齒輪箱故障診斷的研究畢業(yè)論文

1、畢業(yè)論文聲明本人鄭重聲明:.此畢業(yè)論文是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究取得的成果。 除了特別加以標(biāo)注地方外，本文不包含他人或其它機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò) 的研究成果。對(duì)本文研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人與集體均已在文中作了明確 標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。.本人完全了解學(xué)校、學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意 學(xué)校與學(xué)院保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交此論文的復(fù)印件和電子版， 允許此文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)學(xué)院可以將此文的全部或部分內(nèi)容 編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和 匯編本文。.若在大學(xué)學(xué)院畢業(yè)論文審查小組復(fù)審中，發(fā)現(xiàn)本文有抄襲，一切 后果均

2、由本人承擔(dān)，與畢業(yè)論文指導(dǎo)老師無(wú)關(guān)。.本人所呈交的畢業(yè)論文，是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取 得的成果。論文中凡引用他人已經(jīng)發(fā)布或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等， 均已明確注明出處。論文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，不包含任何其他個(gè)人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。 對(duì)本文的研究成果做出重要貢獻(xiàn)的 個(gè)人和集體，均已在論文中已明確的方式標(biāo)明。學(xué)位論文作者（簽名）：年 月關(guān)于畢業(yè)論文使用授權(quán)的聲明本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的資料（包括圖紙、實(shí) 驗(yàn)記錄、原始數(shù)據(jù)、實(shí)物照片、圖片、錄音帶、設(shè)計(jì)手稿等），知識(shí)產(chǎn)權(quán) 歸屬華北電力大學(xué)。本人完全了解大學(xué)有關(guān)保存，使用畢業(yè)論文的規(guī)定。同意學(xué)校保存或

3、向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的紙質(zhì)版或電子版，允許論文被查閱或借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文的全部或部分內(nèi)容編 入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用任何復(fù)制手段保存或編匯本畢業(yè)論文。 如果發(fā)表相關(guān)成果，一定征得指導(dǎo)教師同意，且第一署名單位為大學(xué)。本 人畢業(yè)后使用畢業(yè)論文或與該論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，第一署名單位仍然為大學(xué)。本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的 規(guī)定，同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保 存或匯編本學(xué)位論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本學(xué)位論文全文或 者部分

4、的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或者機(jī)構(gòu)送交論 文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué) 位論文的全部或部分內(nèi)容編入學(xué)校有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)和收錄到中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息服務(wù)。在不以贏利為目的的前提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù) 制論文的部分或全部?jī)?nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。論文作者簽名：日期：日期:指導(dǎo)教師簽名:?？茖W(xué)生畢業(yè)論文齒輪箱故障診斷的研究年六月College student graduation thesisGearbox Fault Diagnosis Of ResearchCandidate: Lu YaoSpecialty : Electromechanical

5、integrationClass： Z08-2Supervisor: Associate Prof. Ma WuxueHeilongjiang Institute of Technology2011-06 Harbin黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械設(shè)備向著高性能、高效率、高自動(dòng)化和高靠 性的方向發(fā)展。齒輪箱由于具有傳動(dòng)比固定、傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是用于 改變轉(zhuǎn)速和傳遞動(dòng)力的最常用的傳動(dòng)部件，是機(jī)械設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，也是故 障易于發(fā)生的一個(gè)部件，具運(yùn)行狀態(tài)對(duì)整機(jī)的工作性能有很大的影響。它的損傷和失 效常常導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)或整機(jī)的故障，從而導(dǎo)致重大安全事故

6、。本文首先從齒輪箱故障定義出發(fā)分別介紹了齒輪箱各個(gè)部位在出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么樣的征兆和現(xiàn)象。然后從齒輪的角度出發(fā)，介紹了齒輪箱中齒輪在日常工作中會(huì)出現(xiàn)哪些故障和發(fā)生 故障時(shí)所出現(xiàn)的現(xiàn)象以及解決方法。其次從齒輪產(chǎn)生故障時(shí)的調(diào)制現(xiàn)象和邊頻帶分布 特點(diǎn)進(jìn)行研究。找到相應(yīng)的解決辦法最后介紹了時(shí)域和頻域以及小波分析在齒輪箱故 障診斷中的應(yīng)用。以及我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)風(fēng)電齒輪箱的現(xiàn)狀 進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞:時(shí)域、頻域、風(fēng)電黑龍江工程學(xué)院專科生畢業(yè)論文ABSTRACTAlong with the development of science and technology, mechanica

7、l equipment toward high performance, high efficiency, high automation and high depend Sexual direction. Gearbox due to its ratio fixed, transmission torque, compact structure etc, and is used to change speed and transmit power transmission components of the most commonly used mechanical equipment, i

8、s an important part of the fault, is prone to a component of the machine, the operation state of the working performance has very big effect. Its damage and failure often led to drive system or machines fault, resulting in serious accidents.This paper from the gearbox fault definition respectively i

9、ntroduces gearbox each place in malfunctionW川 appear what kind of warning signs and phenomena.Then from the Angle of gears, introduces the gearbox of gear in daily work will appear what faults and fault phenomena, and what happen solutions. Second gear noise fault from the modulation phenomenon and

10、edge band distribution characteristics were studied. Find the corresponding solution and finally introduces the time domain and frequency domain and wavelet analysis in gearbox fault diagnosis of application. And the development of wind power in China, and the present situation and development trend

11、 of wind power gearbox status were introduced.Key words : for time domain .for frequency domain, the wind power.II黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文目 錄 TOC o 1-5 h z 摘要 IABSTRACT I I HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第1章緒論 1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 選題的背景 1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Docu

12、ment 研究的目的與意義 1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第2章齒輪箱故障診斷的內(nèi)涵 3 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 齒輪箱故障的定義 3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 齒輪箱故障診斷目的和意義 3 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 齒輪箱常見(jiàn)的故障形式及分類 3齒形誤差 3齒

13、輪均勻磨損 4軸不對(duì)中 4斷齒 4箱體共振 4軸輕度彎曲 4軸嚴(yán)重彎曲 4軸不平衡 4軸向竄動(dòng) 4軸承疲勞剝落和點(diǎn)蝕 5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 齒輪箱常見(jiàn)故障征兆 5齒輪箱在性能方面的故障征兆 5設(shè)備在外觀方面的故障征兆 5 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 齒輪箱故障診斷發(fā)展歷程 6機(jī)理研窮 6信號(hào)處理技術(shù) 6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 本章小結(jié) 6黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 TOC o 1-5 h z HYPERLINK

14、 l bookmark32 o Current Document 第3章 齒輪箱中齒輪故障診斷及機(jī)理 8 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 齒輪震動(dòng)機(jī)理機(jī)器故障信號(hào)的組成 8齒輪常見(jiàn)故障 8齒輪震動(dòng)機(jī)理 11 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 齒輪箱日常的清理和維護(hù) 15 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 本章小結(jié) 16 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 第4章齒輪箱中齒輪故障診斷及調(diào)制現(xiàn)象 17

15、 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 齒輪產(chǎn)生故障時(shí)的調(diào)制現(xiàn)象和邊頻帶分布特點(diǎn) 17齒輪振動(dòng)信號(hào)的嚙合頻率及其各次諧波 18齒輪振動(dòng)信號(hào)的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象 18齒輪振動(dòng)信號(hào)的齒輪固有頻率的調(diào)制現(xiàn)象 18箱體固有頻率調(diào)制現(xiàn)象 19 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 激振能量對(duì)不同調(diào)制振動(dòng)的影響 19 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 齒輪振動(dòng)信號(hào)中的其他成分 20 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 齒

16、輪箱沖擊振動(dòng)的幾種基本形式 20 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 本章小結(jié) 21 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 第5章齒輪箱故障方法理論研究 22 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 時(shí)域、頻域分析 22 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 小波分析 23 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 傅里葉變換與小波變換 25基本概念 25離散化的處理 2

17、5快速算法 26時(shí)頻分析 26壓縮、消噪、特征提取 26 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 本章小結(jié) 27 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 第6章 齒輪箱在我國(guó)風(fēng)力發(fā)電卜的重要作用 27 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 我國(guó)風(fēng)電齒輪箱現(xiàn)狀 27 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 28 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 國(guó)外風(fēng)

18、力發(fā)電現(xiàn)狀 29黑龍江工程學(xué)院?？粕厴I(yè)論文 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 本章小結(jié) 29結(jié)論 30 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 參考文獻(xiàn) 31致謝 33附錄 33第1章緒論選題的背景齒輪箱作為機(jī)械設(shè)備中一種必不可少的連接和傳遞動(dòng)力的通用零部件，在金 屬切削機(jī)床、航空、電力系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、冶金機(jī)械等現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備 中得到了廣泛的應(yīng)用。在今天科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，機(jī)械裝備向著大型化、 高效率、自動(dòng)化和高性能的方向發(fā)展，作為傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的齒輪裝置幾乎

19、在大 型設(shè)備中都具有重要的作用。但由于其本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣等原因，齒輪箱容易受到損害和出現(xiàn)故障。齒輪失效又是誘發(fā)機(jī)器故障的重要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳動(dòng)機(jī)械中80%的故障是由齒輪引起的，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中齒輪故障占其故障的10%左右。齒輪故障將直接影響設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，降低加工精度和生產(chǎn)效率。隨著設(shè)備的不斷大型化、高速化、復(fù)雜化、自動(dòng)化和連續(xù)化，齒輪箱的故障和失效給整個(gè)生產(chǎn)和社會(huì)造成的 損失將越來(lái)越大，行駛中汽車的齒輪箱將直接造成人身傷亡； 而一些處于連貫工 作狀態(tài)的設(shè)備，如電力行業(yè)的發(fā)電機(jī)組、 鋼鐵行業(yè)的軋輾機(jī)組，由于齒輪箱的意 外故障造成的停機(jī)停產(chǎn)的損失難以估計(jì)。 我國(guó)的水泥行業(yè)，水泥磨齒輪箱故

20、障使 水泥產(chǎn)量每年減少200萬(wàn)噸以上。我國(guó)某科學(xué)測(cè)量船在一次航行中發(fā)生主減速器傳動(dòng)齒輪局部折斷，只得被迫 減速航行，以致整個(gè)船隊(duì)的行動(dòng)受到影響。十年前，一家很有聲望的美國(guó)齒輪公 司所生產(chǎn)的提升機(jī)，在進(jìn)行建筑物外表清潔作業(yè)時(shí)齒輪箱輪齒發(fā)生斷裂，造成清潔工人從高空墜落，這一事故的發(fā)生使這家公司的產(chǎn)品質(zhì)量信譽(yù)受到了很大的影 響。1986年10月，一架英國(guó)斯威士蘭公司的直升機(jī)在英國(guó)北海油田上空?qǐng)?zhí)行任 務(wù)時(shí)，傳輸動(dòng)力的齒輪突然斷裂，造成飛機(jī)失事例。研究的目的與意義齒輪箱的故障診斷技術(shù)是建立在多個(gè)學(xué)科基礎(chǔ)之上的交叉學(xué)科，綜合了機(jī)械、力學(xué)、電子、數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的基本理論，具有工程應(yīng)用性強(qiáng)、技術(shù) 基

21、礎(chǔ)可靠、與高技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)的特點(diǎn)。采用這一先進(jìn)技術(shù)對(duì)齒輪及齒輪箱進(jìn) 行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，可實(shí)現(xiàn)齒輪箱由事后維修、定期維修到視倩維修的根本 轉(zhuǎn)變，減少一些不必要的經(jīng)濟(jì)損失， 從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益， 具有 重大的意義。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀早在一個(gè)世紀(jì)前，人們就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)齒輪箱的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行研究。但直到20世紀(jì)60年代中期，齒輪的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題才成為評(píng)價(jià)一個(gè)齒輪裝置好壞的重要因素，引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。 英國(guó)學(xué)者H. Optiz在1968年就齒輪振 動(dòng)與噪聲的機(jī)理，發(fā)表了一些著名的研究曲線，闡述了齒輪箱的振動(dòng)和噪聲是傳 動(dòng)功率和齒輪傳動(dòng)誤差及齒輪精度的函數(shù)。另外，美國(guó)的Buckin

22、gham和彳惠國(guó)的Niemann也對(duì)齒輪箱的振動(dòng)和噪聲提出了自己的見(jiàn)解和看法。20世紀(jì)70年代初開(kāi)始出現(xiàn)了一些簡(jiǎn)單的齒輪箱故障診斷，僅僅限于直接分析測(cè)量一些簡(jiǎn)單的振動(dòng)參數(shù)，如振動(dòng)峰值Pk、均方根值RMS,通過(guò)觀察這些參數(shù)的變化來(lái)掌握齒輪的運(yùn)行狀態(tài)。 為了排除機(jī)器載荷變化的影響，還可采用一 些無(wú)量綱參數(shù)，如峰值系數(shù)CF等。用一些簡(jiǎn)易的方法診斷齒輪和齒輪箱的故障， 雖然取得了一定的成功，但對(duì)齒輪箱故障的診斷靈敏度不高，診斷準(zhǔn)確率很低。從20世紀(jì)70年代末到20世紀(jì)80年代中期，齒輪箱故障診斷的頻域法發(fā)展很快， 其中B. Randall和I . Taylor等人做了很多有益的研究，積累了一些故障診斷

23、 的實(shí)例，對(duì)齒輪磨損和齒斷裂等故障診斷較為成功。在齒輪箱典型故障機(jī)理研究和特征提取方面，由于齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作 環(huán)境一般比較惡劣，各種干擾較大， 涉及問(wèn)題較多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然取得了一定 的成績(jī)，但對(duì)于齒輪和軸的故障機(jī)理研究仍然不夠深入，需要進(jìn)一步的完善和研究。第2章齒輪箱故隙診斷的內(nèi)涵齒輪箱故障的定義一般是指設(shè)齒輪箱失去或降低其規(guī)定功能的事件或現(xiàn)象，表現(xiàn)為它的某些零 件失去原有的精度或性能，使設(shè)備不能正常運(yùn)行、技術(shù)性能降低，致使設(shè)備中斷生產(chǎn)或效率降低而影響生產(chǎn)。設(shè)備在使用過(guò)程中，由于磨擦、外力、應(yīng)力及化學(xué) 反應(yīng)的作用，零件總會(huì)逐漸磨損和腐蝕、斷裂導(dǎo)致因故障而停機(jī)。加強(qiáng)設(shè)備保養(yǎng) 維修，及時(shí)掌

24、握零件磨損情況，在零件進(jìn)入劇烈磨損階段前，進(jìn)行修理更換，就 可防止故障停機(jī)所造成的經(jīng)濟(jì)損失。齒輪箱故障診斷目的和意義齒輪及齒輪箱作為機(jī)械設(shè)備中一種必不可少的連接和傳動(dòng)的通用零部件，在 現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。 可以說(shuō)，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是當(dāng)今世界上應(yīng)用最 為廣泛的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而齒輪又是罪容易損壞的零部件之一。 齒輪箱的故障和 實(shí)效將給整個(gè)生產(chǎn)造成巨大的損失。 因此，對(duì)于齒輪傳動(dòng)中故障診斷的研究具有 非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。也隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)達(dá)，我們對(duì)設(shè)備的精確及各種 耐用性能的要求更加高，所以對(duì)設(shè)備故障的診斷技術(shù)的完備度就更高了。齒輪箱常見(jiàn)的故障形式及分類齒輪箱系統(tǒng)是包含齒輪、傳動(dòng)軸、軸

25、承和箱體結(jié)構(gòu)等的復(fù)雜系統(tǒng)。其中，箱 體結(jié)構(gòu)在整個(gè)系統(tǒng)起支承與密封作用，其出現(xiàn)故障的概率很低，所以，在齒輪箱中，故障主要發(fā)生在齒輪、傳動(dòng)軸和軸承中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，齒輪、軸和滾動(dòng)軸承故障 點(diǎn)齒輪箱故障的90%以上。在齒輪箱的故障診斷中，一般只需給出是否產(chǎn)生故 障和故障發(fā)生的位置。根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，一般常見(jiàn)的典型故障形式有：齒形誤差齒形誤差是指齒輪齒形偏離理想的齒廓線，其中包括制造誤差、安裝誤差和 服役后產(chǎn)生的誤差。這里主要指在齒輪投入使用后產(chǎn)生的齒形誤差， 包括齒面塑性變 形、表面不均勻磨損和表面疲勞等。 斷齒也造成齒形誤差，但由于其振動(dòng)信號(hào)的 特征與這些齒形誤差有著明顯的差異， 所以把它列為單獨(dú)的故

26、障形式，以便于故 障診斷。齒輪均勻磨損齒輪均勻磨損主要是指齒輪投入使用后在嚙合過(guò)程中出現(xiàn)的材料摩擦損傷的現(xiàn)象，主要包括磨粒均勻磨損和腐蝕均勻磨損。齒輪輪齒均勻磨損時(shí)不會(huì)造成嚴(yán)重的齒形誤差，其振動(dòng)信號(hào)的特征也大有判別，所以不歸結(jié)為齒形誤差。軸不對(duì)中軸不對(duì)中主要是指聯(lián)軸器兩端的軸由于設(shè)計(jì)、制造、安裝或者使用過(guò)程中的問(wèn)題，使軸系雖平行但不對(duì)中，造成軸上的齒輪產(chǎn)生分布類型的齒形誤差。振動(dòng) 信號(hào)與單一齒輪齒形誤差不同的是，軸不對(duì)中時(shí)所有軸上的齒輪均會(huì)產(chǎn)生齒形誤 差而導(dǎo)致信號(hào)的調(diào)制現(xiàn)象。斷齒斷齒是一種齒輪的嚴(yán)重故障，主要有疲勞斷齒和過(guò)載斷齒兩種形式，其中大多數(shù)為疲勞斷齒。斷齒時(shí)其振動(dòng)信號(hào)沖擊能量大，不同于

27、齒形誤差和齒輪均勻磨 損。箱體共振箱體共振是由沖擊能量激勵(lì)起齒輪箱箱體的固有頻率而產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。 箱 體共振產(chǎn)生很大的沖擊振動(dòng)能量， 是一種非常嚴(yán)重的故障，一般是由箱體的外部 激勵(lì)而引起的。軸輕度彎曲齒輪箱中軸也經(jīng)常產(chǎn)生故障。當(dāng)軸產(chǎn)生輕度彎曲時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致該軸上的齒輪 產(chǎn)生齒形誤差。與單一齒輪齒形誤差故障不同的是，軸彎曲時(shí)該軸上所有齒輪均 會(huì)產(chǎn)生較大的齒形誤差。軸嚴(yán)重彎曲軸嚴(yán)重彎曲是齒輪箱的一種較為嚴(yán)重的故障形式。當(dāng)軸發(fā)生嚴(yán)重彎曲時(shí)，時(shí) 產(chǎn)生較大沖擊能量，造成嚴(yán)重的后果，其振動(dòng)信號(hào)也不同于輕度彎曲。軸不平衡軸不平衡是齒輪箱中軸的種典型故障。 所謂不平衡，是指軸由于偏心的存在 而引起的不平衡的振

28、動(dòng)，這種偏心可以是由于制造、安裝和投入使用后的變形產(chǎn) 生。當(dāng)產(chǎn)生軸不平衡時(shí)，在齒輪傳動(dòng)中也將導(dǎo)致齒形誤差， 但這種故障與單純的 齒形誤差有著明顯的區(qū)別。軸向竄動(dòng)軸向竄動(dòng)主要發(fā)生在使用斜齒輪的情況下，當(dāng)同一軸上有兩個(gè)同時(shí)參與嚙 合的斜齒輪，而軸向又沒(méi)有很好的定位與鎖定裝置時(shí)， 有時(shí)就會(huì)發(fā)生軸向竄動(dòng)現(xiàn) 象，這主要是由于其軸向受力不平衡造成的。 軸向竄動(dòng)將嚴(yán)重影響齒輪傳動(dòng)精度 和平衡性，還可能造成齒輪輪齒端面的沖擊磨損，是一種較為嚴(yán)重的故障。軸承疲勞剝落和點(diǎn)蝕齒輪箱中滾動(dòng)軸承的典型故障為內(nèi)、外環(huán)和滾動(dòng)體的疲勞剝落和點(diǎn)蝕。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)、外環(huán)和滾動(dòng)體在接觸過(guò)程中會(huì)發(fā)生機(jī)械沖擊， 產(chǎn)生被稱為沖擊脈沖 變動(dòng)

29、幅度較大的力。齒輪箱中滾動(dòng)軸承發(fā)生故障時(shí)，其能量較齒輪產(chǎn)生的振動(dòng)能 量小得多，因而是診斷的難點(diǎn)之一。齒輪箱常見(jiàn)故障征兆齒輪箱在性能方面的故障征兆常指設(shè)備的工作狀況突然出現(xiàn)不正?，F(xiàn)象，這是最常見(jiàn)的故障癥狀。例如：設(shè)備啟動(dòng)困難、啟動(dòng)慢，甚至不能啟動(dòng)。設(shè)備突然自動(dòng)停機(jī)。設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中功率 不足、速率降低、生產(chǎn)效率降低。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中突然緊急制動(dòng)失靈、失效等。 這種故障的征兆比較明顯，所以容易察覺(jué)。2、過(guò)熱高溫一種原因是冷卻系統(tǒng)有問(wèn)題，是缺冷卻液或冷卻泵不工作。如果是齒輪、軸 承等部位過(guò)熱，多半是因?yàn)槿睗?rùn)滑油所導(dǎo)致。油、水溫度過(guò)高或過(guò)低。設(shè)備過(guò)熱 現(xiàn)象有時(shí)可以通過(guò)儀表板、警示燈直接反映出來(lái)，但有時(shí)需

30、要進(jìn)行溫度點(diǎn)檢才能 檢查出來(lái)。3、油、氣消耗過(guò)量潤(rùn)滑油、冷卻水消耗過(guò)多，表明設(shè)備有些部位技術(shù)狀況 惡化，有出現(xiàn)故障的可能。壓縮氣體的壓力不正常等。4、潤(rùn)滑油出現(xiàn)異常潤(rùn)滑油變質(zhì)較正常時(shí)間要快，可能與溫度過(guò)高等有關(guān)系。潤(rùn)滑油中金屬顆粒 較多，一般與軸承等摩擦量有關(guān)，可能需要更換軸承等磨損件。5、電學(xué)效應(yīng)電阻、導(dǎo)電性、絕緣強(qiáng)度和電位等變化。設(shè)備在外觀方面的故障征兆1、異常響聲、異常振動(dòng)設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的非正常聲響， 是設(shè)備故障的“報(bào)警器”。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò) 程中振動(dòng)劇烈。2、跑冒滴漏設(shè)備的潤(rùn)滑油、齒輪油、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系油液、制動(dòng)液等出現(xiàn)滲漏。壓縮空氣等出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，有時(shí)可以明顯地聽(tīng)到漏氣的聲音。循環(huán)冷卻水

31、等滲漏。3、有特殊氣味電動(dòng)機(jī)過(guò)熱、潤(rùn)滑油竄缸燃燒時(shí)，會(huì)發(fā)散發(fā)出一種特殊的氣味。電路短路、 搭鐵導(dǎo)線等絕緣材料燒毀時(shí)會(huì)有焦堀味。橡膠等材料發(fā)出燒焦味。齒輪箱故障診斷發(fā)展歷程目前的齒輪箱故障診斷研究主要集中在震動(dòng)信號(hào)處理與分析、故障機(jī)理研究、典型故障特征的提取、診斷方法研究和人工智能的應(yīng)用幾個(gè)方面。機(jī)理研究故障機(jī)理研究是為了將故障隱患消除在設(shè)計(jì)階段，一般從機(jī)械動(dòng)力學(xué)出發(fā)、 研究故障的原因和效應(yīng)，齒輪箱故障的原因主要有制造誤差、裝配不良、超載、 操作失誤等方面，在齒輪箱的部件實(shí)效中齒輪、軸承所占的比重約為60%口 19% 所以在齒輪箱震動(dòng)的故障診斷主要是齒輪和軸承的故障診斷。齒輪運(yùn)行的主要故障有：齒

32、輪磨損、齒面膠合和擦傷、齒面接觸疲勞和齒斷等。在齒輪箱典型故障機(jī)理研究和特征提取方面， 主要基于震動(dòng)機(jī)理。一般來(lái)說(shuō)， 隨著震動(dòng)能量的不同，齒輪箱震動(dòng)信號(hào)中將產(chǎn)生齒輪合頻率調(diào)制、齒輪固有頻率 調(diào)制、箱體固有頻率調(diào)制、滾動(dòng)軸承外環(huán)固有頻率調(diào)制 4中不同的調(diào)制現(xiàn)象，不 管齒輪正常與否，齒輪合時(shí)其適合頻率總會(huì)出現(xiàn)，但其它頻率。只在齒輪、軸承 或軸出現(xiàn)故障時(shí)才出現(xiàn)。另外，一旦有故障，在和4中頻率附近都將產(chǎn)生軸的旋 轉(zhuǎn)頻率及其諧波的調(diào)制。信號(hào)處理技術(shù)震動(dòng)信號(hào)的處理和分析方法也在突飛猛進(jìn)，早起信號(hào)提取主要借助于傅里葉 變換、計(jì)算量很大，知道FFT出現(xiàn)以后，經(jīng)典信號(hào)分析方法才得到迅猛發(fā)展。然 而傅里葉變換存在

33、頻率成分的分辨率不高、譜圖有畸變、隨機(jī)欺負(fù)明顯不光滑， 不適于段數(shù)據(jù)等缺陷，于是人們重新提出來(lái)分辨率較高的現(xiàn)代譜分析法，如最大譜估計(jì)法、回歸譜估計(jì)法等。小波分析是正在迅速發(fā)展的一種新分析方法，具有良好的時(shí)頻局部化特性和 特別的去噪能力，在故障診斷中得到了廣泛的應(yīng)用并取得了一定的成果。為了得到特殊頻段的分析，小波包分解是比小波分解更精細(xì)的一種分解，目前的應(yīng)用主要集中在小波去噪和早期的故障診斷。本章小結(jié)齒輪是最常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)零件，由于它具有結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，壽命長(zhǎng)，工 作可靠，理論傳動(dòng)比恒定不變和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因而在機(jī)械傳動(dòng)的各個(gè)方面獲 得廣泛應(yīng)用，但齒輪傳動(dòng)也有它的缺點(diǎn)：不能緩和沖擊作用，當(dāng)制

34、造不精確，材 質(zhì)良，熱處理不當(dāng)，使用條件惡劣，安裝不正確時(shí)，往往會(huì)引起較大的振動(dòng)、噪 聲和開(kāi)裂等故障。在齒輪箱的各類零部件中， 齒輪本身產(chǎn)生的故障比例最大，據(jù) 統(tǒng)計(jì)其故障率達(dá)60%,其余零件中的故障率為：軸承占19%,軸占10%,箱體占 7%,緊固件占3%,齒輪箱中零部件的常見(jiàn)失效形式油封占1%t121。齒輪故障 按其振動(dòng)特征來(lái)分類，還可分為分布故障和局部故障。前者分布在一個(gè)齒輪的各 個(gè)輪齒上，如磨損、點(diǎn)蝕等；后者集中于一個(gè)或幾個(gè)齒上，如剝落、磨損，等從 齒輪故障診斷的角度出發(fā)，凡是使齒廓偏離理想形狀和位置的變化， 都屬于齒輪 故障，所以當(dāng)軸或滾動(dòng)軸承產(chǎn)生故障時(shí)，也一定會(huì)影響到齒輪嚙合狀態(tài)，使

35、齒輪 表現(xiàn)出一定的故障形式。第3章 齒輪箱中齒輪故隙診斷及機(jī)理齒輪震動(dòng)機(jī)理機(jī)器故障信號(hào)的組成齒輪常見(jiàn)故障齒輪箱零部件一般包含有齒輪、滾動(dòng)軸承和軸，而且在這三類主要零部件失效 時(shí)產(chǎn)生的故障通常會(huì)互相影響，所以分析齒輪、滾動(dòng)軸承和軸的主要失效形式對(duì) 齒輪箱故障診斷具有重要的意義。通常齒輪投入使用后，由于齒輪制造不良或操作維護(hù)不善，會(huì)產(chǎn)生各種形式 的失效，致使齒輪失去正常功能而失效。失效形式又隨齒輪材料、熱處理、安裝 和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等因素的不同而不同，常見(jiàn)的齒輪失效形式有：齒面磨損、齒面膠合和擦傷、齒面接觸疲勞、彎曲疲勞與斷齒。.齒面磨損齒輪在嚙合過(guò)程中，往往在輪齒接觸表面上出現(xiàn)材料磨擦損傷的現(xiàn)象。凡磨

36、 損量不影響齒輪在預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)具備的功能的磨損，均稱為正常磨損。齒輪正常 磨損的特征是齒面光亮平滑，沒(méi)有宏觀擦傷， 各項(xiàng)公差在允許范圍內(nèi)。如果由于 齒輪用材不當(dāng)，或在接觸面間存在硬質(zhì)顆粒，以及潤(rùn)滑油供應(yīng)不足或不清潔，往往引起齒輪的早期磨損，有微小的顆粒分享出來(lái)，使接觸表面發(fā)生尺寸變化，重量損失，并使齒形改變，齒厚變薄，噪聲增大嚴(yán)重磨損的結(jié)果將齒輪失效。磨損 失效形式可分為：磨粒磨損、腐蝕磨損和齒輪端面沖擊磨損。(1)齒輪磨粒磨損由于潤(rùn)滑油中夾雜直徑大于 30Pm以上的磨粒，或者污物、金屬屑末、塵埃和 砂粒等進(jìn)入齒的工作表面，引起磨粒磨損。 齒輪齒面受到磨粒磨損，沿滑道方向 有細(xì)而均勻的條痕，齒

37、面發(fā)暗。磨粒磨損進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果，會(huì)使齒形改變，齒 厚變薄，甚至出現(xiàn)“刀片”狀齒尖，嚙合間隙增大，傳動(dòng)時(shí)噪聲增大，有時(shí)還由 于齒厚過(guò)薄導(dǎo)致斷齒。磨粒磨損多發(fā)生在齒根、齒項(xiàng)處的滑動(dòng)接觸部位，而在節(jié) 圓處較少發(fā)生。(2)腐蝕磨損腐蝕磨損是以化學(xué)腐蝕作用為主，并伴有機(jī)械磨損的一種損傷形式。當(dāng)潤(rùn)滑 油中含有酸、堿和水等易對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕的化學(xué)物質(zhì)時(shí)， 就會(huì)與齒面發(fā)生化學(xué)反 應(yīng)，由腐蝕導(dǎo)致齒面損傷。化學(xué)腐蝕磨損齒輪的宏觀特征是常呈現(xiàn)有腐蝕麻坑，并在工作齒面上沿滑動(dòng)速度方向呈現(xiàn)出均勻而細(xì)小的磨痕。磨損產(chǎn)物都為紅褐色小片，其中主要成分為三氧化二鐵?；瘜W(xué)腐蝕磨損是由于潤(rùn)滑劑中存在污染物或雜質(zhì)， 與齒輪材料發(fā)生化

38、學(xué)或電化 學(xué)反應(yīng)而引起的，同時(shí)腐蝕部分由于嚙合摩擦和潤(rùn)滑劑的沖刷而脫落，形成化學(xué) 腐蝕磨損。（3）齒輪輪齒端面沖擊磨損齒輪輪齒端面沖擊磨損是變速箱齒輪在換檔時(shí)，輪齒端面經(jīng)常受到?jīng)_擊載荷 而導(dǎo)致齒端面磨損。如果齒輪表面硬度過(guò)低， 則齒端面容易磨損或打毛；硬化層 過(guò)淺，則易被壓碎而暴露出心部軟組織；齒輪心部硬度過(guò)高或金相組織中碳化物 級(jí)別超差，則輪齒尖角處易出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象。.齒面膠合和擦傷齒輪兩嚙合齒面的金屬，發(fā)生膠合磨損是在一定壓力下直接接觸，“焊合”后又有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，金屬?gòu)凝X面上撕落，或從一個(gè)齒面向另一個(gè)齒面轉(zhuǎn)移而引起損 傷的現(xiàn)象，這是一種較嚴(yán)重的磨損形態(tài)。 它通過(guò)接觸面局部發(fā)生粘合，在相對(duì)運(yùn) 動(dòng)

39、下粘合處分離，致使接觸面上有小顆粒被拉拽出來(lái)， 這種過(guò)程反復(fù)進(jìn)行多次而 使齒面發(fā)生破壞。膠合和擦傷一般發(fā)生在重載或高速的齒輪傳動(dòng)中， 主要是由于 潤(rùn)滑條件不合適而導(dǎo)致齒面問(wèn)的油膜破裂。膠合磨損的宏觀特征是齒面沿滑動(dòng)速度方向呈現(xiàn)深、寬不等的條狀粗糙溝 紋，在齒頂和齒根處較為嚴(yán)重，此時(shí)噪聲明顯增大。膠合分為冷粘合和熱粘合。 冷粘合的溝紋比較清晰，熱粘合可能伴有高溫?zé)齻鸬淖兩?。冷粘合撕傷是在重載低速傳動(dòng)的情況下形成的。由于局部壓力很高，表面 油膜破裂，造成輪齒金屬表面直接接觸， 在受壓力產(chǎn)生塑性變形時(shí)，接觸點(diǎn)由于 分子相互的擴(kuò)散和局部再結(jié)晶等原因發(fā)生粘合，當(dāng)滑動(dòng)時(shí)粘合結(jié)點(diǎn)被撕開(kāi)而形成 冷粘合撕傷

40、。熱粘合撕傷通常是在高速或重載中速傳動(dòng)中， 由于齒面接觸點(diǎn)局部 溫度升高，油膜及其他表面膜破裂，表面金屬熔合而后又撕裂形成的。 新齒輪未經(jīng)摩合時(shí)，也常常在某一局部產(chǎn)生膠合現(xiàn)象，使齒輪擦傷。.齒面接觸疲勞（點(diǎn)蝕、剝落）齒輪在嚙合過(guò)程中，既有相對(duì)滾動(dòng)，又有相對(duì)滑動(dòng)。這兩種力的作用使齒輪 表面層深處產(chǎn)生脈動(dòng)循環(huán)變化的切應(yīng)力，在交變應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生微觀的疲勞裂 紋。潤(rùn)滑油進(jìn)入裂紋后，在嚙合過(guò)程中將裂紋封閉和擠壓， 潤(rùn)滑油在高壓下促使 疲勞裂紋蔓延和擴(kuò)展，就將齒表面的金屬微粒剝落下來(lái)，形成許多麻點(diǎn)（凹坑），這種破壞方式稱為“點(diǎn)蝕”。如果表面的疲勞裂紋擴(kuò)展得較深、較遠(yuǎn)，將許許多 多麻點(diǎn)連接起來(lái)，造成大塊金

41、屬脫落，這種現(xiàn)象就稱為“剝落剝落和點(diǎn)蝕的形成機(jī)理相同，無(wú)本質(zhì)區(qū)別，只是程度不同而已。其損壞形式有麻點(diǎn)疲勞剝落、淺層疲勞剝落和硬化層疲勞剝落三種。(1)麻點(diǎn)疲勞剝落齒輪在接觸應(yīng)力作用下，工作表面呈痘斑、片狀的疲勞損傷，稱為麻點(diǎn)疲勞 剝落。麻點(diǎn)疲勞剝落又分初始麻點(diǎn)(非擴(kuò)展性的)和破壞性麻點(diǎn)(擴(kuò)展性的)。初始 麻點(diǎn)是由于齒面存在微小的加工誤差，表面不平，接觸不均勻，齒輪在正常工作載荷作用下，使表面局部產(chǎn)生了高出材料疲勞極限的應(yīng)力， 經(jīng)過(guò)一段循環(huán)次數(shù)后 產(chǎn)生疲勞剝落，形成深度小于 0. 1mm直徑小于lmm的細(xì)小麻點(diǎn)。破壞性麻點(diǎn) 是在接觸應(yīng)力圈套，循環(huán)次數(shù)較多的情況下， 初始麻點(diǎn)中產(chǎn)生的次生裂紋，發(fā)展

42、 成剝落面積較大、較深的剝落坑，麻點(diǎn)深度一般約小于0. 4mm麻點(diǎn)剝落過(guò)程如圖(圖1)所示：齒輪齒面在滾動(dòng)帶滑動(dòng)的接觸過(guò)程中，因表面凹凸不平，表面 摩擦較大，在受擠壓時(shí)，表面部分地被壓平，形成小的表面折疊，其尖端處產(chǎn)生 應(yīng)力集中，在反復(fù)切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生局部塑性變形而導(dǎo)致裂紋形成。在有潤(rùn)滑情況下，由于毛細(xì)管作用使?jié)櫥瓦M(jìn)入裂縫，當(dāng)齒輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，高壓油擠入裂縫， 形成油楔。在油楔反復(fù)交變沖擊作用下， 裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，同時(shí)在裂紋頂端受到 垂直彎曲應(yīng)力作用，最終形成麻點(diǎn)剝落。(2)淺層疲勞剝落比麻點(diǎn)剝落大而深的接觸疲勞損傷稱為淺層疲勞剝落，呈鱗片狀，通常坑深約O. 4mm但在硬化層深度以內(nèi)。這種剝落常

43、發(fā)生在齒輪表面粗糙度低、相對(duì)摩擦 力小的場(chǎng)合。(3)硬化層疲勞剝落經(jīng)表面強(qiáng)化處理的齒輪在工作過(guò)程中出現(xiàn)大塊狀剝落，深度達(dá)到硬化層過(guò)渡 區(qū)，稱為硬化層疲勞剝落。它是表面硬化齒輪嚴(yán)重剝落的一種形式。軟齒面不易 出現(xiàn)這類損傷現(xiàn)象。實(shí)踐證明，點(diǎn)蝕一般都發(fā)生在靠近節(jié)線的齒根部分。局部性 點(diǎn)蝕現(xiàn)象并不危險(xiǎn)，齒輪實(shí)際上還能繼續(xù)長(zhǎng)期工作，這種局部性點(diǎn)蝕是由于存在 齒面局部突起部分，在突起部分上面開(kāi)始隨的載荷很高，因而發(fā)生強(qiáng)烈點(diǎn)蝕， 但 局部點(diǎn)蝕結(jié)果使原來(lái)不傳遞載荷的表面也參加工作，因而使突起表面上接觸應(yīng)力 下降，這種局部點(diǎn)蝕也就停止發(fā)展。發(fā)生點(diǎn)蝕的面積率是與負(fù)荷的反復(fù)次數(shù)有關(guān) 的，據(jù)日本橫山正明等人的研究統(tǒng)計(jì)

44、， 當(dāng)負(fù)荷循環(huán)次數(shù)超過(guò)107次以后，點(diǎn)蝕面 積率就急劇上升。實(shí)驗(yàn)顯示，潤(rùn)滑油有促進(jìn)疲勞裂紋的成長(zhǎng)和產(chǎn)生麻斑的作用， 潤(rùn)滑油的黏度愈低，油量愈充裕，則點(diǎn)蝕現(xiàn)象愈嚴(yán)重，因此，點(diǎn)蝕是閉式傳動(dòng)最 普遍的破壞方式。對(duì)于開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，由于潤(rùn)滑油不夠充分，并且存在磨料性碎屑，因而磨損總是先于點(diǎn)蝕的。.彎曲疲勞與斷齒輪齒承受載荷，如同懸臂梁，其根部受到脈動(dòng)循環(huán)的彎曲應(yīng)力作用。當(dāng)這種 周期性的應(yīng)力過(guò)高時(shí)，會(huì)在根部產(chǎn)生裂紋，并逐漸擴(kuò)展。當(dāng)剩余部分無(wú)法承擔(dān)外 載荷時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷齒。在齒輪工作中，由于嚴(yán)重的沖擊和過(guò)載接觸線上的過(guò)分 偏載以及材質(zhì)不均都可能引起斷齒。對(duì)于齒輪的彎曲疲勞，診斷的重點(diǎn)應(yīng)放在裂 紋擴(kuò)展期。這方

45、面已經(jīng)有了一些成功的實(shí)例。 常見(jiàn)的斷齒形式有整個(gè)輪齒沿齒根 的彎曲疲勞斷裂、輪齒局部斷裂和輪齒出現(xiàn)裂紋等。 齒輪輪齒彎曲疲勞斷口特征 有明顯的三個(gè)區(qū)域：裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終瞬斷區(qū)。.軸不平衡、不對(duì)中和彎曲不論工藝和加工精度多高，齒輪箱中的軸都會(huì)有不平衡產(chǎn)生， 但是只要不平衡 量控制在一定的范圍，就不會(huì)對(duì)齒輪箱的正常運(yùn)行工況產(chǎn)生影響。 但是如果不平 衡量超過(guò)一定的限度，就會(huì)對(duì)齒輪箱的正常運(yùn)行工況產(chǎn)生較大的影響， 嚴(yán)重時(shí)會(huì) 產(chǎn)生重大事故。齒輪箱中的軸產(chǎn)生較嚴(yán)重的不平衡問(wèn)題，一般來(lái)源于下列幾個(gè)方面：.制造過(guò)程中工藝和加工存在問(wèn)題，新制造的軸也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不平衡現(xiàn)象。.在使用過(guò)程中軸受到過(guò)大

46、的瞬時(shí)沖擊載荷的作用，產(chǎn)生彎曲或永久變形。.長(zhǎng)期在較大的偏載工況下工作，由于疲勞作用產(chǎn)生永久變形。齒輪箱中有多對(duì) 軸通過(guò)聯(lián)軸器連接在一起，形成一個(gè)軸系工作， 就可能會(huì)由于設(shè)計(jì)、制造和安裝 或者使用過(guò)程中的問(wèn)題使軸系產(chǎn)生不對(duì)中， 不對(duì)中會(huì)對(duì)齒輪箱的正常運(yùn)行工況產(chǎn) 生較大的影響。在使用過(guò)程中軸受到過(guò)大的瞬時(shí)沖擊載荷的作用或長(zhǎng)期在較大的 偏載工況下工作，軸會(huì)產(chǎn)生輕度彎曲或嚴(yán)重彎曲。軸的失效形式多數(shù)情況下也會(huì) 引起齒輪的嚙合狀態(tài)變化，表現(xiàn)為齒輪的失效。 特別需要注意的問(wèn)題是，在齒輪 箱中齒輪和滾動(dòng)軸承都是安裝在軸上的，所以軸或軸系產(chǎn)生故障，必然也使安裝 在軸上的齒輪的嚙合狀態(tài)發(fā)生很大變化，有時(shí)甚至使?jié)L

47、動(dòng)軸承的工作狀態(tài)生產(chǎn)很 大變化，所以軸或軸系故障特征的提取和診斷一定要和安裝在其上的嚙合齒輪的 工作狀態(tài)結(jié)合起來(lái)。.1.2 齒輪震動(dòng)機(jī)理(!)齒輪的力學(xué)模型分析如圖1所示為齒輪副的力學(xué)模型，其中齒輪具有一定的質(zhì)量，輪齒可看作是 彈簧，所以若以一對(duì)齒輪作為研究對(duì)象， 則該齒輪副可以看作一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)， 其 振動(dòng)方程為雁迷 * c士 + ACXr -(t)tfi(s)公式中x一沿作用線上齒輪的相對(duì)位移；c 一齒輪嚙合阻尼；k (t)一齒輪嚙合剛度；T1, T2一作用于齒輪上的扭矩；r2一齒輪的節(jié)圓半徑；i 一齒輪副的傳動(dòng)比；e(t)由于輪齒變形和誤差及故障而造成的個(gè)齒輪在作用線方向上的相對(duì)位移;mr

48、 -換算質(zhì)量。圖1齒輪副力學(xué)模型mr=m1m2/(m1+m2)若忽略齒面摩擦力的影響，則(T2-iT1)/r2=0 ,將e (t)分解為兩部分： e(t)=e1+e2(t)(1-3)e1為齒輪受載后的平均靜彈性變形；e2(t)為由于齒輪誤差和故障造成的兩個(gè)齒輪間的相對(duì)位移，故也可稱為故障函數(shù)。這樣式 (1-1)可簡(jiǎn)化為無(wú)二力n二力露二而門(mén)=麗力(1-4)由式(1-4)可知，齒輪的振動(dòng)為自激振動(dòng)。該公式的左側(cè)代表齒輪副本身的振 動(dòng)特征，右側(cè)為激振函數(shù)。由激振函數(shù)可以看出，齒輪的振動(dòng)來(lái)源于兩部分：一 部分為k (t) e1,它與齒輪的誤差和故障無(wú)關(guān)，所以稱為常規(guī)振動(dòng)；另一部分 為k (t) e2(

49、t)，它取決于齒輪的綜合剛度和故障函數(shù)，這一部分可以較好地 解釋齒輪信號(hào)中邊頻的存在以及與故障的關(guān)系。式(1-4)中的齒輪嚙合剛度k(t)為周期性的變量，由此可見(jiàn)齒輪的振動(dòng)主要是由 k (t)的這種周期變化引起的。k(t)的變化可用兩點(diǎn)來(lái)說(shuō)明：一是隨著嚙合點(diǎn)位置的變化，參加嚙合的單一輪齒 的剛度發(fā)生了變化，二是參加嚙合的齒數(shù)在變化。例如對(duì)于重合系數(shù)在1-2之間的漸開(kāi)線直齒輪，在節(jié)點(diǎn)附近是單齒嚙合， 在節(jié)線兩側(cè)某部位開(kāi)始至齒頂、 齒根 區(qū)段為雙齒嚙合（圖2）。顯然，在雙齒嚙合時(shí)，整個(gè)齒輪的載荷由兩個(gè)齒分擔(dān)， 故此時(shí)齒輪的嚙合剛度就較大；同理，單齒嚙合時(shí)嚙合剛度較小。以直出第圖2齒面受載變化圖3嚙

50、合剛度變化曲線從一個(gè)輪齒開(kāi)始進(jìn)入嚙合到下一個(gè)輪齒進(jìn)入嚙合，齒輪的嚙合剛度就變化一次。由此可計(jì)算出齒輪的嚙合周期和嚙合頻率。 總的來(lái)說(shuō)，齒輪的嚙合剛度變化 規(guī)律取決于齒輪的重合系數(shù)和齒輪的類型。直齒輪的剛度變化較為陡峭，而斜齒 輪或人字齒輪剛度變化較為平緩，較接近正弦波（圖 3）。若齒輪副主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為n1、齒數(shù)為Z1;從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為n2、齒數(shù)為Z2,則齒輪嚙 合剛度的變化頻率（即嚙合頻率）為.tlZJ產(chǎn)力H產(chǎn)加”4產(chǎn)產(chǎn)制門(mén)無(wú)論齒輪處于正常或異常狀態(tài)下， 這一振動(dòng)成分總是存在的。但兩種狀態(tài)下振動(dòng) 水平是有差異的。因此，根據(jù)齒輪振動(dòng)信號(hào)嚙合頻率分量進(jìn)行故障診斷是可行的。 但由于齒輪信號(hào)比較復(fù)雜，故障對(duì)

51、振動(dòng)信號(hào)的影響也是多方面的， 特別是由于幅 值調(diào)制和頻率調(diào)制的作用，齒輪振動(dòng)頻譜上通?？偸谴嬖诒姸嗟倪咁l帶結(jié)構(gòu)，給利用振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障診斷帶來(lái)一定的困難。（2）幅值調(diào)制與頻率調(diào)制齒輪振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制現(xiàn)象中包含有很多故障信息，所以研究信號(hào)調(diào)制對(duì)齒輪 故障診斷是非常重要的。從頻域上看，信號(hào)調(diào)制的結(jié)果是使齒輪嚙合頻率周圍出 現(xiàn)邊頻帶成分。信號(hào)調(diào)制可分為兩種：幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。1）幅值調(diào)制幅值調(diào)制是由于齒面載荷波動(dòng)對(duì)振動(dòng)幅值的影響而造成的。比較典型的例子是齒輪的偏心使齒輪嚙合時(shí)一邊緊一邊松， 從而產(chǎn)生載荷波動(dòng)，使振幅按此規(guī)律 周期性地變化。齒輪的加工誤差(例如節(jié)距不勻)及齒輪故障使齒輪在嚙合中產(chǎn) 生短

52、暫的“加載”和“卸載”效應(yīng)，也會(huì)產(chǎn)生幅值調(diào)制。幅值調(diào)制從數(shù)學(xué)上看，相當(dāng)于兩個(gè)信號(hào)在時(shí)域上相乘；而在頻域上，相當(dāng)于兩個(gè)信號(hào)的卷積，如圖4所示。這兩個(gè)信號(hào)一個(gè)稱為載波，其頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)較高；另 一個(gè)稱為調(diào)制波，其頻率相對(duì)于載波頻率來(lái)說(shuō)較低。在齒輪信號(hào)中，嚙合頻率成分通常是載波成分，齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率成分通常是調(diào)制波成分。圖4單一頻率的幅值調(diào)制若xt)=Asin(2Ttfct+小)為齒輪嚙合振動(dòng)信號(hào)，a(t)=1+Bcos2兀fZt為齒輪軸的轉(zhuǎn)頻振動(dòng)信號(hào)，則調(diào)幅后的振動(dòng)信號(hào)為x(t)=A(1+Bcos2 tt fXt)*sin(2 兀 fct+ 小)(1-6)式中A一為振幅；B一幅值調(diào)制指數(shù)；fz一調(diào)制頻

53、率，它等于齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率。上述調(diào)制信號(hào)在頻域可表示為|x(f) ?=A6 (f-fc)+1/2AB6 (f-fc-fZ)+1/2AB(f-fc+fZ)(1-7)由此可見(jiàn)，調(diào)制后的信號(hào)中，除原來(lái)的嚙合頻率分量外，增加了一對(duì)分量(fc+ fz)和(fc - fz)它們是以fC為中心，以fz為間距對(duì)稱分布于兩側(cè)，所以稱 為邊頻帶(圖1-7).對(duì)于實(shí)際的齒輪振動(dòng)信號(hào)，載波信號(hào)、調(diào)制信號(hào)都不是單一頻率的，一般來(lái)說(shuō) 都是周期函數(shù)。由式(1-4)可知，一般情況下，k(t)e2(t) 可以反映由故障而產(chǎn) 生的幅值調(diào)制。設(shè) y=K)e2(1-8)則k (t)為載波信號(hào)，它包含有齒輪嚙合頻率及其倍頻成分， e2(

54、t )為調(diào)幅信號(hào)， 映齒輪的誤差和故障情況。由于齒輪周而復(fù)始地運(yùn)轉(zhuǎn)，所以齒輪每轉(zhuǎn)一圈，e2(t就變化一次，e2(t )包含齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率及其倍頻成分。在時(shí)域上，y(t)=k(t)e2(t)(1-9)在頻域上，Sy(f)=SK(f)*Se(f)(1-10)式中,Sy (f) ,Sk(f)和Se(f)分別為y(t),k (t)和e2(t )的頻譜。由于在 時(shí)域上載波信號(hào)k(t)和調(diào)幅信號(hào)e2 (t)為相乘，在頻域上調(diào)制的效果相當(dāng)于它 們的幅值頻譜的卷積。即近似于一組頻率間隔較大的脈沖函數(shù)和一組頻率間隔較 小的脈沖函數(shù)的卷積，從而在頻譜上形成若干組圍繞嚙合頻率及其倍頻成分兩側(cè) 的邊頻族(圖5)。由此

55、可以較好地解釋齒輪集中缺陷和分布缺陷產(chǎn)生的邊頻的區(qū)別。圖 6(a) 為齒輪存在局部缺陷時(shí)的振動(dòng)波形及頻譜。這時(shí)相當(dāng)于齒輪的振動(dòng)受到一個(gè)短脈 沖的調(diào)制，脈沖長(zhǎng)度等于齒輪的旋轉(zhuǎn)周期。由此形成的邊頻帶數(shù)量多且均勻。圖6(b)為齒輪存在分布缺陷的情形。由于分布缺陷所產(chǎn)生的幅值調(diào)制較為 平緩，由此形成的邊頻帶比較高而且窄。并且，齒輪上的缺陷分布越均勻，頻譜 上的邊頻帶就越高、越集中。齒輪箱日常的清理和維護(hù)(1)使用專業(yè)的清洗裝置，如超聲波清洗機(jī)。(2)對(duì)清洗及清洗后的工序進(jìn)行嚴(yán)密的控制。制定合理的清洗工序，不同產(chǎn)品的 清洗工序要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行摸索； 清洗后零件擺放的周圍環(huán)境應(yīng)保持干凈，并使用正確的方法

56、進(jìn)行保存。(3)零件清洗干凈或裝配后不得再進(jìn)行后續(xù)加工，如打磨等。(4)零件或部件要進(jìn)行兩次清洗。對(duì)于整臺(tái)齒輪箱，各零件要在裝配試車前清洗 一次，待試車完后，要再清洗一次，目的是將試車時(shí)產(chǎn)生的各種雜質(zhì)(如未清理的鐵屑，齒輪磨合期產(chǎn)生的鐵末 川青理干凈，重要產(chǎn)品的試車時(shí)間應(yīng)相對(duì)長(zhǎng)些； 對(duì)于單個(gè)零件(非整臺(tái)訂貨)，要在入庫(kù)前和出庫(kù)后裝配前各清洗一次。(5)對(duì)于在齒輪箱實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的鐵屑無(wú)法清理時(shí)，可在適當(dāng)位置增加磁 性吸鐵，并對(duì)其進(jìn)行定期清理本章小結(jié)研究齒輪箱故障的診斷方法，我們對(duì)齒輪的研究也必不可少。其中包括齒輪 常見(jiàn)的故障，以及齒輪震動(dòng)機(jī)理等，都很必要齒輪出現(xiàn)故障時(shí)常產(chǎn)生沖擊，出現(xiàn)不同程

57、度的調(diào)制現(xiàn)象，在頻譜圖中出現(xiàn)形 式各異的調(diào)制邊頻帶。這些調(diào)制邊頻帶的特點(diǎn)離很多有用的齒輪故障信息。 因此， 對(duì)齒輪振動(dòng)信號(hào)中出現(xiàn)的調(diào)制現(xiàn)象進(jìn)行認(rèn)真分析，如何有效地區(qū)分不同調(diào)制型故 障的振動(dòng)特征，識(shí)別邊頻帶特征，在很大程度上決定了齒輪箱故障診斷的成敗。 標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線齒廓的齒輪，在節(jié)線附近是單齒嚙合，在節(jié)線附近兩側(cè)的某個(gè)部位開(kāi) 始（確切位置由重疊系數(shù)決定）至齒項(xiàng)和齒根的兩個(gè)區(qū)段為雙齒嚙合， 因此，每個(gè) 輪齒在嚙合過(guò)程中，載荷的分配是變化的，載荷的變化會(huì)引起輪齒剛度的變化， 從而引起輪齒的振動(dòng)，該振動(dòng)在頻譜圖上會(huì)出現(xiàn)嚙合頻率及其各次諧波成分。此 外，兩嚙合輪齒的齒面相對(duì)滑動(dòng)速度及摩擦力，在節(jié)點(diǎn)處要改變

58、方向，從而形 成交變的摩擦力，而且齒廓的制造誤差等原因都會(huì)在嚙合頻率及其特別獎(jiǎng)諧波上 產(chǎn)生振動(dòng)分量，特別是當(dāng)齒廈均勻磨損后，這些成分就會(huì)變得格外突出。所以， 對(duì)調(diào)制現(xiàn)象及其邊頻帶分布特點(diǎn)進(jìn)行研究是齒輪箱故障診斷中的一個(gè)很重要的 研究課題。第4章齒輪箱中齒輪故隙診斷及調(diào)制現(xiàn)象齒輪產(chǎn)生故障時(shí)的調(diào)制現(xiàn)象和邊頻帶分布特點(diǎn)齒輪的振動(dòng)是由內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)聯(lián)合作用產(chǎn)生的。 正常運(yùn)轉(zhuǎn)的無(wú)故障齒 輪，也會(huì)受到嚙合剛度周期性變化的激勵(lì)， 這種由于參數(shù)變化而引起的振動(dòng)稱為 “參數(shù)激勵(lì)”。正常的直齒輪，其嚙合沖擊和節(jié)線沖擊是微不足道的，而在斜齒 輪上這些影響幾乎不存在。但是當(dāng)齒輪出現(xiàn)故障時(shí)，將反映出傳動(dòng)誤差加大，引

59、起齒輪的振動(dòng)。齒輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡、齒輪偏心、松動(dòng)、齒面裂紋、斷齒等故障 影響到傳動(dòng)誤差的長(zhǎng)周期成分（即與轉(zhuǎn)速頻率有關(guān)的成分）；齒面發(fā)生磨損、膠合、 點(diǎn)蝕等分布性故障將使傳動(dòng)誤差的短周期成分加大，影響到齒輪嚙合頻率及其諧 波成分的幅值。無(wú)論哪一類故障，都會(huì)使齒輪的振動(dòng)和噪聲加劇，或者發(fā)出某些 不正常的聲音。齒輪由于結(jié)構(gòu)和工作原理上的一些特點(diǎn)，其振動(dòng)信號(hào)較為復(fù)雜，對(duì)它進(jìn)行振 動(dòng)故障診斷，需要同時(shí)在時(shí)域和頻域上進(jìn)行分析。 齒輪工作過(guò)程中的故障信號(hào)頻 率基本上表現(xiàn)為兩部分：一部分為齒輪嚙合頻率及其諧波構(gòu)成的載波信號(hào)；另一部分為低頻成分的幅值和相位變化所構(gòu)成的調(diào)制信號(hào)。調(diào)制信號(hào)包括了幅值調(diào)制 和頻率調(diào)制

60、。從頻域和時(shí)域上觀察，齒輪的主要特征成分有： 嚙合頻率及其諧波成分；幅值調(diào)制和頻率調(diào)制所形成的邊頻帶；由齒輪轉(zhuǎn)速頻率的低次諧波所構(gòu)成的附加脈沖；由齒輪加工誤差形成的隱含成分。齒輪出現(xiàn)故障時(shí)常產(chǎn)生沖擊，出現(xiàn)不同程度的調(diào)制現(xiàn)象，在頻譜圖中出現(xiàn)形 式各異的調(diào)制邊頻帶。這些調(diào)制邊頻帶的特點(diǎn)離很多有用的齒輪故障信息。 因此， 對(duì)齒輪振動(dòng)信號(hào)中出現(xiàn)的調(diào)制現(xiàn)象進(jìn)行認(rèn)真分析，如何有效地區(qū)分不同調(diào)制型故 障的振動(dòng)特征，識(shí)別邊頻帶特征，在很大程度上決定了齒輪箱故障診斷的成敗。 所以，對(duì)調(diào)制現(xiàn)象及其邊頻帶分布特點(diǎn)進(jìn)行研究是齒輪箱故障診斷中的一個(gè)很重 要的研究課題。齒輪振動(dòng)信號(hào)的嚙合頻率及其各次諧波標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線齒廓的齒