Chapter04-齒輪故障診斷mfd,故障診斷,電子科技大學課件

第4章齒輪故障診斷本章內(nèi)容1、齒輪的常見故障類型，包括：齒的斷裂、齒的磨損、齒面疲勞（點蝕、剝落）、齒面擦傷和劃痕等。2、齒輪故障的振動診斷，包括：齒輪傳動的動態(tài)激勵、齒輪故障的特征信息、齒輪故障的診斷方法等。3、齒輪故障的噪聲診斷。本章要求1、了解齒輪故障的噪聲診斷方法。2、理解齒輪常見故障的類型及表現(xiàn)形式。3、掌握齒輪故障的振動特征、振動診斷方法。4.1齒輪的常見故障4.1齒輪的常見故障齒輪箱零件故障率統(tǒng)計1、齒的斷裂齒的斷裂分疲勞斷裂和過負荷斷裂。齒根部的應力集中4.1齒輪的常見故障2、齒面疲勞齒面疲勞主要包括齒面點蝕與剝落。齒面點蝕分布區(qū)示意圖由于點蝕面積的增長率與負荷的循環(huán)次數(shù)有關，可定期檢測齒面點蝕的面積率，預測需要維修的時間。隨著點蝕面積的增加，齒面必然成為剝離狀態(tài)，因此，定期檢查潤滑油中混雜的剝離片，也可預測齒輪需要維修的時間。4.1齒輪的常見故障4.1齒輪的常見故障負荷循環(huán)次數(shù)與點蝕面積率的關系3、齒面磨損

磨損后的齒廓齒輪磨損后，齒的厚度變薄，齒廓形狀變得瘦長。工作時產(chǎn)生動載荷，不僅振動和噪聲加大，而且可能導致齒的折斷。1）粘著磨損2）磨粒磨損3）腐蝕磨損4.1齒輪的常見故障4.2齒輪的振動機理與信號特征4.2.1齒輪傳動的動態(tài)激勵一對齒輪的力學模型4.2.1齒輪傳動的動態(tài)激勵激勵源由兩部分組成：稱為常規(guī)嚙合激勵，也即無故障的正常齒輪在嚙合過程中也會產(chǎn)生的向量振動。是由系統(tǒng)的內(nèi)部激勵和外部激勵產(chǎn)生的，齒輪故障振動主要由這部分激勵引起，所以也稱為齒輪的“故障函數(shù)”。

內(nèi)部激勵是指輪齒在嚙合過程中由于缺陷或故障產(chǎn)生的激勵。如齒輪由于制造不精確、裝配質(zhì)量低產(chǎn)生的輪齒周節(jié)誤差、齒形誤差、齒輪偏心、質(zhì)量不平衡、軸線不對中等故障，還有運行中產(chǎn)生的齒面疲勞、擦傷、磨損和斷裂等故障帶給齒輪的激勵。

外部激勵則與齒輪本身問題無關，是齒輪外部輸入的激勵，但也影響到齒輪的振動情況。例如滾動軸承故障的傳遞、負載力矩波動、摩擦離合器發(fā)生的摩擦激勵等。4.2.1.1剛度激勵（a）嚙合齒上的作用力（b）嚙合齒的剛度（c）齒輪發(fā)生的振動直齒嚙合過程中的力和剛度變化4.2.1.2傳動誤差1、制造誤差

傳動誤差構成了齒輪振動和噪聲的主要激發(fā)源。傳動誤差大，則齒輪運轉過程中由于進入和脫離嚙合時的碰撞加劇，產(chǎn)生較高的振動峰值，并且形成短暫時間的幅值變化和相位變化。（a）齒輪的偏心和周節(jié)誤差（b）齒輪的齒形誤差4.2.1.2傳動誤差2、裝配誤差齒的寬度方向上接觸面積少，造成輪齒負荷不均。齒輪軸不平行產(chǎn)生載荷沖擊，容易造成齒的斷裂。

（a）一端接觸（b）兩齒輪軸不平行4.2.1.2傳動誤差3、輪齒損傷誤差齒輪在運行中由于各種故障形成的齒面損傷，在齒輪傳動中就會產(chǎn)生齒輪的傳動誤差激勵。傳動誤差激勵正是我們診斷齒輪故障的信息來源。4、外部激勵誤差外部激勵的因素較多，負載波動引起齒輪傳遞轉矩波動、滾動軸承故障的傳遞、摩擦離合器力矩變化產(chǎn)生的影響等，這些故障信號雖然是從輪齒的外部輸入，但是影響到輪齒上的嚙合力和彈性變形，其最終結果就是產(chǎn)生輪齒的傳動誤差。4.2.1.3嚙合沖擊齒輪在嚙合過程中，由于輪齒誤差和受載彈性變形的影響，輪齒進入嚙合點和退出嚙合點與理論值發(fā)生偏差，因而在進入嚙合和退出嚙合時均會發(fā)生沖擊，稱為“嚙合沖擊”。嚙合沖擊是一種周期性的沖擊力。齒輪副的運動學分析4.2.2齒輪故障的特征信息齒輪的振動是由內(nèi)部激勵和外部激勵聯(lián)合作用產(chǎn)生的。正常運轉的無故障齒輪，也會受到嚙合剛度周期性變化的激勵，這種由于參數(shù)變化而引起的振動稱為“參數(shù)激勵”。正常的直齒齒輪，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。但是當齒輪出現(xiàn)故障時，將反映出傳動誤差加大，引起齒輪的振動。齒輪旋轉質(zhì)量不平衡、齒輪偏心、松動、齒面裂紋、斷齒等故障將影響到傳動誤差的長周期成分（即與轉速頻率有關的成分）；齒面發(fā)生磨損、膠合、點蝕等分布性故障將使傳動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。4.2.2齒輪故障的特征信息齒輪工作過程中的故障信號頻率基本上表現(xiàn)為兩部分：一部分為齒輪嚙合頻率及其諧波構成的載波信號，另一部分為低頻成分的幅值和相位變化所構成的調(diào)制信號。調(diào)制信號包括了幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。從頻域和時域上觀察，齒輪的主要特征成分有：1）嚙合頻率及其諧波成分。2）幅值調(diào)制和頻率調(diào)制所形成的邊頻帶。3）由齒輪轉速頻率的低次諧波所構成的附加脈沖。4）由齒輪加工誤差形成的隱含成分。4.2.2.1嚙合頻率及其諧波齒輪表面發(fā)生均勻性磨損，將引起嚙合頻率及其各次諧波幅值的變化。嚙合頻率的高次諧波增長得比基波還快。磨損厲害時，二次諧波幅值可能超過嚙合基波。從嚙合基頻及其諧波幅值的相對增長量上可以反映出齒輪表面的磨損程度。齒面磨損前后的嚙合頻率及其諧波幅值變化（實線為磨損前，虛線為磨損后）當齒面發(fā)生磨損，或者負荷增大，齒輪徑向間隙過大以及齒輪游隙不適當?shù)仍蛩鸬墓收蠒r，由于輪齒的嚙合狀況變壞，嚙合頻率的諧波成分幅值就會明顯增大。4.2.2.2信號調(diào)制和邊頻帶分析齒輪中各種故障在運行中具體反映為一個傳動誤差問題。傳動誤差大，則齒輪在傳動中發(fā)生忽快忽慢的轉動，并且在進入和脫離嚙合時的碰撞加劇，產(chǎn)生較高的振動峰值，形成短暫時間的幅值變化和相位變化。齒輪的嚙合頻率及其各次諧波可看作一個高頻振動的載波信號，而周期性出現(xiàn)的低頻故障信號可看作調(diào)制信號。不同故障產(chǎn)生不同的調(diào)制形式。能引起幅值變化的產(chǎn)生幅值調(diào)制，能引起頻率或相位變化的產(chǎn)生頻率調(diào)制。4.2.2.2.1幅值調(diào)制（a）載波信號（b）調(diào)制信號（c）幅值調(diào)制后的信號4.2.2.2.1幅值調(diào)制式中，A——載波信號的振幅；B——調(diào)制指數(shù)；——載波頻率（嚙合頻率）；——調(diào)制波頻率（齒輪旋轉頻率，每旋轉一周，故障點產(chǎn)生一次沖擊）；——初相角。設代表嚙合頻率的載波信號為：代表齒輪旋轉頻率的調(diào)制信號為：則調(diào)幅后的振動信號為：將上式展開可得：4.2.2.2.1幅值調(diào)制多頻率幅值調(diào)制頻譜4.2.2.2.1幅值調(diào)制齒輪上存在點蝕、劃痕等分布比較均勻的缺陷，在時域上是一條幅度變化較小、脈動頻率較低的包絡線，在頻譜上產(chǎn)生的邊頻帶特點是分布比較高而窄，而且幅值變化起伏較大。齒輪上的缺陷分布越均勻，頻譜上的邊頻越高、越窄。4.2.2.2.1幅值調(diào)制例：高爐風機齒輪減速箱的振動診斷實例。一臺大型高爐風機，由電動機通過一臺齒輪減速箱傳動，齒輪箱中發(fā)出一種不尋常的低頻聲音。已知該齒輪箱輸出軸轉速n2=1140r/min（19Hz），輸入軸轉速n1=1475r/min（24.6Hz）。低速齒輪的齒數(shù)z2=62，高速齒輪的齒數(shù)z1=48。4.2.2.2.1幅值調(diào)制齒輪箱振動速度信號1——更換軸承前，2——更換軸承后（a）軸承更換前、后的頻譜（b）軸承更換前的時域信號4.2.2.2.1幅值調(diào)制已知該齒輪箱輸出軸轉速n2=1140r/min（19Hz），輸入軸轉速n1=1475r/min（24.6Hz）。低速齒輪的齒數(shù)z2=62，高速齒輪的齒數(shù)z1=48。齒輪箱發(fā)生故障時，幅值最高的頻率為1178Hz，正好是低速和高速齒輪的嚙合頻率，即：4.2.2.2.1幅值調(diào)制

嚙合頻率的幅值很高，可能是齒輪側身間隙過大、齒輪游隙不適當?shù)纫蛩匾穑跁r域波形圖上表現(xiàn)為間隔很密的細線。被低頻調(diào)制后的一個個波峰，每個峰頭之間的間隙頻率為19Hz，此即齒輪箱低速輸出軸的轉速頻率，這表示低速齒輪每旋轉一周產(chǎn)生一個像正弦狀的低頻調(diào)制波，可能原因是低速齒輪載荷隨轉速波動，或者該齒輪相對于高速齒輪作徑向浮動。每隔0.18s（5.6Hz）左右有一個更高的波峰出現(xiàn)，5.6Hz頻率正是高速齒輪與低速齒輪之間轉速頻率之差。即：4.2.2.2.1幅值調(diào)制兩種轉速頻率差所產(chǎn)生的脈沖信號，表示低速齒輪與高速齒輪每隔一定周期瞬間脫離或相碰。綜上可知低速齒輪在作同步晃動，與高速齒輪在嚙合時，時松時緊地交變著。事后打開齒輪箱檢查，齒輪未發(fā)現(xiàn)損壞，而是低速軸的錐形滾子軸承軸向浮動間隙增大，大大超出規(guī)定的范圍，因而當?shù)退佥S在軸向來回躥動時，低速齒輪的徑向嚙合間隙也跟著時大時小地變化，這就是形成5.6Hz差頻的原因。更換軸承后，不僅調(diào)制頻率大大降低，而且齒輪箱異常聲音也消失了。4.2.2.2.2頻率調(diào)制齒輪的轉速波動、因加工中分度誤差而導致齒距不均勻、輪齒產(chǎn)生周期性的周節(jié)誤差、齒輪軸偏心引起嚙合速率的變化、周期性轉矩（負荷）變化引起的速度變化等因素均可引起頻率調(diào)制現(xiàn)象。齒面壓力波動，在產(chǎn)生調(diào)幅現(xiàn)象的同時，也會造成扭矩波動，導致角速度變化而形成頻率調(diào)制。由于齒輪作周期性的旋轉，因此頻率調(diào)制中的載波信號和調(diào)制信號也為一周期性函數(shù)。4.2.2.2.2頻率調(diào)制若載波信號為：調(diào)制信號為：頻率調(diào)制可表示為：式中，——頻率調(diào)制指數(shù)，即調(diào)制產(chǎn)生的最大相位移；——最大頻率偏差值，也就是齒輪的最大角速度波動量；——調(diào)制頻率，即分度不均勻齒輪的轉頻。式中，——以β為自變量的第n階貝塞爾系數(shù)，n=0,1,2,…4.2.2.2.2頻率調(diào)制頻率調(diào)制4.2.2.2.2頻率調(diào)制調(diào)頻、調(diào)幅綜合影響下的邊頻帶4.2.2.2.3附加脈沖齒輪調(diào)幅信號中的附加脈沖齒輪載波的時域信號幅值上下兩端的包絡線不對稱，彼此差別很大，載波信號與零線呈不對稱形狀，這往往是由齒輪旋轉頻率的低次諧波引起的，稱為附加脈沖。在頻域上，調(diào)制效應產(chǎn)生的是以嚙合頻率及其諧波為中心的一些邊頻帶族，而附加脈沖是旋轉頻率的低次諧波，它在嚙合頻率兩邊并不形成邊頻帶。4.2.2.2.4隱含成分隱含成分又稱“鬼線成分”（GhostComponents）。新的齒輪副在傳動時，其頻譜上除了旋轉頻率、嚙合頻率及其邊頻成分之外，還會出現(xiàn)一些最初不明其來歷的頻率成分及其諧波，它們是由于加工機床分度齒輪的誤差造成的。加工機床蝸輪、蝸桿及齒輪的缺陷傳遞到被加工齒輪上，也會給齒輪帶來周期性的缺陷。隱含成分的頻率相當于機床分度齒輪的嚙合頻率。特點如下：1、總是出現(xiàn)在嚙合頻率附近，載荷變化對它的影響很小。2、當齒輪運轉一段時間后，由于磨損使缺陷逐漸趨向均勻，此時嚙合頻率及其各次諧波成分增大，隱含成分及其諧波成分卻逐漸減小。4.2.2.2.4隱含成分（a）初始狀態(tài)（b）一個月后的狀態(tài)齒輪運轉前后隱含成分的變化初始狀態(tài)的頻譜隱含成分幅值高于嚙合頻率。齒輪運轉一個月后，嚙合頻率的幅值由116dB上升到123dB，而隱含成分幅值則由123dB下降到117dB。因此，可從齒輪的跑合過程來鑒別是否存在隱含成分，也可為齒輪的磨損程度提供輔助信息。4.2.2.2.5齒輪故障信號的頻域特征1、均勻性磨損、齒輪徑向間隙過大、不適當?shù)凝X輪游隙以及齒輪載荷過大等原因，將增加嚙合頻率和它的諧波成分振幅，對邊頻的影響很小。在恒定載荷下，如果發(fā)生嚙合頻率和它的諧波成分變化，則意味著齒的磨損、撓曲和齒面誤差等原因產(chǎn)生了齒的分離（脫嚙）現(xiàn)象。齒面磨損導致振幅上升趨勢4.2.2.2.5齒輪故障信號的頻域特征2、不均勻的分布故障（齒輪偏心、齒距周期性變化及載荷波動等）將產(chǎn)生幅值調(diào)制和頻率調(diào)制，在嚙合頻率及其諧波兩側形成振幅較高的邊頻帶。邊頻帶的間隔頻率是齒輪轉速頻率，該間隔頻率與有缺陷的齒輪相對應。對于齒輪偏心所產(chǎn)生的邊頻帶，一般出現(xiàn)的是下邊頻帶成分，即（n=1,2,3,…），上邊頻帶出現(xiàn)的很少。3、齒面剝落、裂紋以及齒的斷裂等局部性故障，將產(chǎn)生周期性沖擊脈沖，嚙合頻率為脈沖頻率所調(diào)制，在嚙合頻率及其諧波兩側形成一系列邊頻帶，其特點是邊頻帶的階數(shù)多而分散。點蝕等均布性故障形成的邊頻帶，在嚙合頻率及其諧波兩側分布的邊頻帶階數(shù)少而集中。邊頻帶隨著故障的發(fā)展而變化。4.2.2.2.5齒輪故障信號的頻域特征4、自振頻率成分不明顯齒存在斷裂或裂紋時，每當輪齒進入嚙合時就產(chǎn)生一個沖擊信號，此沖擊可激起齒輪系統(tǒng)的一階或幾階自振頻率。齒輪固有頻率一般都為高頻（約在1～10kHz范圍內(nèi)），此高頻成分傳遞到齒輪箱時已大幅度衰減，多數(shù)情況下只能在齒輪箱上測到嚙合頻率和調(diào)制的邊頻帶。5、軸承故障的鑒別如果僅有齒輪嚙合頻率的振幅迅速升高，而邊頻帶的分布和振幅并無變化，甚至不存在邊頻帶，則表明是軸承故障。4.3齒輪的振動故障分析方法4.3.1功率譜分析法某齒輪箱的功率譜4.3.2邊頻帶細化分析法a）幅值譜b）細化后的邊頻帶工程實際應用的頻譜圖4.3.2邊頻帶細化分析法細化譜邊頻的搜尋與故障診斷，可從兩方面著手：一是利用邊頻帶的對稱性，找出（n=1,2,3,…）的頻率關系，確認是否成為一組邊頻帶，如果是邊頻帶，則可知道嚙合頻率和調(diào)制頻率。二是比較各次測量中邊頻帶譜峰的幅值差異程度。邊頻帶譜峰圖形的變化就包含著齒是否存在局部性故障與均布性故障，故障發(fā)展的程度如何。4.3.2邊頻帶細化分析法例：齒輪減速裝置的斷齒診斷美國Monsanto石油化工公司的一臺齒輪減速箱，用來拖動一臺關鍵設備。減速箱的輸入軸與輸出軸呈直角布置。輸入軸轉速為1200r/min，輸出軸轉速為52.7r/min，中間經(jīng)二級減速。減速箱運行18個月后，在輸入高速軸一端產(chǎn)生幅度很高的振動。減速裝置示意圖4.3.2邊頻帶細化分析法齒輪箱振動信號的時域和頻域分析4.3.2邊頻帶細化分析法例：水電站用JCF-500型齒輪箱的邊頻分析某水輪發(fā)電機組布置如下圖所示，中間有一臺JCF-500型齒輪增速箱。該齒輪箱的參數(shù)為：輸入軸轉速n1=180r/min（3Hz），大齒輪齒數(shù)z1=99；輸出軸轉速n2=750r/min（12.5Hz），小齒輪齒數(shù)z2=24；嚙合頻率。齒輪箱布置示意圖4.3.2邊頻帶細化分析法齒輪箱的邊頻細化分析在細化譜上，以嚙合頻率299.84Hz為中心，在兩側形成具有基本對稱分布的一族邊頻帶，其中（299.84±n×12.5Hz）的邊頻帶峰值比較突出，而另一族（299.84±n×3Hz）的邊頻帶峰值不明顯（n=1,2,3,…），說明12.5Hz是主要調(diào)制源，故障發(fā)生在小齒輪上。故障的性質(zhì)有兩種可能：1、小齒輪加工分度誤差大，形成頻率調(diào)制。2、載荷波動，既可能是幅值調(diào)制，又可能是頻率調(diào)制。4.3.3倒頻譜分析法倒頻譜是對頻譜圖上周期性頻率結構成分的能量作了又一次集中，在功率譜的對數(shù)轉換時給低幅值分量有較高的加權，而對高幅值分量以較低的加權，結果是突出了小信號周期。1、倒頻譜可以有效地提取和識別頻譜上的周期成分。4.3.3倒頻譜分析法用倒頻譜分析齒輪箱振動信號中的邊頻帶（a）的頻率范圍為0~20kHz，頻率分辨率為50Hz，能觀察到嚙合頻率為4.3kHz及其二次三次諧波，但很難分辨出邊頻帶。（b）的頻率范圍為3.5～13.5kHz，頻率分辨率為5Hz，能觀察到很多邊頻帶，但仍很難分辨出邊頻帶。4.3.3倒頻譜分析法用倒頻譜分析齒輪箱振動信號中的邊頻帶（c）的頻率范圍進一步細化為7.5～9.5kHz，頻率分辨率不變，可分辨出邊頻帶，但還有點亂。（d）進行倒頻譜分析，能很清楚地表明對應于兩個齒輪副的旋轉頻率（85Hz和50Hz）的兩個倒頻分量（Ai和Bi）。4.3.3倒頻譜分析法（a）中2.6KHz成分處為譜峰，而在（b）中卻是譜谷。經(jīng)過倒頻處理后，兩個倒頻譜上一些倒頻率較高的重要成分（高倒頻率）幾乎完全相同。圖中倒頻率較低的部分有些差異，它們反映了系統(tǒng)傳遞特性的差異。故障信息在功率譜與倒頻譜中的比較齒輪箱測點1齒輪箱測點22、倒頻譜受傳感器的測點位置或信號傳輸途徑影響小，對于幅值和頻率調(diào)制的相位關系不敏感。4.3.4時域同步平均法經(jīng)過同步平均法后的正弦波信號信號同步平均的原理是按齒輪每轉一次脈沖的周期間隔截取信號，然后進行分段疊加處理，以消除隨機信號和其它非周期信號的干擾影響。4.3.4時域同步平均法時域同步平均法在測取齒輪振動信號的同時也測取齒輪的轉速脈沖信號，脈沖的間隔時間作為齒輪每轉的時標。用該脈沖信號去觸發(fā)A/D轉換器工作，從而保證齒輪按旋轉周期截取信號，并且每段信號的起始點對應于齒輪的某一角位置。然后再把每段信號進行平均處理和光滑化濾波，最后得到的有效信號中僅保留了周期成分，其它噪聲將被逐漸除去。4.3.4時域同步平均法齒輪在幾種狀態(tài)下的時域平均信號（a）正常齒輪（b）齒輪安裝對中不良（c）齒面嚴重磨損（d）齒面局部剝落或斷齒4.3.5自適應消噪技術AdaptiveNoiseCancellingTechnique，簡稱為ANC技術。ANC技術原理4.3.5自適應消噪技術齒輪箱故障消噪前后的倒頻譜4.4齒輪故障的噪聲診斷據(jù)統(tǒng)計，從不正常聲音中發(fā)現(xiàn)齒輪故障的占了采用所有手段發(fā)現(xiàn)齒輪故障的42%。齒輪運轉中發(fā)出的噪聲，除了摩擦噪聲外，還有齒間嚙合時連續(xù)撞擊所引起的嚙合頻率噪聲以及齒輪受沖擊后以固有頻率振動所產(chǎn)生的噪聲，噪聲峰多數(shù)情況出現(xiàn)在嚙合頻率附近。聲頻記錄和分析系統(tǒng)4.4齒輪故障的噪聲診斷齒輪箱在對中不良與對中良好情況下的噪聲頻譜4.4齒輪故障的噪聲診斷齒輪變速箱聲頻記錄頻譜在變速箱的外壁上用聽診器攝聲，聽診器與精密聲級計的電容傳聲器相接，近距離測試箱壁上各點的噪聲，以確定變速箱的主噪聲源。軸號轉速（r/min）轉速頻率（Hz）齒輪副齒數(shù)嚙合頻率（Hz）Ⅰ8441456/38787Ⅱ12432139/41808Ⅲ11832063/501242Ⅳ149025齒輪副的轉速和嚙合頻率4.4齒輪故障的噪聲診斷齒輪變速箱聲頻記錄頻譜主峰1242Hz是齒輪副63/50的嚙合頻率，其聲壓級為105dB（A），是變速箱的主要噪聲源。第二個峰651Hz是多片式摩擦離合器相對摩擦的噪聲，聲壓級為103.5dB（A），成為變速箱的第二位噪聲源。

787Hz和808Hz成分分別為齒輪副56/38和39/41的嚙合頻率，其聲壓級為101.5dB（A）和99.5dB（A）。

830Hz是軸承處各種混響造成的頻率成分。

1217Hz成分為主峰1242Hz的邊頻，差頻為1242-1217=25.25Hz，是軸Ⅳ的轉速頻率，它與嚙合頻率1242Hz進行了幅值調(diào)制，產(chǎn)生了1217Hz這個邊頻。4.5齒輪故障診斷案例分析宣龍高速線材公司2006年9月，發(fā)現(xiàn)高線精軋機22#架（H22）輥箱振動增大。高速線材精軋機的傳動機構示意圖4.5齒輪故障診斷案例分析9月14日的振動頻譜圖4.5齒輪故障診斷案例分析特征頻率表（22#架輥箱，轉速1047r/min，頻譜圖數(shù)據(jù)）序號故障信號頻率