第9章 齿轮常见故障与诊断

第九章
齿轮常见故障与诊断
2,幅值调制与频率调制 , 齿轮振动信号的调制现象中包含有很多故障信息, 齿轮振动信号的调制现象中包含有很多故障信息,所 以研究信号调制对齿轮故障诊断是非常重要的. 以研究信号调制对齿轮故障诊断是非常重要的.从频域上 看,信号调制的结果是使齿轮啮合频率周围出现边频带成 信号调制可分为两种:幅值调制和频率调制. 分.信号调制可分为两种:幅值调制和频率调制. (1)幅值调制 ) 幅值调制是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响而造 成的.幅值调制从数学上看, 成的.幅值调制从数学上看,相当于两个信号在时域上相 而在频域上,相当于两个信号的卷积. 乘;而在频域上,相当于两个信号的卷积.载波信号频率 相对来说较高;调制信号频率相对于载波频率来说较低. 相对来说较高;调制信号频率相对于载波频率来说较低. 在齿轮信号中,啮合频率成分通常是载波成分,齿轮轴旋 在齿轮信号中,啮合频率成分通常是载波成分, 转频率成分通常时调制波成分. 转频率成分通常时调制波成分.
频域特征: 频域特征:频 域上包含旋转频率 的各次谐波, 的各次谐波,各阶 啮合频率以及以故 障齿轮的旋转频率 为间隔的边频等. 为间隔的边频等.
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(6)不平衡齿轮的时域特征与频域特征 ) 齿轮的不平衡是指齿轮的质心和回转中心不重合, 齿轮的不平衡是指齿轮的质心和回转中心不重合,从 而导致齿轮副的不稳定运行和振动. 而导致齿轮副的不稳定运行和振动. 时域特征:齿轮产生以调幅为主,调频为辅的振动. 时域特征:齿轮产生以调幅为主,调频为辅的振动. 频域特征: 频域特征:在啮 合频率及其谐波 两侧产生边频族; 两侧产生边频族; 同时, 同时,受不平衡 力的激励, 力的激励,齿轮 轴的旋转频率及 其谐波的能量也 有相应的增加. 有相应的增加.
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n1 n2 啮合频率f 啮合频率 c: f c = Z1 = Z 2 60 60 n1,n2主,从动轮转速,Z1,Z2主,从动轮齿数. 从动轮转速, , 从动轮齿数.
一组频率间隔较大的脉冲函数和一组频率间隔较小 的脉冲函数的卷积,在频谱上就形成若干组围绕啮合频 的脉冲函数的卷积, 率及其倍频成分两侧的边频族. 率及其倍频成分两侧的边频族.
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主要原因有以下几个方面: 主要原因有以下几个方面: 1,制造误差(主要有偏心,齿距偏差和齿形误差等) ,制造误差(主要有偏心,齿距偏差和齿形误差等) 偏心是指齿轮(一般为旋转体) 偏心是指齿轮(一般为旋转体)的几何中心和旋转中 心不重合,如左图中的小轮. 心不重合,如左图中的小轮.齿距偏差是指齿轮的实际齿 距与公称齿距有较大误差,如左图中的大齿轮. 距与公称齿距有较大误差,如左图中的大齿轮.而齿形误 差是指渐开线齿廓有误差,如右图所示. 差是指渐开线齿廓有误差,如右图所示.
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(4)齿轮局部异常 ) 齿轮的局部异常包括齿根部有较大裂纹, 齿轮的局部异常包括齿根部有较大裂纹,局部齿面 磨损,轮齿折断,局部齿形误差等. 磨损,轮齿折断,局部齿形误差等.局部异常齿轮的振 动波形是典型的以齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲, 动波形是典型的以齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲,如 图所示.具有局部异常故障的齿轮, 图所示.具有局部异常故障的齿轮,将以旋转频率为主 要频域特征. 要频域特征.
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(3)齿轮不同轴 ) 齿轮不同轴故障是指由于齿轮和轴装配不当造成的齿 轮和轴不同轴.不同轴故障会使齿轮产生局部接触, 轮和轴不同轴.不同轴故障会使齿轮产生局部接触,导致 部分轮齿承受较大的负荷. 部分轮齿承受较大的负荷. 时域特征:时域信号具有明显的调幅现象. 时域特征:时域信号具有明显的调幅现象. 频域特征:在频谱上产生以n倍啮合频率为中心 倍啮合频率为中心, 频域特征:在频谱上产生以 倍啮合频率为中心,以 故障齿轮的旋转频率为间隔的一阶边频族.同时, 故障齿轮的旋转频率为间隔的一阶边频族.同时,故障齿 轮的旋转特征频率在频谱上有一定反映. 轮的旋转特征频率在频谱上有一定反映.
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三,齿轮故障诊断常用的信号分析处理方法 由于齿轮故障在频谱图上反映出的边频带比较多, 由于齿轮故障在频谱图上反映出的边频带比较多 , 因此频谱分析时必须有足够的频率分辨率. 因此频谱分析时必须有足够的频率分辨率.当边频带的 间隔(故障频率)小于分辨率时, 间隔 (故障频率)小于分辨率时,就分析不出齿轮的故 可采用频率细化技术提高分辨率. 频率细化技术提高分辨率 障,可采用频率细化技术提高分辨率.
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故障实例
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(5)齿距误差 ) 齿距误差是指一个齿轮的各个齿距不相等, 齿距误差是指一个齿轮的各个齿距不相等,存在有 误差.齿距误差是由齿形误差造成的. 误差.齿距误差是由齿形误差造成的. 时域特征:在低频下可以观察到明显的调幅特征. 时域特征:在低频下可以观察到明显的调幅特征.
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倒频谱能够明 倒频谱能够明 显地显示出功率谱 上的周期成分, 上的周期成分,将 原来成族的边频带 谱线简化为单根谱 线,便于观察.可 便于观察. 由此检测出齿轮故 障时振动频谱中的 等间隔边频带. 等间隔边频带.
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四,齿轮常见故障信号特征与精密诊断 1,正常齿轮的时域特征与频域特征 , (1)时域特征 ) 正常齿轮由于刚度的影响, 正常齿轮由于刚度的影响,其波形为周期性的衰减波 其低频信号具有近似正弦波的啮合波形. 形.其低频信号具有近似正弦波的啮合波形. (2)频域特征 ) 正常齿轮的信号反映在功率谱上, 正常齿轮的信号反映在功率谱上,有啮合频率及其谐 波分量,且以啮合频率成分为主,其高次谐波依次减小; 波分量,且以啮合频率成分为主,其高次谐波依次减小; 在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波. 在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波.
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(2)频率调制 ) 齿轮载荷不均匀,齿距不均匀及故障造成的载荷波动, 齿轮载荷不均匀,齿距不均匀及故障造成的载荷波动, 除了对振动幅值产生影响外,同时也必然产生扭矩波动, 除了对振动幅值产生影响外,同时也必然产生扭矩波动, 使齿轮转速产生波动. 使齿轮转速产生波动.这种波动表现在振动上即为频率调 也可以认为是相位调制). 制(也可以认为是相位调制 . 也可以认为是相位调制 对于齿轮传动, 对于齿轮传动,任何导致 产生幅值调制的因素也同时会 导致频率调制. 导致频率调制.两种调制总是 同时存在的. 同时存在的.对于质量较小的 齿轮副, 齿轮副,频率调制现象尤为突 出.频率调制即使在载波信号 和调制信号均为单一频率成分 的情况下, 的情况下,也会形成很多边频 成分. 成分.
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二,齿轮的振动机理 1,齿轮的力学模型分析 , 如图所示为齿轮副的力学模型, 如图所示为齿轮副的力学模型,其中齿轮具有一定的 质量,轮齿可看作是弹簧, 质量,轮齿可看作是弹簧,所以若以一对齿轮作为研究对 则该齿轮副可以看作一个振动系统. 象,则该齿轮副可以看作一个振动系统. 图中的齿轮啮合刚度是 k(t), 为周期性的变量 , , 为周期性的变量, 一是随着啮合点位置而变 化,二是参加啮合的齿数 在变化. 在变化.由此可见齿轮的 振动主要是由k(t)的这种 振动主要是由 的这种 周期变化引起的. 周期变化引起的.
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2,装配不良 , 齿轮装配不当会造成工作状态劣化.如图(a)所示 所示, 齿轮装配不当会造成工作状态劣化 . 如图 所示 , 当一对互相啮合的齿轮轴不平行时, 当一对互相啮合的齿轮轴不平行时 , 会在齿宽方向只有 一端接触, 或者出现齿轮的直线性偏差等, 一端接触 , 或者出现齿轮的直线性偏差等 , 使齿轮所承 受的载荷在齿宽方向不均匀,不能平稳地传递动扭矩, 受的载荷在齿宽方向不均匀 , 不能平稳地传递动扭矩 , 如图(b)所示 使齿的局部承受过大的载荷, 所示, 如图 所示 ,使齿的局部承受过大的载荷, 有可能造成 断齿. 断齿.
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(2)齿轮偏心 ) 齿轮偏心是指齿轮的中心与旋转轴的中心不重合, 齿轮偏心是指齿轮的中心与旋转轴的中心不重合,这 种故障往往是由于加工造成的. 种故障往往是由于加工造成的. 时域特征: 时域特征:当一对互相啮合的齿轮中有一个齿轮存在 偏心时,其振动波形由于偏心的影响被调制, 偏心时,其振动波形由于偏心的影响被调制,产生调幅振 下图为齿轮有偏心时的振动波形. 动,下图为齿轮有偏心时的振动波形.
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频域特征:齿轮存在偏心时, 频域特征:齿轮存在偏心时,其频谱结构将在两个方 面有所反映: 面有所反映:一是以齿轮的旋转频率为特征的附加脉冲幅 值增大;二是以齿轮一转为周期的载荷波动, 值增大;二是以齿轮一转为周期的载荷波动,从而导致调 幅现象,这时的调制频率为齿轮的回转频率, 幅现象,这时的调制频率为齿轮的回转频率,比所调制的 啮合频率要小得多. 啮合频率要小得多.下图为具有偏心的齿轮的典型频谱的 特征. 特征.
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2,故障情况下振动信号的时域特征与频域特征 , (1)均匀磨损 ) 齿轮均匀磨损是 指由于齿轮的材料, 指由于齿轮的材料, 润滑等方面的原因或 者长期在高负荷下工 作造成大部分齿面磨 损. 时域特征: 时域特征:正弦 波的啮合波形遭到破 坏
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频域特征:齿面均匀磨损时, 频域特征:齿面均匀磨损时,啮合频率及其谐波分 倍频在频谱图上的位置保持不变, 量n倍频在频谱图上的位置保持不变,但其幅值大小发生 倍频在频谱图上的位置保持不变 改变,而且高次谐波幅值相对增大较多.分析时, 改变,而且高次谐波幅值相对增大较多.分析时,要分 析三个以上谐波的幅值变化才能从频谱上检测出这种特 征. 随着磨损的加剧,还有可能产生分数谐波, 随着磨损的加剧,还有可能产生分数谐波,有时在 升降速时还会出现呈非线性振动的跳跃现象. 升降速时还会出现呈非线性振动的跳跃现象.
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一,齿轮故障的常见形式与原因 齿轮由于结构型式,材料与热处理, 齿轮由于结构型式, 材料与热处理,操作运行环境与 条件等因素不同,发生故障的形式也不同, 条件等因素不同, 发生故障的形式也不同,常见的齿轮故 障有以下几类形式. 障有以下几类形式. (1)齿面磨损 齿面磨损 (2)齿面胶合和擦伤 齿面胶合和擦伤 (3)齿面接触疲劳 (4)弯曲疲劳与断齿 齿面接触疲劳 弯曲疲劳与断齿
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3.润滑不良 . 对于高速重载齿轮,润滑不良会导致齿面局部过热, 对于高速重载齿轮,润滑不良会导致齿面局部过热, 造成色变,胶合等故障. 造成色变,胶合等故障.导致润滑不良的原因是多方面 除了油路堵塞,喷油孔堵塞外,润滑油中进水, 的,除了油路堵塞,喷油孔堵塞外,润滑油中进水,润 滑油变质,油温过高等都会造成齿面润滑不良. 滑油变质,油温过高等都会造成齿面润滑不良. 4.超载 . 对于工作负荷不平稳的齿轮驱动装置(例如矿石破 对于工作负荷不平稳的齿轮驱动装置 例如矿石破 碎机,采掘机等),经常会出现过载现象, 碎机,采掘机等 ,经常会出现过载现象,如果没有适 当的保护措施,就会造成轮齿过载断裂, 当的保护措施,就会造成轮齿过载断裂,或者长期过载 导致大量轮齿根部疲劳裂纹,断裂. 导致大量轮齿根部疲劳裂纹,断裂. 5.操作失误 . 操作失误通常包括缺油,超载,长期超速等, 操作失误通常包括缺油,超载,长期超速等,都会 造成齿轮损伤,损坏. 造成齿轮损伤,损坏.
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本章重点: 本章重点: 1,齿轮啮合频率的定义 , 2,正常齿轮的时域与频域特征 , 3,齿轮均匀磨损的时域与频域特征 , 4,齿轮偏心的时域与频域特征 , 5,齿轮不同轴的时域与频域特征 , 6,齿轮局部异常的时域与频域特征 , 7,齿距误差的时域与频域特征 , 8,不平衡齿轮的时域与频域特征 ,