機車走行部牽引齒輪的故障診斷及檢測.doc

機車走行部齒輪的故障診斷及檢測20116767 劉宇珂摘要：機車走行部安全是機車運行安全的重要條件之一，而齒輪正是走行部的重要組成部分。因此對于齒輪的故障診斷及檢測尤為重要。而常見的齒輪失效有4種基本形式。對于齒輪的故障診斷方法目前大都以振動理論為基礎(chǔ)，振動信號處理技術(shù)是設(shè)備故障診斷中最有效、最常用的方法。關(guān)鍵字： 檢測 振動 1. 齒輪失效的基本形式1.齒輪的疲勞斷裂失效 齒輪運行過程中承受載荷。當(dāng)根部收到周期應(yīng)力超過齒輪材料的疲勞極限時，會在根部產(chǎn)生裂紋，并逐步擴展，甚至斷裂。并齒輪在工作中受到嚴(yán)重的沖擊、偏載以及材質(zhì)不均勻也可能會引起斷齒。當(dāng)齒輪收到過高的交變周期應(yīng)力時，也會引起疲勞斷裂。2.齒輪的磨損失效 當(dāng)齒輪工作面間潤滑油不足或油質(zhì)不清潔，有硬質(zhì)磨料存在時，會引起磨料損耗。3.齒輪的擦傷失效 重載和高速的齒輪傳動，使齒面工作溫度很高。當(dāng)潤滑油過低、轉(zhuǎn)速過低、運行溫度過高以及接觸面積過小，均會使油膜破裂而造成齒面摩傷。4. 齒面接觸疲勞剝落 齒輪在齒合過程中，即有相對滾動，又有相對滑動，而且相對滑動的摩擦力在節(jié)點兩側(cè)的方向相反，從而產(chǎn)生脈動載荷。這兩種力的作用使齒輪表面層深處產(chǎn)生脈動循環(huán)變化的剪應(yīng)力。剪應(yīng)力導(dǎo)致點蝕。當(dāng)“點蝕：擴大，連成一片時，形成齒面上金屬塊剝落，齒面上剩余的工作面積無法再繼續(xù)承受外部載荷。從而使整個齒產(chǎn)生斷裂。二. 信號特征2. 2. 1 正常齒輪的頻域特征 正常齒輪的信號反映在功率譜上, 有嚙合頻率fm 及其諧波分量, 即有nf m( n = 1, 2, . . . ) , 且以嚙合頻率成分為主, 其高次諧波依次減小。同時, 在低頻處有齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率f z 及其高次諧波mf z( m= 1, 2, . . . ) 。2. 2. 2 均勻磨損齒輪的頻域特征 均勻磨損時, 嚙合頻率及其諧波分量保持不變, 但其幅值大小改變, 且高次諧波幅值相對增大較多 6 。分析時, 至少要分析3 個以上諧波的變化, 才能從譜上檢測出這種磨損。另外, 隨著磨損的加劇, 還可能產(chǎn)生1/ k ( k = 2, 3,4, . . . ) 的分?jǐn)?shù)諧波, 有時在升降速時, 還會出現(xiàn)非線性振動特點的跳躍現(xiàn)象。2. 2. 3 局部異常齒輪的頻率特征 齒輪局部異常含義很廣, 包括齒根部有較大裂紋, 局部齒面磨損, 輪齒折斷, 局部齒形誤差等。具有局部異常的齒輪, 由于裂紋, 折斷或齒形誤差的影響, 將以旋轉(zhuǎn)頻率為主要的頻率特征, 即mf z ( m= 1, 2, . . . ) 7 。1. 2. 4 齒輪點蝕的特征 在嚙合過程中齒輪每轉(zhuǎn)到此部分接觸時, 由于摩擦力突然加大, 會產(chǎn)生一次或幾次沖擊現(xiàn)象, 嚙合振動受到調(diào)制, 其頻域表現(xiàn)為信號譜中出現(xiàn)一系列等間隔的頻率簇, 尤其是在高頻的嚙合頻率兩側(cè), 還經(jīng)常分布一系列以旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻帶, 這就是發(fā)生點蝕的故障特征。三. 齒輪振動信號的提取軸承、齒輪等旋轉(zhuǎn)機械故障檢測一般均使用振動的方法。通過時域信號特征參數(shù)及頻譜分析判斷其運行狀態(tài)。軸承和齒輪安裝在同一根軸上, 檢測時只有一個測點, 兩者的振動疊加在一起均被采集, 形成信號干擾。要想單獨檢測齒輪振動, 就需要將軸承振動信號盡量排除。軸承的振動是高頻振動, 一般在4 000 Hz 以上。當(dāng)輪對轉(zhuǎn)速在400 r/ min 時, 軸承振動信號在8 000 Hz以下, 因此檢測軸承時信號的截止頻率定在8 000 Hz。而齒輪的振動主要反映在它的嚙合頻率上, 嚙合頻率計算公式如下:式中Fm 為嚙合頻率; f r 為軸的轉(zhuǎn)頻; N 為齒輪齒數(shù)。在機車頂輪檢測時, 輪對轉(zhuǎn)速在400 r/ min, DF4B 貨機車的齒輪傳動比是63 14( 大齒輪齒數(shù)63, 電機軸小齒輪齒數(shù)14) , 這樣嚙合頻率Fm = ( 400/ 60) 63= 420Hz; DF8B 的齒輪傳動比是77 17, 它的嚙合頻率Fm =( 400/ 60) 77= 513 Hz。因此單獨對齒輪檢測時, 截止頻率既要包含齒輪振動, 又要躲開軸承的振動, 考慮到觀察嚙合頻率倍頻的情況, 截止頻率選取嚙合頻率的3 ) 4 倍, 因此采集齒輪振動信號的截止頻率設(shè)在2 000 Hz, 就可以排除軸承振動的干擾。四.齒輪的故障類型和診斷4. 1 齒面過度磨損或間隙過大齒輪正常振動嚙合頻率幅值較小, 如圖1。齒輪在經(jīng)過較長時間運用后, 會過度磨損齒面, 造成齒隙過大,嚙合時附加沖擊力加大。反映到振動信號上就是嚙合頻率的各次諧波幅值增大, 尤其高次諧波幅值增大更大, 如圖2。采集信號, 做頻譜分析, 觀察嚙合頻率的峰值, 與正常值比較可以判斷是否過度磨損。圖1 正常齒輪嚙合頻率圖圖2 齒輪過度磨損及間隙大嚙合頻率圖4. 2 齒變形、點蝕、齒根裂、斷齒齒輪每轉(zhuǎn)一周, 在齒面缺陷處( 一齒或幾個齒) 載荷平穩(wěn)波動一次、這種故障程度較小, 在振動信號中形成調(diào)制波, 如圖3。采集信號, 以嚙合頻率為中心, 做細(xì)化譜分析, 可以看到以嚙合頻率為中心的邊頻存在, 如圖4。圖3 齒輪振動調(diào)制波時域信號圖4 齒輪振動頻譜細(xì)化譜4. 3 齒面大的剝落這種故障引起大沖擊的振動, 在時域