设备状态监测与故障诊断(吴趣鸿)

研究生课程考核试卷

（适用于课程论文、提交报告）

科目：设备状态监测与故障诊断教师：谢志江

姓名：吴趣鸿学号：20110702006 专业：机械制造及其自动化类别：学术

上课时间：2012 年 4 月至2012 年7月

考生成绩：

阅卷评语：

阅卷教师(签名)

重庆大学研究生院制

一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法

1、齿轮啮合频率机理

齿轮啮合频率的定义：齿轮在啮合过程中会因为冲击等原因产生振动，此振动的频率即为齿轮啮合频率，也称特征频率z f 。

如图1.1所示,齿轮1和齿轮2啮合,齿数分别为1z 和2z ,转速分别为1n 和2n ,旋转频率分别为6011n f r =,60

22n f r =,则两个齿轮的啮合频率为：2211r r r z f z f z zf f ===。

图1.1

啮合频率产生的原因有如下三种:

（1）啮合齿轮载荷的变化频率等于啮合频率

由齿轮啮合重合度的含义可知,在齿轮啮合过程中,由于存在单对齿和双对齿啮合的转换,因此每个齿轮上所承受的载荷是不断变化的。一个齿轮在其参与的一次整个啮合过程中, 由于单、双齿啮合的交替,会使原来由两对齿承担的载荷突然由一对齿承担,或者由一对齿承担的载荷突然由两对齿承担,从而使作用在齿轮上的载荷发生突变.其变化频率等于啮合频率。

（2）在啮合过程中齿轮滑动方向(摩擦力方向)改变的频率等于啮合频率。

在啮合过程中齿面所受摩擦力在节点两侧方向会发生改变。一对齿轮在啮合过程中，两齿齿面相接触点的速度方向除节点以外都是不同的，使得相接触的齿面之间产生相对滑动，而相对滑动导致齿面之间的滑动摩擦。 z 1,n 1z 2,n 2

图1.2

如图1.2所示,设齿面所受的正压力为N P ，由正压力N P 和相对滑动而产生的摩擦力就等于f P N ，这里，f 为滑动摩擦系数。轮齿处于啮入段和啮出段时齿面所受的正压力和摩擦力如图所示。因此，轮齿所受的摩擦力在啮入段和啮出段上是刚好反向的，并且以节点为分界点。

由以上分析可以看出一对齿轮啮合，当啮合点通过节点时，由于轮齿受到的摩擦力在节点两侧方向不同而使齿面摩擦力有一个突然换向，这种突然的换向使轮齿受到冲击，轮齿摩擦力方向改变(受到冲击)的频率即等于啮合频率。

（3）啮合过程中刚度变化的频率等于啮合频率

在两个齿轮啮合过程中,每个齿轮相当于一个悬臂梁,且在齿顶处齿厚较薄,因此在齿顶啮合时齿轮的综合刚度较小,变形较大,而在齿根啮合处刚度大，变形小。另外, 如图1.3所示,在啮合过程参与啮合的齿轮数并不是一直不变的。

图1.3

在AB和CD区域时为单对齿啮合,在BC区为双齿啮合,在整个齿轮承受相同压力的情况下,单对齿啮合时变形要大于双对齿啮合,因此单对齿轮啮合时的综合刚度要较小。故在啮合过程中齿轮的刚度要发生变化,其变化的频率等于啮合频率。

2、齿轮故障诊断方法

（1）齿轮故障形式

齿轮是最常见的机械传动零件，它在发挥其优点的同时也具有不可忽视的一些缺点。齿轮传动的主要缺点包括以下方面：不能缓和冲击作用；当制造不精确，材质不良，热处理不当，使用条件恶劣，安装不正确时，往往会引起较大的振动、噪声和断裂等故障。这些故障在一定程度上影响了齿轮传动的正常工作。根据齿轮损伤的形貌和损伤过程或机理，故障的形式通常分为齿的断裂、齿面磨损、齿面疲劳（点蚀、剥落）或塑性变形等四类。

1）轮齿的断裂

齿轮副在啮合传递运动时，主动轮的作用力和从动轮的反作用力都通过接触点分别作用在对方轮齿上，最危险的情况是接触点某一瞬间位于轮齿的齿顶部，此时轮齿如同一个悬臂梁，受载后齿根处产生的弯曲应力最大，若因突然过载或冲击过载，很容易在齿根处产生过载断裂。即使不存在冲击过载的受力工况，当轮齿重复受载后，由于应力集中现象，也易产生疲劳裂纹，并逐步扩散，致使轮齿在齿根处产生疲劳断裂。对于斜齿轮或宽直齿轮，也常发生轮齿的具备断裂。另外，淬火列了、磨削裂纹和严重磨损后齿厚过分减薄时，在轮齿的任意部位都可能产生裂纹。

2）齿面磨损

齿轮传动中润滑不良、润滑油不洁或热处理质量差等，均可造成磨损或划痕，磨损可分为粘着磨损、磨粒磨损、划痕（一种很严重的磨粒磨损）和腐蚀磨损等。

①粘着磨损是油膜被破坏而发生齿面金属的直接接触形成的。其原因可能是齿轮工作在低速、重载、高温、润滑油黏度太低、供油不足和齿面粗糙等情况。②磨粒磨损和划痕当润滑油不洁（夹杂直径大于30um以上的磨粒，包括外来砂粒或摩擦过程中产生的金属磨屑），都可以产生磨粒磨损与划痕。一般齿顶、齿根部摩擦较节圆部严重，这是因为除了啮合过程中，节圆处为滚动接触，而齿顶、

齿根处为滑动接触。③腐蚀磨损润滑油中含有酸、碱和水等易对金属产生腐蚀的化学物质，与齿面发生化学反应，由腐蚀导致齿面损伤。齿轮磨损后，齿的厚度变薄，齿廓形状变得瘦长。齿轮磨损后，工作时产生动载荷，不仅振动和噪声加大，而且可能导致齿的折断。

3）齿面疲劳（点蚀、剥落）

所谓齿面疲劳主要包括齿面点蚀与剥落。造成点蚀的原因，主要是由于工作表面的交变应力引起的微观疲劳裂纹，润滑油进入裂纹后，由于啮合过程可能先封闭入口然后挤压，微观疲劳裂纹内的润滑油在高压下使裂纹扩展，结果小块金属从齿面脱离，留下一个小坑，形成点蚀。如果表面的疲劳裂纹扩展的较深、较远或一系列小坑由于坑间材料失效而连接起来，造成大面积或大块金属脱落，这种现象叫剥落。剥落与严重点蚀只有程度上的区别，而无本质上的不同。实验表明：在闭式齿轮传动中，点蚀是最普遍的破坏形式。在开式齿轮传动中，由于润滑不够充分，以及进入的污物增多，磨粒磨损总是先于点蚀破坏。

4）齿面塑性变形

软齿面齿轮传递载荷过大（或在大载荷冲击下）时，易产生齿面塑性变形。在齿面间过大的摩擦力作用下，齿面接触应力会超过材料的抗剪强度，齿面材料进入塑性状态，造成齿面金属的塑性流动，是主动轮节圆附近的齿面形成凹沟，从动轮节圆附近的齿面形成凸棱，从而破坏了正确的齿形。有时可在某些类型从动齿轮的齿面上出现“飞边”，严重时挤出的金属充满顶隙，引起剧烈振动，甚至发生断裂。

（2）诊断方法

由于齿轮故障症状的复杂性，因此在对齿轮进行故障诊断时，需要在尽可能地消除噪声干扰、提高信噪比的前提下，提取出清晰故障特征信息。针对以上分析的齿轮故障形式，我们可以得到齿轮故障诊断分析方法：

1）功率谱分析法

功率谱分析可确定齿轮振动信号的频率构成和振动能量在各频率成分上的分布，是一种重要的频域分析方法。振幅谱也能进行类似的分析，但由于功率谱是振幅的平方关系，所以功率谱比振幅谱更能突出啮合频率及其谐波等线状谱成分，而减少了随机振动信号引起的一些“毛刺”现象。功率谱分析对齿轮的大面