機械故障診斷學(xué) 鐘秉林 第10章旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)檢測與故障診斷

1、第10章 旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷 l 機械振動及其種類 l 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 機械故障診斷理論與方法 第3篇 機械故障診斷技術(shù)的工程應(yīng)用 2021-7-61 內(nèi) 容 安 排 l 齒輪箱故障診斷 l 滾動軸承的振動信號分析 應(yīng)用篇。工程領(lǐng)域進 行理論探索、方法研 究和技術(shù)開發(fā)的終極終極 目標目標是將其有關(guān)成果 成功地應(yīng)用于工程實 踐，取得直接的經(jīng)濟 效益和社會效益。 n旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術(shù)是近些年來國內(nèi)外開展廣泛研究，發(fā) 展比較成熟的故障診斷技術(shù)，具有一定的代表性，因此是應(yīng) 用篇的重點部分重點部分。 n旋轉(zhuǎn)機械是指指齒輪箱、離心風(fēng)機、離心泵、汽輪機、燃氣輪 機、發(fā)電機、電動機、離心壓縮

2、機、水輪機、航空發(fā)動機等 機械設(shè)備，可見，機械設(shè)備中大部分都是旋轉(zhuǎn)機械，它們廣 泛應(yīng)用于應(yīng)用于電力、石化、冶金、機械、造紙、船舶、航空以及 軍事等重要工程領(lǐng)域。 一、概述 2021-7-62 n旋轉(zhuǎn)機械運行速度一般較高，且往往是關(guān)鍵設(shè)備，其工況狀 態(tài)影響機器設(shè)備自身的安全穩(wěn)定、甚至可能導(dǎo)致重大經(jīng)濟損 失、機毀人亡的事故。 n隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機械正朝著大型、高 速和自動化方向發(fā)展，這對提高安全性和可靠性，發(fā)展先進 的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，提出了迫切要求。 n本章以旋轉(zhuǎn)機械中最基本最基本的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、齒輪箱和軸承為對象， 討論工況監(jiān)視和故障診斷方法。 一、概述 2021-7-63

3、 一、概述 2021-7-64 n在眾多可用于檢測與診斷的信號中，如振動、溫度、壓力、 聲響、位移、變形等，振動信號能夠迅速、直接地反映機械 設(shè)備的運行狀態(tài)。 n據(jù)統(tǒng)計，70%以上的故障都是以振動形式表現(xiàn)出來，用振動方 法可以發(fā)現(xiàn)使用中的航空發(fā)動機故障的34%。 n關(guān)于振動的一些概念： 二、振動基礎(chǔ) 2021-7-65 2.1 機械振動及其種類 機械振動是自然界、工程技術(shù)和日常生活中 普遍存在的物理現(xiàn)象。各種機械在運動時，由于 諸如諸如旋轉(zhuǎn)件的不平衡、負載的不均勻、結(jié)構(gòu)剛度 的各向異性、間隙、潤滑不良、支撐松動等因素， 總是伴隨著各式各樣的振動振動。 二、振動基礎(chǔ) 2021-7-66 振動測試

4、的3個基本參數(shù)：幅值、頻率和相位。 幅值 幅值是振動強度大小的標志，它可以 用不同的方法表示，如如單峰值、有效 值、平均值等； 頻率 為周期的倒數(shù)。通過頻譜分析可以確 定主要頻率成分及其幅值大小，從而 可以尋找振源，采取措施； 相位 振動信號的相位信息十分重要，利用 相位關(guān)系確定確定共振點、振型測量、旋 轉(zhuǎn)件動平衡、有源振動控制、降噪等。 二、振動基礎(chǔ) 2021-7-67 機 械 振 動 穩(wěn)態(tài)振動 能夠用數(shù)學(xué)式 明確表示的函數(shù) 隨機振動 需用數(shù)理統(tǒng)計方法 來描述 周期振動 振動以周期T 重復(fù)出現(xiàn) 非周期振動 振動無固定 的周期 平穩(wěn)隨機振動 振動統(tǒng)計特性 對時間為常數(shù) 非平穩(wěn)隨機振動 振動統(tǒng)計

5、特性 隨時間而變化 二、振動基礎(chǔ) 2021-7-68 n從統(tǒng)計角度，旋轉(zhuǎn) 機械振動可分成： 2.2 簡諧振動 n 簡諧振動是最基本的周期運動，周期運動都可以用 多個不同頻率的簡諧運動的組合組合來表示。 n 簡諧振動的運動規(guī)律可以用簡諧函數(shù)表示： yA T tsin() 2 Af tsin()2 Atsin() v dy dt Af tcos()2 a dv dt Af ty 22 2sin() 位移 速度 加速度 二、振動基礎(chǔ) 2021-7-69 2.3 周期振動 y ty tnTn( )(), , ,. 0 1 2n 周期振動的定義： （按周期T重復(fù)） n 周期函數(shù)可以展開為傅里葉級數(shù)： 1

6、 0 1 0 sin( sincos)( n nn n nn tnAA tnbtna a ty 旋轉(zhuǎn)機械的振動過程是一個以周期振動為主導(dǎo)主導(dǎo)的 隨機過程。 二、振動基礎(chǔ) 2021-7-610 2.4 轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)機械在啟停升降速過程中，往往往往在某個(或 某幾個)轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)振動急劇增大的現(xiàn)象，有時有時甚 至在工作轉(zhuǎn)速下振動也比較強烈。其振動原因往往 是由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)處于臨界轉(zhuǎn)速附近產(chǎn)生共振： 二、振動基礎(chǔ) 在無阻尼無阻尼的情況下，轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速等于等于 其橫向固有頻率； 在有阻尼有阻尼的情況下，轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速略高略高 于于其橫向固有頻率。 轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速個數(shù)與轉(zhuǎn)子的自由度相等相等。 對實

7、際轉(zhuǎn)子來說，理論上有無窮多個臨界 轉(zhuǎn)速，但但由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速限制，往往只能只能 遇見數(shù)個臨界轉(zhuǎn)速。 二、振動基礎(chǔ) 2021-7-612 nncr 05 1 . 0507 11 .nnn crcr nncr 07 1 . 剛性轉(zhuǎn)子 準剛性轉(zhuǎn)子 撓性轉(zhuǎn)子 第一階臨界轉(zhuǎn)速 二、振動基礎(chǔ) 2021-7-613 n 根據(jù)轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速n與其第一階臨界轉(zhuǎn)速ncr1之間 的關(guān)系，可劃分為劃分為： 3.1 旋轉(zhuǎn)機械振動評定標準 目前最常采用的是通頻振幅通頻振幅來衡量機械運行狀態(tài)的，根 據(jù)所使用傳感器的種類分為分為： 軸承振動評定軸承振動評定 利用接觸式傳感器(例如磁電式振動速度傳感器或 壓電式振動加速度傳感器)

8、放置在軸承座上進行測量； 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-614 軸振動值評定軸振動值評定 這可利用非接觸式傳感器(例如電渦流式傳感器) 測 量軸相對相對于機殼的振動值或軸的絕對振動值。 評定參數(shù)可用振動位移峰峰值和振動烈度(即均方根 值，它代表了振動能量的大小)來表示。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-615 q 以軸承振動位移峰峰值作評定標準 轉(zhuǎn)速/rpm 標準/mm 優(yōu)良合格 15003050 70 3000203050 水電部汽輪機組振動標準(雙振峰) 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-6162021-7-616 機械部離心鼓風(fēng)機和壓縮機振動標準 標準轉(zhuǎn)速

9、/ mm3000650010000 10000 -16000 主軸主軸軸承50403020 齒輪齒輪軸承 404030 )min( 1 r 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-617 IEC汽輪機振動標準 )min( 1 r標準轉(zhuǎn)速/ mm10001500300036006000 軸承軸承上7550252112 軸軸上(靠近 軸承) 150100504420 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-618 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-619 可以看出轉(zhuǎn)速低， 則允許的振動值大； 轉(zhuǎn)速高，允許的振動 值小。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-620 可以看出轉(zhuǎn)速低，

10、 則允許的振動值大； 轉(zhuǎn)速高，允許的振動 值小。 在制定上述振動標準時，假設(shè)：在制定上述振動標準時，假設(shè)： 機組振動為單一頻率的正弦波振動； 軸承振動和轉(zhuǎn)子振動基本上有一固定的比值，因此因此 可利用軸承振動代表轉(zhuǎn)子振動； 軸承座在垂直、水平方向上的剛度基本上相等，即即 認為是各向同性的。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-621 實際證明上述假設(shè)與事實不盡相符：實際證明上述假設(shè)與事實不盡相符： 所測得的振動多數(shù)是由數(shù)種頻率的振動合成的； 轉(zhuǎn)子振動和軸承座振動的比值，可以是250倍， 它和軸承型式，間隙、軸承座剛度、油膜特性等有 關(guān)，且同類機組亦不盡相同； 軸承組水平剛度明顯低于低于垂直

11、剛度； 因此，為了較全面較全面的反映機組的振動情況，必須制定 其它的振動標準： 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-622 q 以軸承振動烈度作為評定標準 n 振動烈度 v T vt dtvvv rms T n 11 2 2 0 1 2 2 22 ( )() 1 2 1 2 1 2 2 2 2 222 ()AAAn n 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-623 ISO 3945振動標準：適用于大于300kW，轉(zhuǎn)速 為60012000 r/min的大型原動機和其它具有 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的大型機器，例如例如電動機和發(fā)電機、 蒸 汽 輪 機 和 燃 氣 輪 機 、 渦 輪 壓縮機、渦輪泵和風(fēng)扇

12、等。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-624 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-625 2021-7-626 草案 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 q 以軸振動的位移峰峰值作為評定標準 n 美國石油學(xué)會給出了功率不超過不超過1000kW的中小型渦 輪機械軸振動的振動標準API617，其振動許可值為： 式中： A振動許可值（雙振幅），單位： mm; n機器轉(zhuǎn)速，單位為 r/min。 A n 254 12000 . 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-628 趨勢監(jiān)測 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-629 分頻段監(jiān)測 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-630

13、 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-631 3.2 監(jiān)測參數(shù)及分析方法 q 監(jiān)測參數(shù) 動態(tài)參數(shù) n 振幅 表示振動的嚴重程度，可用位移、速 度或加速度表示； n 振動烈度 描述機器振動狀態(tài)的一種特征量； n 相位 對于確定旋轉(zhuǎn)機械的動態(tài)特性、故障 特性及轉(zhuǎn)子的動平衡等具有重要意義。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-632 靜態(tài)參數(shù) n 軸心位置 在穩(wěn)定情況下，軸承中心相對于相對于轉(zhuǎn) 軸軸頸中心的位置； n 軸向位置 是機器轉(zhuǎn)子上止推環(huán)相對于相對于止推軸 承的位置； n 差脹 旋轉(zhuǎn)機械中轉(zhuǎn)子與定子之間軸向間 隙的變化值。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-633 n 對

14、中度 指軸系轉(zhuǎn)子軸系轉(zhuǎn)子之間的連接對中程度，它 與各軸承之間的相對位置有關(guān)； n 溫度 軸瓦軸瓦溫度反映軸承運行情況；止推瓦止推瓦 反映軸承和靜止部件的軸向間隙。 n 潤滑油壓 反映滑動軸承油膜的建立情況。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-634 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-635 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-636 渦流傳感器的安裝 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-637 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-638 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-639 相對軸位移 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-640 相對軸膨脹

15、三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-641 輸 入 保 護 濾 波 正峰值 保持 負峰值 保持 峰峰 峰峰 疊疊 加加 比較比較 電路電路 報警 門限 精密 穩(wěn)壓源 振動 信號 振動信號峰峰值超限報警原理 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-642 間接測量電機電流 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-643 旋轉(zhuǎn)電機 傾動電機 高爐中心線 中心喉管 布料溜槽 旋轉(zhuǎn) 傾動 1 2 3 4 10 11 12 13 14 15 5 6 7 8 9 H 16 17 18 19 20 1-20均為齒輪，其中5，6，17，18為渦輪渦桿， 20為扇形齒輪， H為周轉(zhuǎn)輪系系桿 三、 轉(zhuǎn)子

16、系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-644 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-645 q 常用圖形分析方法 波特圖 振幅與頻率，相位與頻率的關(guān)系曲線。 0102030405060708090 0 10 20 30 40 50 振幅 / m m 頻率/ Hz 0102030405060708090 30 330 270 210 150 90 相位角/ 度 頻率/ Hz 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-646 n從波特圖中可以得到得到： 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在各個轉(zhuǎn)速下的振幅和相位、轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 在運行范圍內(nèi)的臨界轉(zhuǎn)速值、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)阻尼大小和共 振放大系數(shù)、綜合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上幾個測點可以確定轉(zhuǎn)子 系統(tǒng)的各

17、階振型。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-647 極坐標圖 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 270 90 180 461 1923 2215 2345 2415 2485 2555 2590 2621 2660 2695 2800 2870 3150 3535 4900 轉(zhuǎn)軸隨轉(zhuǎn) 速變化時 的工頻振 動矢量圖 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-648 幅頻特性和相頻 特性曲線綜合在 極坐標圖上得到。 軸心位置圖 9500 9400 9200 8700 8000 7600 1200 4500 500 360 -1.01.0 1.0 2.0 3

18、.0 rpm TOP 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-649 n 軸心位置圖是指：轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸在沒有徑向振動情況下 軸心相對于相對于軸承中心的穩(wěn)態(tài)位置。 n 通過軸心位置圖可判斷：可判斷：軸頸是否處于正常位 置、對中好壞、軸承標高是否正常、軸瓦有否變 形等情況，從長時間軸心位置的趨勢可觀察出軸 承的摩損等。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-650 軸心軌跡圖 -1.2 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 -1.5-1.0-0.50.00.51.01.5 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 三、

19、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-651 n 轉(zhuǎn)子在軸承中高速旋轉(zhuǎn)時，不僅圍繞不僅圍繞自身中心 旋轉(zhuǎn)，而且還環(huán)繞而且還環(huán)繞某一中心作渦動運動。 n產(chǎn)生渦動運動的原因可能原因可能是轉(zhuǎn)子不平衡、對中不 良或動靜摩擦等，這種渦動運動的軌跡稱為軸心 軌跡。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-652 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-653 n 機械振動信號絕大多數(shù)是由多種激勵信號合成 的復(fù)雜信號，按照傅里葉分析原理傅里葉分析原理，這種復(fù)雜 信號可以分解為分解為一系列諧波分量（即頻率成 分，包含幅值和相位特征量）。 各諧波分量以頻率軸為坐標，按轉(zhuǎn)速頻率高低排列起 來的譜圖，稱為頻譜圖

20、。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-654 頻譜圖和瀑布圖 n 當(dāng)把啟動或停機時各個不同轉(zhuǎn)速的頻譜圖畫在一 張圖上時，就得到瀑布圖。其橫坐標為頻率，縱 坐標為轉(zhuǎn)速和幅值。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-655 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-656 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-657 瀑布圖 0 50 100 150 200 250 300 0 1 2 3 4 5 0 50 100 150 200 250 300 350 頻率轉(zhuǎn)速X103rpm mm 譜幅值 Hz 利用瀑布圖可以判斷機器的臨界轉(zhuǎn)速、振動原因等。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021

21、-7-658 趨勢分析圖 n趨勢分析是把所測得的特征數(shù)據(jù)值和預(yù)報值 按一定的時間順序排列起來進行分析。 n這些特征數(shù)據(jù)可以是通頻振動、1 振幅、2 振幅、0.5 振幅、軸心位置等，時間順序 可以按前后各次采樣、按小時、按天等，趨 勢分析在故障診斷中起著重要的作用。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 40 0 80 120 160 200 240 280 12345678910 日期 d 振動峰峰值 mm 停機門限值 報警門限值 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-660 1振動峰值趨勢圖 振動可接受區(qū)域 x x x x x x x x x 1x或2x幅值或相位矢量域 旋轉(zhuǎn)方向 27090 18

22、0 0 1x或2x幅值或相位矢量域 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-661 n 振動可接受區(qū)域是 指：指：把振動矢量繪制 在極坐標圖上，并在 極坐標圖上劃分出劃分出一 定的范圍作為振動可 接受區(qū)域。 3.3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要故障及其診斷 旋轉(zhuǎn)機械的故障種類已知的有二三十種，介紹幾種常見 的故障機理及診斷方法。 q 不平衡 旋轉(zhuǎn)機械最常見的故障 n 由于設(shè)計、制造、安裝中轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均勻、結(jié)構(gòu)不對 稱、加工和裝配誤差等原因和由于機器運行時結(jié)垢、熱 彎曲、零部件脫落、電磁干擾力等原因而產(chǎn)生質(zhì)量偏心。 n 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，質(zhì)量不平衡將激起轉(zhuǎn)子的振動。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-662

23、 特征 振動頻率和轉(zhuǎn)速頻率一致，轉(zhuǎn)速頻率的高次 諧波幅值很低，時域波形接近正弦波； 剛性轉(zhuǎn)子剛性轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的離心力與轉(zhuǎn)速的平方 成正比，而在軸承座軸承座測得的振動隨轉(zhuǎn)速增加 而加大，但不一定不一定與轉(zhuǎn)速的平方成正比，這 是由于軸承與轉(zhuǎn)子之間的非線性所致； 在臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速附近，振幅出現(xiàn)峰值，且相位在 臨界轉(zhuǎn)速前后相差近180。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-663 分類 固有不平衡； 轉(zhuǎn)子彎曲：初始彎曲、熱彎曲 轉(zhuǎn)子部件脫落 ； 聯(lián)軸節(jié)精度不良。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-664 DDDD DDDD b) a) 聯(lián)軸節(jié)精度不良引起的初始彎曲 a) 端面偏擺 b

24、) 徑向偏擺 DD DD D D DD 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-665 q 轉(zhuǎn)子不對中 n 旋轉(zhuǎn)機械一般是由多根轉(zhuǎn)子所組成的多轉(zhuǎn)子系 統(tǒng)，轉(zhuǎn)子間一般采用剛性或半撓性聯(lián)接軸聯(lián)接。 n 由于制造、安裝及運行中支承軸架不均勻膨脹、 管道力作用、機殼膨脹、地基不均勻下沉等多種 原因影響，造成轉(zhuǎn)子不對中故障，從而引起機組 的振動。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-666 DDD D D DD D D D D D 平行不對中 角度不對中 組合不對中 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-667 特征 改變改變軸承的支承負荷，使軸承的油膜壓力也 隨之改變，負荷減小負荷減小的軸

25、承可能會產(chǎn)生油膜 失穩(wěn)； 最大振動最大振動往往在不對中聯(lián)軸器兩側(cè)的軸承上， 且振動值與轉(zhuǎn)子的負荷有關(guān)，隨負荷的增大 而增高； 平行不對中平行不對中主要引起徑向振動，振動頻率為 兩倍旋轉(zhuǎn)頻率，同時也存在高倍頻振動。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-668 q 滑動軸承的半速渦動和油膜振蕩 軸在軸頸中作偏心旋轉(zhuǎn)時，形成一個進口斷面大于大于 出口斷面的油楔油楔，如果出口處的油液流速不馬上下降 ，則軸頸軸頸從油楔中間隙大的地方帶入的油量大于大于從間 隙小的地方帶出的油量。由于液體的不可壓縮性，多 余的油就推動軸頸前進，形成與軸旋轉(zhuǎn)方向相同的渦 動運動，渦動速度即為油楔本身的前進速度： 三、

26、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-669 A B C+e e d 2 d 2 o O C-e ( .)042048 n實際產(chǎn)生渦動頻率約為 ： 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-670 n 流入B側(cè)的流量分 成3部分： l A側(cè)流出部分 l 軸承兩端泄露部分 l 油膜下不由于渦動 增加部分。 半速渦動。 頻率 振幅 振幅 轉(zhuǎn)速 c1 c1 a) 頻率 振幅 振幅 轉(zhuǎn)速 b) c1 c1 頻率 振幅 振幅 轉(zhuǎn)速 c) c1 c1 不同載荷下的油膜振蕩油膜振蕩特點 輕載轉(zhuǎn)子 中載轉(zhuǎn)子 a) 重載轉(zhuǎn)子 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-671 頻率 振幅 振幅 轉(zhuǎn)速 c1 c1 a

27、) 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-672 n 輕載轉(zhuǎn)子在第一臨界轉(zhuǎn)速之前之前就發(fā)生了不穩(wěn)定的半速渦動， 但不產(chǎn)生但不產(chǎn)生大幅度的振動； n 當(dāng)轉(zhuǎn)速達到第一臨界轉(zhuǎn)速cr1時，轉(zhuǎn)子由于共振而有較大的 振幅； n 越過cr1后振動再次減少，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到兩倍cr1時，振幅增 大并且不隨轉(zhuǎn)速的增加而改變，即油膜振蕩。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-673 n 中載轉(zhuǎn)子在過了一階臨界轉(zhuǎn)速cr1后會出現(xiàn)后會出現(xiàn)半速渦動，而油 膜振蕩則在2cr1后出現(xiàn)。 頻率 振幅 振幅 轉(zhuǎn)速 b) c1 c1 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-674 n 對于重載轉(zhuǎn)子，因為軸頸在軸承中相對偏心

28、率較大，轉(zhuǎn)子的 穩(wěn)定性好，低轉(zhuǎn)速時并不存在并不存在半速渦動現(xiàn)象，甚至轉(zhuǎn)速達到 cr1 時，還不會發(fā)生很大的振動； n當(dāng)轉(zhuǎn)速達到2cr1后的某一轉(zhuǎn)速時，才突然突然發(fā)生油膜振蕩。 頻率 振幅 振幅 轉(zhuǎn)速 c) c1 c1 n 消除油膜振蕩的措施有： 增加轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度增加轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度。轉(zhuǎn)子固有頻率越高越高， 產(chǎn)生油膜振蕩的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速也越高越高，系統(tǒng)失穩(wěn) 轉(zhuǎn)速應(yīng)在工作轉(zhuǎn)速的125以上； 選擇合適的軸承形式和軸承參數(shù)選擇合適的軸承形式和軸承參數(shù)。圓柱軸承 制造簡單，但抗振性最差，橢圓軸承、三油 楔、多油楔軸承次之?？蓛A瓦軸承可傾瓦軸承最好； 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-675 增加外阻尼

29、增加外阻尼； 增加軸承比壓增加軸承比壓，改變進油溫度或粘度。如切 短軸承長度，在下瓦中部開環(huán)形槽等，國產(chǎn) 300MW汽輪發(fā)電機組的油膜振蕩是通過將軸 瓦長度從430 mm縮減到320 mm以及將原30號 油改用20號油來解決的; 減小軸承間隙減小軸承間隙； 改變進油壓力改變進油壓力。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-676 q 動靜摩擦 由 于 轉(zhuǎn) 子 彎 曲 、 轉(zhuǎn) 子 不 對 中 引 起 軸 心 嚴 重 變 形，間隙不足和非旋轉(zhuǎn)部件彎曲變形等原因引 起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子與固定件固定件接觸碰撞而引起的異常振動。 摩擦分全圓徑環(huán)形摩擦和局部摩擦兩種。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-

30、677 特征 振動頻帶寬，既有與轉(zhuǎn)速頻率相關(guān)的低頻部 分，也有與固有頻率相關(guān)的高次諧波分量， 并伴隨有異常噪聲，可根據(jù)振動頻譜和聲譜 進行判別； 振動隨時間而變。在轉(zhuǎn)速、負荷工況一定， 由于接觸局部發(fā)熱而引起振動矢量的變化， 其相位變化與旋轉(zhuǎn)方向相反； 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2021-7-678 接觸摩擦開始瞬間會引起嚴重相位跳動(大于 10相位變化)。局部摩擦?xí)r，無論是同步還 是異步其軌跡均帶有附加的環(huán)。 摩擦?xí)r，軸心軌跡總是反向進動，即與轉(zhuǎn)軸 旋轉(zhuǎn)方向相反，由于摩擦還可能出現(xiàn)自激振 動，自激的渦動頻率為轉(zhuǎn)子一階固有頻率， 但渦動方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反。 三、 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷 2

31、021-7-679 4.1 4.1 齒輪常見故障及形成原因齒輪常見故障及形成原因 1.齒輪故障的常見形式：齒輪故障的常見形式： (1)齒的斷裂 (3)齒面磨損或劃痕 (2)齒面疲勞(點蝕、剝落) (4)齒面塑性變形 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-680 斷齒：41% 齒面疲勞（點蝕、剝落、龜裂）：31% 齒面磨損：10% 齒面劃痕：10% 其它故障（塑性變形、化學(xué)腐蝕、異物嵌入等）：8% 常見故障類型和失效比例常見故障類型和失效比例 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-681 q 齒斷裂 分 疲勞斷裂或過負荷斷裂。 最常見的是疲勞疲勞斷裂，通常先從先從受力側(cè)齒根產(chǎn)生龜裂、 逐漸向逐漸向齒

32、端發(fā)展而致折斷。 過負荷過負荷斷裂是由于機械系統(tǒng)速度的急劇變化、軸系共振、 軸承破損、軸彎曲等原因，使齒輪產(chǎn)生不正常的一端接觸 ，載荷集中到齒面一端而引起的。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-682 圖圖 齒根部的應(yīng)力集中齒根部的應(yīng)力集中 q 齒面疲勞 由于齒面接觸應(yīng)力超過超過材料允許的疲勞極限。表面 層先是先是產(chǎn)生細微裂紋，然后然后是小塊剝落，直至嚴重直至嚴重時 整個齒斷裂。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-683 q 齒磨損 由于金屬微粒、污物、塵埃和沙粒等進入齒輪而導(dǎo)導(dǎo) 致致材料磨損、齒面局部熔焊隨之又隨之又撕裂的現(xiàn)象。 分：粘著磨損、磨粒磨損與劃痕、腐蝕磨損等。 q 齒面塑性變

33、形 軟齒面齒輪傳遞載荷過大（或在大沖擊載荷下）時，易 產(chǎn)生齒面塑性變形。如壓碎、趨皺。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-684 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-685 2. 齒輪失效的主要原因齒輪失效的主要原因 1）由制造誤差引起的缺陷 2）由裝配誤差引起的故障 3）運用中產(chǎn)生的故障 失 效 原 因失 效 比 重（%） 齒輪箱 缺陷 設(shè) 計12 40 裝 配9 制 造8 材 料7 修 理4 運行缺 陷 維 護24 43 操 作19 相鄰部件（聯(lián)軸器、電動機等）缺陷17 齒輪箱失效原因及失效比重 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-686 失 效 零 件失 效 比 重（%） 齒 輪60

34、軸 承19 軸10 箱 體7 緊 固 件3 油 封1 齒輪箱的失效零件及失效比重 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-687 n 在生產(chǎn)條件下很難直接檢測某一個齒輪的故障信 號，一般是在軸承、箱體有關(guān)部位測量。 n 當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時，無論無論齒輪發(fā)生了異常與否，齒的 嚙合都會發(fā)生沖擊嚙合振動，其振動波形表現(xiàn)出振動波形表現(xiàn)出振 幅受到調(diào)制的特點，甚至既調(diào)幅又調(diào)頻。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-688 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-689 4.2 4.2 齒輪的振動機理齒輪的振動機理 1. 齒輪副的力學(xué)模型分析齒輪副的力學(xué)模型分析 齒輪具有一定的質(zhì)量，輪齒可看作是彈簧，所以若以一對 齒輪

35、作為研究對象，則該齒輪副可以看作一個振動系統(tǒng)。 n 齒輪的振動主要是由k(t)的 周 期變化引起的。 n k(t) 為周期性的變量： 一是一是隨著嚙合點位置而變 化；二是二是參加嚙合的齒數(shù) 在變化。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-690 對于如圖所示的齒輪副力學(xué)模型，其振動方程為： Mrx+Cx+K(t)x-E(t)=(T2-iT1)/r2 n式中，x齒輪作用線上的相對位移； C齒輪嚙合阻尼； K(t)齒輪嚙合剛度； T1，T2作用于主動齒輪和從動齒輪上的扭矩； r2從動齒輪的節(jié)圓半徑； i齒輪副的傳動比； E(t)由于輪齒變形和誤差及故障而造成的兩個齒輪 在作用線方向上的相對位移； M

36、r等效質(zhì)量，等于m1m2/(m1+m2)。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-691 若忽略忽略齒面上摩擦力的影響，則(T2-iT1)/r2。E(t)分解 為兩部分兩部分E(t)=E1+E2(t)，E1為齒輪受載后的平均靜彈性變 形；E2(t)為齒輪的誤差和故障造成的兩個齒輪間的相對 位移。這樣上式可簡化為： Mrx+Cx+K(t)x=K(t)E1+K(t)E2(2) n公式的左端左端代表齒輪副本身的振動特征，右端右端為激振函數(shù)。 由激振函數(shù)可以看出，齒輪振動來源于兩部分：一部分為 K(t)E1，稱為常規(guī)振動，與齒輪的誤差和故障無關(guān)； n另一部分為K(t)E2(t)，它取決于取決于齒輪的綜合

37、剛度和故障函數(shù) n由此可以較好地解釋齒輪信號中邊頻的存在以及它們和故障 的關(guān)系。 2. 齒輪的特征頻率齒輪的特征頻率 (1) 嚙合頻率 從這個意義上說：齒輪傳動系統(tǒng)的嚙合振動 是不可避免的。振動的頻率就是嚙合頻率。也就 是齒輪的特征頻率，其計算公式如下： 齒輪一階嚙合頻率 i=2、3、4、 n 其中：n齒輪軸的轉(zhuǎn)速（r/min） Z齒輪的齒數(shù) n 60 Z f c 嚙合頻率的高次諧波f ci i f c 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-692 式中：n1、n2主、從動輪轉(zhuǎn)速，Z1、Z2主、從動輪 的齒數(shù)。 Z 2 n2 60 n1 60 Z1 f c 嚙合頻率fc 也可表示為： 從一個齒輪

38、開始嚙合到到下一個齒輪進入嚙合，齒 輪的嚙合剛度就變化一次，由此可以計算出齒輪的嚙 合周期及頻率。 齒輪嚙合剛度的變化頻率即為嚙合頻率。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-693 (2) 軸的轉(zhuǎn)動頻率（簡稱轉(zhuǎn)頻） 齒輪及軸的轉(zhuǎn)頻 fr 為: 式中： n為齒輪及軸的轉(zhuǎn)速(r/min) fr n / 60(Hz) 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-694 齒輪以嚙合頻率振動的特點: （1）振動頻率隨轉(zhuǎn)速變化而變化； （2）一般存在嚙合頻率的諧頻（整數(shù)倍頻）； （3）當(dāng)嚙合頻率或其高階諧頻接近或等于接近或等于齒 輪的某階固有頻率時，齒輪產(chǎn)生強烈振動；由 于齒輪固有頻率一般較高，產(chǎn)生強烈振動的可

39、能性不大，但常為強烈噪聲。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-695 (3) 齒輪的固有頻率 一對齒輪副的固有頻率 式中：m一對齒輪的等效質(zhì)量 mc、mr大、小齒輪的等效質(zhì)量 （HZ） K m 1 2 f n 1 mr 1 mc 1 m 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-696 K齒輪副的等效彈簧常數(shù) （等效剛度） Kc、Kr 大、小齒輪的等效彈簧剛度。 齒輪的固有頻率多為110kHz的高頻 1 K r 1 K c 1 K 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-697 3. 幅值調(diào)制與頻率調(diào)制幅值調(diào)制與頻率調(diào)制 齒輪振動信號的調(diào)制現(xiàn)象中包含有很多故障信 息，從頻域上看，信號調(diào)制的結(jié)果結(jié)果是使

40、齒輪嚙合頻 率周圍周圍出現(xiàn)邊頻帶成分。 信號調(diào)制可分為兩種：幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-698 （1 1）幅值調(diào)制）幅值調(diào)制 幅值調(diào)制是由于齒面載荷波動對振動幅值的影 響而造成的。幅值調(diào)制從數(shù)學(xué)上看從數(shù)學(xué)上看，相當(dāng)于兩個信 號在時域上相乘相乘；而在頻域上在頻域上，相當(dāng)于兩個信號的 卷積卷積。 載波信號頻率相對來說較高較高；調(diào)制信號頻率相 對于載波頻率來說較低較低。在齒輪信號中，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。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-699 幅值調(diào)制幅值調(diào)制 圖圖6-12 調(diào)調(diào)幅信號波形及頻譜幅信號波形及頻譜 四、

41、齒輪箱故障診斷 2021-7-6100 齒輪嚙合的特征頻率齒輪嚙合的特征頻率邊頻帶邊頻帶 由于傳遞的扭矩隨著嚙合而改變，它作用 到轉(zhuǎn)軸上，使轉(zhuǎn)軸發(fā)生扭振。而轉(zhuǎn)軸上由于鍵槽 等非均布結(jié)構(gòu)的存在，軸的各向剛度不同，剛度 變動的周期與軸的周轉(zhuǎn)時間一致，激發(fā)的扭振振 幅也就按轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)頻變動。這個扭振對齒輪的嚙 合振動產(chǎn)生了調(diào)制作用，從而在齒輪嚙合頻率的 兩邊產(chǎn)生出以軸頻為間隔的邊頻帶。 邊頻帶也是齒輪振動的特征頻率，嚙合的異 常狀況反映到邊頻帶，造成邊頻帶的分布和形態(tài) 都發(fā)生改變?？梢哉f：邊頻帶包含了齒輪故障的邊頻帶包含了齒輪故障的 豐富信息豐富信息。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6101 一

42、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)的卷積卷積，在頻譜上就形成若干組圍繞 嚙合頻率及其倍頻成分兩側(cè)的邊頻族。 邊頻帶（由幅值調(diào)制、頻率調(diào)制及相位調(diào)制產(chǎn)生） 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6102 （2）頻率調(diào)制 齒輪載荷不均勻、齒距不均勻及故障造成的載 荷波動，除了對振動幅值產(chǎn)生影響外，同時也必 然產(chǎn)生扭矩波動，使齒輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動。這種波 動表現(xiàn)在振動表現(xiàn)在振動上即為頻率調(diào)制(也可以認為是相位 調(diào)制)。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6103 頻率調(diào)制與相位調(diào)制 圖 頻率調(diào)制或相位調(diào)制信號波形及頻譜 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6104 用于齒輪箱振動信號

43、的分析方法有： 功率譜分析法 邊頻帶分析法 倒譜分析法 時域平均法 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6105 4.3 齒輪箱振動信號的分析 希爾伯特包絡(luò)分析法 時頻分析法 時域模型法 圖 齒輪振動信號典型的功率譜圖 1 功率譜分析法功率譜分析法 功率譜可確定齒輪振動信號能量的頻率結(jié)構(gòu) (a)線狀譜:齒輪的嚙 合頻率及其諧波； (b)山狀譜:結(jié)構(gòu)共 振，如輪軸橫向振動 固有頻率； (c)隨機譜:隨機振動 信號； (d)同時存在三種譜。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6106 功率譜分析可確定齒輪振動信號的頻率構(gòu) 成和振動能量在各頻率成分上的分布，是一種 重要的頻域分析方法。 幅值譜也能

44、進行類似的分析，但由于功率 譜是幅值的平方關(guān)系，所以功率譜比幅值譜更 能突出嚙合頻率及其諧波等線狀譜成分而減少減少 了隨機振動信號引起的一些“毛刺”現(xiàn)象。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6107 （1）正常齒輪的時域特征與頻域特征 （a）時域特征 正常齒輪由于剛度的影響，其波形為周期性的衰減 波形。其低頻信號具有近似正弦波的嚙合波形。 （b）頻域特征 正常齒輪的信號反映在功率譜上，有嚙合頻率及 其諧波分量，且以嚙合頻率成分為主，其高次諧波依 次減??；在低頻處有齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6108 （2）故障情況下振動信號的時域特征與頻域特征 （a）均

45、勻磨損 齒輪均勻磨損磨損是指由 于齒輪的材料、潤滑等 方面的原因或者長期在 高負荷下工作造成大部 分齒面磨損。 時域特征：正弦波的 嚙合波形遭到破壞 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6109 頻域特征：齒面均勻磨損時，嚙合頻率及其諧波分 量n倍頻在頻譜圖上的位置保持不變，但其幅值大小發(fā) 生改變，而且高次諧波幅值相對增大較多。分析時， 要分析三個以上諧波的幅值變化才能從頻譜上檢測出 這種特征。 隨著磨損的加劇，還有可能產(chǎn)生分數(shù)諧波，有時 在升降速時還會出現(xiàn)呈非線性振動的跳躍現(xiàn)象。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6110 故障實例故障實例 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6111 （

46、b）齒輪偏心 齒輪偏心是指齒輪的中心與旋轉(zhuǎn)軸的中心不重 合，這種故障往往是由于加工造成的。 時域特征：當(dāng)一對互相嚙合的齒輪中有一個齒輪 存在偏心時，其振動波形由于偏心的影響被調(diào)制， 產(chǎn)生調(diào)幅振動。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6112 頻域特征：齒輪存在偏心時，其頻譜結(jié)構(gòu)將在兩個 方面有所反映：一是以齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率為特征的附加 脈沖幅值增大增大；二是以齒輪一轉(zhuǎn)為周期的載荷波動， 從而導(dǎo)致調(diào)幅現(xiàn)象調(diào)幅現(xiàn)象，這時的調(diào)制頻率為齒輪的回轉(zhuǎn)頻 率，比所調(diào)制的嚙合頻率要小得多。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6113 （c）齒輪不同軸 齒輪不同軸故障是指由于齒輪和軸裝配不當(dāng)造成 的齒輪和軸不

47、同軸。不同軸故障會使齒輪產(chǎn)生局部接 觸，導(dǎo)致部分輪齒承受較大的負荷。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6114 時域特征：時域信號具有明顯的調(diào)幅現(xiàn)象。 頻域特征：在頻譜上產(chǎn)生以n倍嚙合頻率為中心， 以故障齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的一階邊頻族。同時， 故障齒輪的旋轉(zhuǎn)特征頻率在頻譜上有一定反映。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6115 （d）齒輪局部異常 齒輪的局部異常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。局部異常 齒輪的振動波形是典型的以齒輪旋轉(zhuǎn)頻率為周期 （Tc）的沖擊脈沖，如圖所示。具有局部異常故障 的齒輪，將以旋轉(zhuǎn)頻率為主要頻域特征。 四、 齒輪箱故障診斷

48、2021-7-6116 齒輪局部異常齒輪局部異常 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6117 （e e）齒距誤差）齒距誤差 齒距誤差是指一個齒輪的各個齒距不相等，存在有 誤差。齒距誤差是由齒形誤差造成的。 時域特征：在低頻下可以觀察到明顯的調(diào)幅特征。 頻域特征：頻 域上包含旋轉(zhuǎn)頻率 的各次諧波、各階 嚙合頻率以及以故 障齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率 為間隔的邊頻等。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6118 （f f）不平衡齒輪）不平衡齒輪 齒輪的不平衡是指齒輪的質(zhì)心和回轉(zhuǎn)中心不重合，從 而導(dǎo)致齒輪副的不穩(wěn)定運行和振動。 時域特征：齒輪產(chǎn)生以調(diào)幅為主、調(diào)頻為輔的振動。 頻域特征：在嚙合頻 率及其諧波兩

49、側(cè)產(chǎn)生 邊頻族；同時，受不 平衡力的激勵，齒輪 軸的旋轉(zhuǎn)頻率及其諧 波的能量也有相應(yīng)的 增加。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6119 2 邊頻帶分析法邊頻帶分析法 邊頻帶成分包含有豐富的齒輪故障信 息，要提取邊頻帶信息，在頻譜分析時必須 有足夠高的頻率分辨率。當(dāng)邊頻帶譜線的間 隔小于小于頻率分辨率時，或譜線間隔不均勻， 都阻礙邊頻帶的分析，必要時應(yīng)對感興趣的 頻段進行頻率細化分析(ZOOM分析)，以準 確測定邊頻帶間隔，見圖。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6120 圖 工程實際應(yīng)用的頻譜圖 a) 幅值譜b) 細化后的邊頻帶 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6121 一般從兩

50、方面進行邊頻帶分析： 一是利用邊頻帶的頻率對稱性，找出 （n=1、2、 3 ）的頻率關(guān)系，確定是否為一組邊頻帶。如果 是邊頻帶，則可知道嚙合頻率c和調(diào)制信號頻率r。 二是比較各次測量中邊頻帶幅值的變化趨勢。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6122 根據(jù)邊頻帶呈現(xiàn)的形式和間隔，有可能得到以 下信息： 1）當(dāng)邊頻間隔為旋轉(zhuǎn)頻率r時，可能為齒輪偏 心、齒距的緩慢的周期變化及載荷的周期波動等缺 陷存在，齒輪每旋轉(zhuǎn)一周，這些缺陷就重復(fù)作用一 次，即這些缺陷的重復(fù)頻率與該齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率相 一致。旋轉(zhuǎn)頻率r指示出問題齒輪所在的軸。 2）齒輪的點蝕等分布故障會在頻譜上形成類似 1）的邊頻帶，但其邊頻階數(shù)

51、少而集中在嚙合頻率及 其諧頻的兩側(cè)(參見圖1)。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6123 3）齒輪的剝落、齒根裂紋及部分斷齒等局部故障 會產(chǎn)生特有的瞬態(tài)調(diào)制，在嚙合頻率其及諧頻兩側(cè) 產(chǎn)生一系列邊帶。其特點是邊帶階數(shù)多而譜線分 散，由于高階邊頻的互相疊加而使邊頻族形狀各 異。 (參見圖2)。嚴重的局部故障還會使旋轉(zhuǎn)頻率 r及其諧波成分增高。 圖2 圖1 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6124 需要指出的是，由于邊頻帶成分具有不穩(wěn)定 性，在實際工作環(huán)境中，尤其是幾種故障并存 時，邊頻族錯綜復(fù)雜，其變化規(guī)律難以用上述的 典型情況表述，而且還存在兩個軸的旋轉(zhuǎn)頻率r 混合情況。但邊頻的總體水

52、平是隨著故障的出現(xiàn) 而上升的。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6125 3倒頻譜分析法倒頻譜分析法 對于同時有數(shù)對齒輪嚙合的齒輪箱振動頻譜 圖，由于每對齒輪嚙合時都將產(chǎn)生邊頻帶，幾個 邊頻帶交叉分布在一起，僅進行頻率細化分析識 別邊頻特征是不夠的；由于倒頻譜將功率譜中的 諧波族變換為倒頻譜圖中的單根譜線，其位置代 表功率譜中相應(yīng)諧波族(邊頻帶)的頻率間隔時間 (倒頻譜的橫坐標表示的是時間間隔，即周期時 間)，因此可解決上述問題。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6126 63 圖（a）為信號的功率譜圖，邊帶信號的譜線間隔為20Hz。 圖（b）為信號的倒譜圖，圖中譜峰的間隔為0.05s

53、 （20Hz）。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6127 圖圖 用倒頻譜分析齒輪箱振動信號中的邊譜帶用倒頻譜分析齒輪箱振動信號中的邊譜帶 1 1嚙合頻率；嚙合頻率；2 2、3 3高高次頻率；次頻率； A1A1、A2A2周期周期11.8ms(85Hz)11.8ms(85Hz)諧波諧波;B1;B1、B2B2周期周期20ms(5020ms(50Hz) )諧波諧波 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6128 該圖是某齒輪箱振動信號的頻譜。 圖a的頻率范圍為0-20kHz，頻率間隔 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。 圖b的頻率范圍為3.513.5

54、kHz，頻率 間隔為5Hz，能觀察到很多邊頻帶，但仍很 難分辨出邊頻帶。 圖88c的頻率范圍進一步細化為7.5 9.5kHz，頻率間隔不變，可分辨出邊頻 帶，但還有點亂。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6129 若進行倒頻譜分析，如圖d所示，能很清楚 地表明對應(yīng)于兩個齒輪副的旋轉(zhuǎn)頻率（85Hz 和50Hz）的兩個倒頻分量（Ai和Bi）。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6130 倒頻譜分析的優(yōu)越性： （1）受傳輸途徑的影響很小。 （2）將原來譜上成族的邊頻帶譜線簡化為單根 譜線，可以檢測出功率譜中難以辨別的周期性。 （3）對于傳感器的測點位置或信號傳輸途徑不 敏感以及對于幅值和頻率調(diào)

55、制的相位關(guān)系不敏 感。這種不敏感，反而有利于監(jiān)測故障信號的有 無，而不看重某測點振幅的大小（可能由于傳輸 途徑而被過分放大）。 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6131 4 時域平均法時域平均法 關(guān)鍵是測量時要有時標信號，并且經(jīng)過擴展壓縮的運 算，把原來的周期轉(zhuǎn)為被檢測齒輪轉(zhuǎn)過一整轉(zhuǎn)的周期。然后 把加速度信號按此周期截斷疊加，然后進行平均（可減小噪 聲干擾）。基本原理如下圖所示。 濾波 時標 時標擴展或 壓縮運算 信號平均 光滑化濾波 T T 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6132 齒輪在各種狀態(tài)下的時域平均信號 (a) 正常齒輪 (b) 齒輪安裝錯位（調(diào)制 頻率為轉(zhuǎn)頻及倍頻） (c

56、) 齒面嚴重磨損 （有高次諧波） (d) 個別齒出現(xiàn)斷裂 （有突跳現(xiàn)象） 時域平均法 齒輪在各種狀態(tài)下的 時域平均信號 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6133 希爾伯特（Hilbert）包絡(luò)是時域信號絕對值的包絡(luò)， 它從信號中提取調(diào)制信號，分析調(diào)制函數(shù)的變化，對提取故 障特征具有很大的優(yōu)越性。對包絡(luò)信號作譜分析，即可得到 包絡(luò)信號的包絡(luò)譜，希爾伯特變換包絡(luò)具有解調(diào)的功能。與 倒譜分析不同，倒譜是通過檢測頻譜圖中的周期性進行解 調(diào)，而希爾伯特變換包絡(luò)是通過分離出原信號中的低頻信息 進行解調(diào)，因此，由包絡(luò)分析得到的結(jié)果往往比較清晰直 觀。 5 Hilbert包絡(luò)分析法包絡(luò)分析法 四、 齒輪箱

57、故障診斷 2021-7-6134 包絡(luò)分析及譜分析 xt (1 cos(2f m t ) cos(2f c t ) f m 20Hzf c 400Hz采樣頻率5000Hz，點數(shù)1000 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6135 時頻分析法是對信號在時域和頻域同時進行分析，從 時域和頻域兩個方面更深刻地反映了信號的特征。因此時 頻分析方法可以有效地應(yīng)用于非平穩(wěn)信號的分析，彌補了 傳統(tǒng)傅里葉頻譜分析方法的不足。 齒輪箱振動信號中，調(diào)頻、調(diào)幅現(xiàn)象很多，傳統(tǒng)的頻 譜分析很難對它們加以確認和區(qū)別 ，利用Wigner-Ville 譜、小波變換、EMD、廣義解調(diào)和LMD等則能很明顯地加 以區(qū)分，從而為齒

58、輪箱故障診斷提供了一種行之有效的途 徑。 6 時頻分析法時頻分析法 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6136 小波分析具有時、頻“聚焦”特性，在 時域或頻域同時具有良好的局部化性 質(zhì)。對信號進行小波變換，將信號劃分 到不同的頻段內(nèi)，運用頻譜細化技術(shù)對 信號進行譜分析，可以將故障信號分離 出來，準確判定故障位置 。 小波分析 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6137 st sin2f1t sin2f 2 t sin2f 3 t 頻率分別為：20，100，800Hz。采樣頻率2000Hz 小波分析 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6138 時間序列模型是用數(shù)學(xué)方法描述動態(tài)系統(tǒng)， 如果模

59、型是適用的，則殘差 at 最小，因此可以 比較正常工況與異常工況的殘差平方和，確定 故障是否存在，一般難以確定故障原因及部 位。此外，如果不先提取趨勢項，直接就原始 檢測數(shù)據(jù)進行AR譜分析，也可以分析故障信號 的頻率成分。 7 時域模型法時域模型法 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6139 齒輪箱例 2#機組齒輪箱參數(shù) 齒輪齒數(shù)轉(zhuǎn)速（rpm） Z11112958 Z12612743 1 1 49.75 60 n fHz 2 212.38fHz 1122 5522.0 e ffZfZHz 四、 齒輪箱故障診斷 2021-7-6140 齒輪箱頻譜圖齒輪箱時域波形 位置序號 頻率(Hz)211148429725516 幅值(mm/s)0.6384.9981.0530.215 為箱體振動和齒輪傳動發(fā)生共振，并且有二次 諧波成分 322 214 pp fff 四、 齒輪箱故障診斷 2021-