不拆卸的情況下 的狀態(tài)

11、量，判斷有關(guān)異?；蚬收系脑虿㈩A(yù)測(cè)對(duì)將來(lái)的影響，從而找出必要對(duì)策的技術(shù)。它在動(dòng)態(tài)情況下，利用機(jī)械設(shè)備劣化進(jìn)程中產(chǎn)生的信息（如振動(dòng)、噪聲、壓力、溫度、流量、潤(rùn)滑狀態(tài)及其他指標(biāo)等）來(lái)進(jìn)行狀態(tài)分析和故障診斷，涉及傳感器及測(cè)試技術(shù)、電子學(xué)、信 號(hào)處理、識(shí)別理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及人工智能、專(zhuān)家系統(tǒng)等多種基礎(chǔ)學(xué)科和技術(shù)學(xué)科，是這些理論的綜合應(yīng)用。機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的基本過(guò)程如圖1.1。2、齒輪箱信號(hào)分析與故障診斷2.1 齒輪箱的結(jié)構(gòu)和組成部件齒輪箱一般由齒輪、軸、軸承、箱體等零部件組成。2.1.1 齒輪一般情況下兩個(gè)齒輪組成一個(gè)齒輪傳動(dòng)副，它可以傳遞空間任意兩軸間的轉(zhuǎn)動(dòng)；可以變轉(zhuǎn)動(dòng)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或反之，

12、 可以實(shí)現(xiàn)定角速比傳動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)按一定規(guī)律而變化的變角速比傳動(dòng)。常見(jiàn)的類(lèi)型有平面齒輪傳動(dòng)和空間齒輪傳動(dòng)，平面齒輪傳動(dòng)可分為外嚙合、內(nèi)嚙合兩種。齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)適應(yīng)范圍很廣，它的直徑可以從幾十毫米到二十余米，傳動(dòng)功率可以從幾瓦到幾十萬(wàn)瓦，圓周速度可高達(dá)300m/s：齒輪傳動(dòng)準(zhǔn)確平穩(wěn)、承載能力高，使用壽命長(zhǎng)。齒輪傳動(dòng)的這些優(yōu)點(diǎn)使得齒輪在現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用非常廣泛。2.1.2 軸軸是齒輪箱的一個(gè)重要零件，機(jī)器中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件如齒輪、帶輪等都要安裝在軸上才能實(shí)現(xiàn)其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。軸的功用包括兩個(gè)方面：支撐軸上的零件，并使其有確定的工作位置； 傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。根據(jù)軸的承載情況，軸可分為：轉(zhuǎn)軸、心軸、傳動(dòng)軸三類(lèi)。工

13、作時(shí)既承受 彎矩又承受扭矩的軸稱(chēng)為轉(zhuǎn)軸；用來(lái)支撐回轉(zhuǎn)零件，只承受彎矩而不承受扭矩的軸稱(chēng)為心軸；主要用來(lái)承受扭矩而不承受彎矩或彎矩很小的軸稱(chēng)為傳動(dòng)軸。根據(jù)軸線(xiàn)的幾何形狀，軸可分為直軸和曲軸。齒輪箱中使用的軸一般是轉(zhuǎn)軸。2.1.3 軸承滾動(dòng)軸承是一種標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)部件，它有多種類(lèi)型和規(guī)格以適應(yīng)不同工況的需要。滾動(dòng)軸承的基本結(jié)構(gòu)由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四部分組成。內(nèi)圈通常安裝在軸上，隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈通常安裝在軸承座孔內(nèi)。內(nèi)、外圈具有溝形的滾道，滾動(dòng)體沿著滾道滾動(dòng)。保持 架可以使?jié)L動(dòng)體等距離地分布在軸承內(nèi)。其內(nèi)部圖見(jiàn)圖3.1所示：輸入軸中間軸圖3.1齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由上圖可以看出，齒輪箱的傳動(dòng)部分主

14、要是由兩對(duì)嚙合斜齒輪、輸入軸、中間軸和輸出 軸等零部件構(gòu)成，它們是由箱體和軸承支撐的。2.2 齒輪的數(shù)學(xué)模型2.2.1 一般共軻嚙合齒輪傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程在空間坐標(biāo)系（）中，一個(gè)齒輪有六個(gè)自由度，即沿移動(dòng)和繞這些軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，分別用表示相對(duì)這些軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，用分別表示沿這些軸的位移。這樣，一對(duì)嚙合的齒輪有十二個(gè)自由度，把對(duì)應(yīng)于這些自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、位移用一個(gè)向量的形式表示為:其中j=1,2,分別代表主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪。為研究一對(duì)齒輪嚙合振動(dòng)，建立如圖2.1所示的坐標(biāo)系。坐標(biāo)圓點(diǎn)(j=1,2)，分別取在理想安裝的主、從動(dòng)輪的質(zhì)心,(j=1,2)分別與每個(gè)齒輪的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)重合，并設(shè)與相對(duì)應(yīng)的單元矢量為設(shè)在

15、某一瞬間，同時(shí)有L點(diǎn)參與嚙合（對(duì)于線(xiàn)接觸齒輪，L代表同時(shí)嚙合的齒數(shù)；對(duì)于點(diǎn)接觸齒輪，L代表同時(shí)嚙合的點(diǎn)數(shù)），Pi（f=1L）是各嚙合點(diǎn)的載荷中心（對(duì)于線(xiàn)接觸齒輪， Pi是第i個(gè)同時(shí)嚙合齒輪的載荷分布中心），Pi點(diǎn)在坐標(biāo)系的 位 置 用 矢 徑(j=1 , 2)表示。齒面上Pi點(diǎn)的單位法矢線(xiàn)在o1,o2坐標(biāo)系中分別為,則由振動(dòng)乙導(dǎo)致的只點(diǎn)的幾何變形可表示為:將式(2. 2)整理后的如下形式:設(shè)嚙合點(diǎn)Pi的單元嚙合剛度為，則點(diǎn)的法向力為:是pi點(diǎn)的輪齒單點(diǎn)嚙合剛度在Zj上的分配比例。由此，可將嚙合輪齒的剛度矩陣表示如下：也可以表示如下:為單點(diǎn)（齒）嚙合剛度。同理，阻尼矩陣為嚙合點(diǎn)的阻尼系數(shù)。設(shè)在

16、Pi 點(diǎn)輪齒間的綜合靜態(tài)傳遞誤差為，則由于綜合靜態(tài)傳遞所導(dǎo)致的輪齒嚙合點(diǎn)間的相互作用力為致的嚙合間的作用力向量為:,由于L點(diǎn)同時(shí)嚙合而導(dǎo)如果忽略軸和軸承的影響，根據(jù)牛頓第二定律得空間一對(duì)齒輪的運(yùn)動(dòng)微分方程 為：式（2. 8）是一個(gè)十二個(gè)變量的微分方程組，由于它是從齒輪嚙合的一般原理出發(fā)而建立 起來(lái)的，因此，它適用于漸開(kāi)線(xiàn)齒輪、錐齒輪以及圓弧齒輪等齒輪傳動(dòng)方式。一般情況下， 因?yàn)閗是變化的，并且同時(shí)嚙合的點(diǎn)數(shù)（齒數(shù)）也是變化的，所以，它是一個(gè)變系數(shù)常數(shù)方程。2.2.2 齒輪振動(dòng)的簡(jiǎn)化模型和產(chǎn)生機(jī)理在工程實(shí)際中，分析和求解式 （2. 8）是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，通常對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，認(rèn)為一個(gè)齒

17、輪振動(dòng)系統(tǒng)是由齒輪的質(zhì)量、齒輪的彈簧剛度和傳動(dòng)誤差組成，其簡(jiǎn)化模型如圖2.2所示。在圖2.2所示的系統(tǒng)中，主要影響振動(dòng)及其變化的是齒輪剛度和傳動(dòng)誤差，而在惡劣工 而在惡劣工況下，主要影響振動(dòng)的因素是傳動(dòng)誤差。根據(jù)圖2. 2所示的簡(jiǎn)化模型，可得到齒輪振動(dòng)方程如下：這是一個(gè)扭振形式的運(yùn)動(dòng)微分方程，式中J1 , J2是主、從動(dòng)齒輪的慣性矩;是主、從動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)角（弧度）；W是齒輪齒面上法線(xiàn)方向的力為主、從動(dòng)齒輪的基圓半徑；是主、從動(dòng)齒輪單位齒寬上的扭矩。如果在中考慮摩擦力的影響，則重合度時(shí)，有:其中為嚙合齒間的動(dòng)載荷，i表示嚙合輪齒編號(hào)，為齒面的摩擦系數(shù)，為 壓 力 角是節(jié)點(diǎn)到嚙合點(diǎn)的距離號(hào)表不：一為

18、主動(dòng)齒輪齒根部嚙合，+為主動(dòng)齒輪齒頂部嚙合。從式(2.10)和(2.11)可知，當(dāng)齒輪的設(shè)計(jì)、制造和安裝確定，工作載荷、速度確定之后，各參量也都基本確定。隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的不斷延續(xù)，齒面惡化、損傷開(kāi)始，發(fā)生變化的將主要另外，有些情況下摩擦系數(shù)也將會(huì)增大并產(chǎn)生影響。在正常潤(rùn)滑條件下,值為0.040.08。齒輪動(dòng)載荷是嚙合剛度和傳動(dòng)誤差的函數(shù):為傳動(dòng)誤差函數(shù)，剛度隨嚙合時(shí)間t和彈性變形量x而變化，它是t和x的函數(shù)設(shè)齒輪的等價(jià)質(zhì)量為略去的影響，并以阻尼D作為x的函數(shù),最后合并、代換(2. 9)-(2. 13),從而得到簡(jiǎn)化的齒輪運(yùn)動(dòng)微分方程:因此，考察動(dòng)載荷，最終歸結(jié)為輪齒剛度變化和傳動(dòng)誤差變化的問(wèn)題；

19、一定情況下，摩擦系數(shù)的影響也應(yīng)考慮。2.2.3 齒輪載荷沖擊的周期性輪嚙合是間歇性的， 因此輪齒的承載是脈動(dòng)的，每一輪齒從嚙入開(kāi)始受載，嚙出停止受載；就齒面上某一點(diǎn)來(lái)講也是周期脈動(dòng)的，它遵循赫芝應(yīng)力分布，在接觸區(qū)壓力呈半圓形分布，壓力大小從零開(kāi)始至最大再至零。最大尖峰載荷的頻率，即載荷脈動(dòng)頻率為:上式中，r為載荷脈動(dòng)周期，n為齒輪轉(zhuǎn)速，z為齒輪齒數(shù)。這一載荷脈動(dòng)頻率就是齒輪嚙合頻率；相應(yīng)地，嚙合剛度、傳動(dòng)誤差引起的附加 載荷都是以這個(gè)頻率周期變化的。2.2.4 齒輪的傳動(dòng)誤差假設(shè)齒廓為理想形狀，并且輪齒剛度為絕對(duì)剛性，兩個(gè)齒輪嚙合時(shí)，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)過(guò)角 度， 從動(dòng)輪轉(zhuǎn) 過(guò)角度，如圖 2.3 所示的關(guān)

20、系是:兩個(gè)相嚙合的齒輪按照 圖2. 3齒輪傳動(dòng)誤差這樣的關(guān)系均勻地回轉(zhuǎn)，但是實(shí)際齒輪不是絕對(duì)剛性的，而且由于各種因素，如齒輪制造誤差、齒面溫升、磨損等等，使得相嚙合的兩個(gè)齒輪相對(duì)角速度不均勻，從動(dòng)輪產(chǎn)生角加速度。這時(shí)從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)角為：其中e12是從動(dòng)輪轉(zhuǎn)角的相對(duì)偏差量，稱(chēng)為傳動(dòng)誤差，也叫嚙合誤差，它是一個(gè)綜合誤差。圖2.4是傳動(dòng)誤差的曲線(xiàn)示意圖，其中含有隨輪齒變化的誤差和隨周節(jié)（轉(zhuǎn)速）變化的誤差，下兩條曲線(xiàn)是將這兩種成份分離出來(lái)的情形。這兩種誤差的基頻分別是齒輪嚙合頻率和齒輪所在軸的轉(zhuǎn)頻。軸的轉(zhuǎn)頻成份的誤差反映的是齒輪周節(jié)累積誤差，而嚙合頻率成份的誤差反映的是與齒形有關(guān)的誤差。齒輪運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生惡

21、化，直接反映在齒輪傳動(dòng)誤差上，如齒輪軸的松動(dòng)、偏心、局部齒根疲勞裂紋或斷齒等將影響傳動(dòng)誤差的長(zhǎng)周期（與轉(zhuǎn)頻相關(guān)）誤差成份；齒面發(fā)生過(guò)度磨損、膠合、點(diǎn)蝕等損傷時(shí)，傳動(dòng)誤差的短周期（與齒輪嚙合頻率相關(guān)）成份加大，所有這些都使動(dòng)載荷加大，振動(dòng)也相應(yīng)加大。2.2.5 輪齒的嚙合剛度從齒輪振動(dòng)分析可以看出，輪齒的彈簧剛度的周期變化對(duì)齒輪嚙合振動(dòng)的影響極大。輪齒彈簧剛度的周期變化使系統(tǒng)的平移和回轉(zhuǎn)振動(dòng)具有相應(yīng)的周期性波動(dòng)，其振動(dòng)能量經(jīng)軸、軸承傳到齒輪箱箱體上。直齒輪的嚙合剛度隨時(shí)間變化情況如圖2.5(a)所示；斜齒輪的情況如圖2.5(b)所示；與直齒輪相比，斜齒輪重合度大，其嚙合剛度波動(dòng)較平緩，波形近似正

22、弦波。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知：在相同的精度和工況下，斜齒輪傳動(dòng)的振動(dòng)比直齒輪傳動(dòng)的小，輻射的噪聲也較小。通常情況下輪齒的剛度是穩(wěn)定的，當(dāng)齒根疲勞裂紋產(chǎn)生時(shí)， 在嚙合過(guò)程中輪齒剛度會(huì)發(fā)生瞬時(shí)的變動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)低頻脈沖；當(dāng)齒輪發(fā)生損傷時(shí)，如膠合、過(guò)度磨損等，輪齒副度也 將發(fā)生變化，這一變化也會(huì)在振動(dòng)信號(hào)中反映出來(lái)。3、齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷判斷齒輪、軸、滾動(dòng)軸承和箱體在工作時(shí)的狀態(tài)，判斷它們是否正常工作，從而判斷其狀態(tài)情況。3.1齒輪箱的振動(dòng)測(cè)量1) 測(cè)點(diǎn)選擇以及布置位置齒輪箱故障診斷時(shí)測(cè)點(diǎn)的選擇是很重要的，一般在軸承座附近是最合適的。 在對(duì)齒輪箱進(jìn)行故障診斷中，首先需要確定監(jiān)測(cè)齒輪箱的哪些部位，之后就是監(jiān)

23、測(cè)點(diǎn)的選擇問(wèn) 題。選擇最佳的測(cè)點(diǎn)并采用合適的監(jiān)測(cè)方法是獲取設(shè)各運(yùn)行狀態(tài)信息的重要條件。盡可 能避免多層相隔，以減少振動(dòng)信號(hào)在傳遞過(guò)程中因中間環(huán)節(jié)造成的能量衰減；測(cè)量點(diǎn)必 須要有足夠的剛度。因?yàn)辇X輪箱屬于非高速旋轉(zhuǎn)體，所以以測(cè)軸承的振動(dòng)為主。為了保 持每次測(cè)定位置不變，最好的辦法是對(duì)各測(cè)點(diǎn)做出標(biāo)記。真實(shí)而充分地監(jiān)測(cè)到足夠數(shù)量 的能夠客觀地反映設(shè)各運(yùn)行工況的信號(hào)是診斷成功與否的先決條件，而測(cè)量點(diǎn)選擇的正 確與否，關(guān)系到能否對(duì)設(shè)備故障做出正確的診斷。另外，還應(yīng)注意測(cè)定部位的表面應(yīng)是光滑潔凈的，避免臟物對(duì)振動(dòng)傳遞造成衰減。齒輪發(fā)生的異常是各種各樣的，發(fā)生最大振動(dòng)的方向也各不相同，因此一般應(yīng)盡可能地沿水

24、平、垂直和軸向三個(gè)方向進(jìn)行測(cè)定。 本實(shí)驗(yàn)根據(jù)前面的分析設(shè)計(jì)了測(cè)點(diǎn)的位置，如圖3.2所示：圖3.2齒輪箱測(cè)點(diǎn)布置示意圖如3.2圖所示，一共選取了六個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置了六個(gè)加速度傳感器，測(cè)點(diǎn)具體如下：1測(cè)點(diǎn)：設(shè)在箱體輸入軸（一軸）的右軸承座處，測(cè)量垂直一軸的豎直平面振動(dòng)。2測(cè)點(diǎn)：設(shè)在箱體中間軸（二軸）的右軸承座處，測(cè)量垂直一軸的豎直平面振動(dòng)。3測(cè)點(diǎn)：設(shè)在箱體輸出軸（三軸）的右軸承座處，測(cè)量垂直一軸的豎直平面振動(dòng)。4測(cè)點(diǎn)：設(shè)在箱體左側(cè)后齒輪（即與第二軸嚙合齒輪）處，測(cè)量垂直于中間軸的水平平面內(nèi)的振 動(dòng)。5測(cè)點(diǎn)：設(shè)在箱體左側(cè)二軸軸承處，測(cè)量垂直于二軸的水平平面內(nèi)的振動(dòng)。6測(cè)點(diǎn)：設(shè)在箱體上蓋左前側(cè)二軸軸承處，

25、測(cè)量垂直于二軸的豎直平面內(nèi)的振動(dòng)。2）測(cè)量參數(shù)齒輪發(fā)生的振動(dòng)中， 包含有固有頻率、齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率及輪齒嚙合頻率等成分，其頻帶較寬。對(duì)這種寬帶頻率成分的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷時(shí)，一般情況下應(yīng)將所測(cè)的振動(dòng)按頻帶分級(jí)，然后根據(jù)不同的頻率范圍選擇相應(yīng)的測(cè)量參數(shù)。通常在進(jìn)行振動(dòng)測(cè)定時(shí)選用加速度傳感器，再通過(guò)積分電路轉(zhuǎn)換或所需的測(cè)量參數(shù)。齒輪箱各齒輪的嚙合狀況如圖 3.3 所示，各齒輪的齒數(shù)：Z1 =30, Z2 =69, Z3=18, Z4 =81,故齒輪的傳動(dòng)比為：第一級(jí)C1= 2.3,第二級(jí)C2 =4.5,總傳 動(dòng)比 C =10.35。輸入軸6測(cè)*1測(cè)點(diǎn)中間軸5測(cè)點(diǎn)1測(cè)點(diǎn)2測(cè)點(diǎn)輸出軸3測(cè)點(diǎn)fr 25H

26、z齒輪箱中齒輪及軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率6。，其中n是齒輪軸的轉(zhuǎn)數(shù)；齒輪的嚙合頻率fm 晝fc16。，z是齒輪的齒數(shù)；齒輪的固有頻率2 m。輸入軸轉(zhuǎn)頻可直接通過(guò)計(jì)算變f2rf 中 r型 10.87Hz頻器的輸入值得到，即f2r 25HZ；中間軸轉(zhuǎn)頻為cl；輸出軸轉(zhuǎn)頻為,f2rfir 一匚 2.42HzCl c2; Z1 , Z2齒輪的嚙合頻率為fz fr z 750Hz ； Z3, Z4齒輪的嚙合頻率為 195.66Hz 。3.2系統(tǒng)硬件組成系統(tǒng)硬件由四部分組成：傳感器、信號(hào)調(diào)理箱、轉(zhuǎn)接端子、A/D采集卡，結(jié)構(gòu)框圖如圖3.4所示：6個(gè)加速度傳感器圖3.4系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)成3.2.1 傳感器的功能在所選擇的測(cè)

27、點(diǎn)上安裝振動(dòng)傳感器，來(lái)采集能表示齒輪箱運(yùn)行狀況的振動(dòng)信號(hào)。它的作用是把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械振動(dòng)量（位移、速度加速度）準(zhǔn)確無(wú)誤地接受下來(lái)，并將此機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電流或電壓）輸出或顯示出來(lái)。從能量的觀點(diǎn)來(lái)看，振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)了將機(jī)械能到 電能的轉(zhuǎn)換。目前，在設(shè)備振動(dòng)診斷中，壓電式加速度傳感器是應(yīng)用最多，最普遍的一種傳感器，約占目前所使用的各種加速度傳感器的80%。它的許多特性是其他類(lèi)型的傳感器不能達(dá)到或者不能取代的，這種傳感器在制造技術(shù)方面也相當(dāng)成熟。本系統(tǒng)中所用的傳感器為美國(guó)PCB的產(chǎn)品，型號(hào)為608A11 ,如圖3.5所示：其主要參數(shù)指標(biāo)：靈敏度：100mV/g,量程：50g pk,頻響：0.5-

28、10kHz ,寬帶噪聲：350ug,接頭類(lèi) 型：頂端集成電纜加速度傳感器安裝在同步齒輪箱預(yù)先鉆好的螺孔內(nèi)，并要求定期的進(jìn)行檢查傳感器是否松動(dòng)，若發(fā)現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象要及時(shí)擰緊，不然將影響檢測(cè)質(zhì)量。另外從控制柜引線(xiàn) 的端子要定期檢查，防止松動(dòng)，以免影響控制系統(tǒng)的正常工作。圖 3.5 608A11根據(jù)所選擇測(cè)點(diǎn)位置， 將傳感器安裝固定好，再將由傳感器檢測(cè)出的信號(hào)通過(guò)電纜傳送到工作室，并用自制的信號(hào)調(diào)理儀進(jìn)行濾波，放大等處理。3.2.2 信號(hào)調(diào)理箱的功能本系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理箱的主要功能：a）對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波、選頻和放大，振動(dòng)信號(hào)的放大倍數(shù)是由 AD卡的數(shù)字I/O口控制的。通過(guò)AD卡的數(shù)字I/O端口在編程之前也應(yīng)

29、該與模擬輸入端口 一樣進(jìn) 行配置，由I/O 口傳出的數(shù)字量在調(diào)理箱里轉(zhuǎn)化為電壓值，從而對(duì)調(diào)理儀進(jìn)行 控制，因此輸出電壓的范圍與截止頻率之間滿(mǎn)足一個(gè)線(xiàn)性關(guān)系，在編程中應(yīng)對(duì)好1-100HZ截止頻率以及1倍、10倍、100吾三種放大倍數(shù)與各數(shù)字量之間的關(guān) 系。b）采用的共振解調(diào)技術(shù)，使 AD卡能直接采集到振動(dòng)信號(hào)的共振解調(diào)信號(hào)。共振 解調(diào)技術(shù)能很好的識(shí)別軸承、齒輪的初期故障。3.2.3 轉(zhuǎn)接端子CB-68LP的功能基于采集卡在機(jī)箱內(nèi)部，使用不方便，故相配套一個(gè)轉(zhuǎn)接端子。3.2.4 A/D采集卡的功能美國(guó)NI公司的PCI6220數(shù)據(jù)采集卡有16路模擬輸入，如圖3.6所示，引腳如圖3.7所示。 其功能性能參數(shù)有：a）分表率：16-Bit,采樣率：250kS/s, 16路模擬輸入；b） 24路數(shù)字I/O; 32位計(jì)數(shù)器；c）數(shù)字觸發(fā)功能；d）相關(guān)的DIO （8時(shí)鐘,1MHZ）;e） NI-MCal校準(zhǔn)支持；f） NI-DAQmx測(cè)試軟件和硬件配置程序支持；g） NIST-校準(zhǔn)證書(shū)和多余70種的信號(hào)調(diào)理模塊選擇。圖3.6 PCI6220采集卡AID 及心。Ml ”30 Alii 川2流 MilA