齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷方法研究

1、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷方法研究?jī)?nèi)容提要: 在機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)通過主、從動(dòng)齒輪的相互嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和能量，這個(gè)過程將產(chǎn)生一定形式的機(jī)械振動(dòng)。而諸如磨損、點(diǎn)蝕、制造誤差、裝配誤差等齒輪和齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各種缺陷和故障必然引起機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或信號(hào)）發(fā)生變化。因此，在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)中，蘊(yùn)涵有它的健康狀態(tài) （故障與無故障）信息，監(jiān)測(cè)和分析振動(dòng)信號(hào)自然就可以診斷齒輪和齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的故障。關(guān)鍵詞: 齒輪故障;故障診斷;振動(dòng);裂紋目 錄引 言1第一章 影響齒輪產(chǎn)生振動(dòng)的因素21.1 振動(dòng)的產(chǎn)生21.2 振動(dòng)的故障2第二章 齒輪裂紋故障診斷42.1 裂紋產(chǎn)生的原因42.2齒輪裂紋分類、特征、

2、原因及預(yù)防措施42.2.1淬火裂紋42.2.2磨削裂紋42.2.3疲勞裂紋52.2.4輪緣和幅板裂紋6第三章 齒輪故障診斷方法與技術(shù)展望73.1 齒輪故障診斷的方法73.1.1 時(shí)域法73.1.2 頻域法73.1.3 倒頻譜分析83.1.4 包絡(luò)分析83.1.5 小波分析方法83.2 齒輪故障診斷技術(shù)的展望9結(jié) 論10致 謝11參考文獻(xiàn)12引 言隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備向著高性能、高效率、高自動(dòng)化和高可靠性的方向發(fā)展。齒輪由于具有傳動(dòng)比固定、傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是改變轉(zhuǎn)速和傳遞動(dòng)力的最常用的傳動(dòng)部件，是機(jī)械設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，也是易于故障發(fā)生的一個(gè)部件，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)整機(jī)的工

3、作性能有很大的影響。在機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)通過主、從動(dòng)齒輪的相互嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和能量，這個(gè)過程將產(chǎn)生一定形式的機(jī)械振動(dòng)。而諸如磨損、點(diǎn)蝕、制造誤差、裝配誤差等齒輪和齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各種缺陷和故障必然引起機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或信號(hào)）發(fā)生變化。因此，在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)中，蘊(yùn)涵有它的健康狀態(tài) （故障與無故障）信息，監(jiān)測(cè)和分析振動(dòng)信號(hào)自然就可以診斷齒輪和齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的故障。第 12 頁(yè)第一章 影響齒輪產(chǎn)生振動(dòng)的因素1.1 振動(dòng)的產(chǎn)生在齒輪的傳動(dòng)嚙合過程中，影響齒輪產(chǎn)生振動(dòng)的原因很多，有大周期的誤差也有小周期的誤差。產(chǎn)生大周期振動(dòng)的因素主要是齒輪加工過程中的運(yùn)動(dòng)偏心和幾何偏心以及安裝中的對(duì)中不良

4、；產(chǎn)生小周期振動(dòng)的因素主要有齒輪加工中的主軸回轉(zhuǎn)誤差，嚙合剛度的變化，齒輪嚙入、嚙出沖擊，以及在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的斷齒、齒根疲勞裂紋、齒面磨損、點(diǎn)蝕剝落、嚴(yán)重膠合等等。其中嚙合剛度的周期性變化是齒輪系統(tǒng)振動(dòng)的重要激振源之一。它的周期性變化主要由以下兩個(gè)原因所致：一是隨著嚙合點(diǎn)位置的變化，參加嚙合的單一齒輪的剛度發(fā)生了變化；二是參加嚙合的齒數(shù)在變化。如圖1-1所示，在嚙合開始時(shí)(A點(diǎn))，主動(dòng)輪齒1在齒根處嚙合，彈性變形較?。槐粍?dòng)齒輪2在齒頂處嚙合，彈性變形大，而在嚙合終止時(shí)(D點(diǎn))，情況則相反。設(shè)齒副I的嚙合剛度為k1，齒副的嚙合剛度為k2，則總的嚙合剛度為k=k1+k2。由圖1-1可以看出總的嚙

5、合剛度隨著從單嚙合區(qū)到雙嚙合區(qū)而作周期性的變化。圖1-1 直齒輪嚙合剛度變化圖1.2 振動(dòng)的故障當(dāng)齒輪存在大周期故障時(shí)，如運(yùn)動(dòng)偏心和幾何偏心，則仿真出來的齒輪嚙合振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖形如圖1-2所示。由圖中可以知道，隨著齒輪大周期誤差幅值的增大，諧波分量的幅值也會(huì)線性增大。而以嚙合頻率為中心以旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊帶頻率是由于信號(hào)調(diào)制產(chǎn)生的，即高頻的齒輪嚙合頻率受到齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率的調(diào)制，且隨著大周期誤差的增大而增大。圖1-2 齒輪偏心時(shí)的頻譜圖當(dāng)齒輪存在諸如點(diǎn)蝕剝落等小周期誤差時(shí)，則仿真出來的齒輪嚙合振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖形如圖1-3所示。齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在小周期誤差時(shí)齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)速度大小會(huì)有所變化，當(dāng)小周

6、期誤差大時(shí)這種現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重。根據(jù)頻率調(diào)制理論可知，齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖會(huì)形成嚙合頻率及其高次諧波以及分布在它們周圍的以旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊帶成分，它們的振幅隨故障的惡化而加大。圖1-3 齒輪點(diǎn)蝕剝落故障時(shí)的頻譜圖第二章 齒輪裂紋故障診斷2.1 裂紋產(chǎn)生的原因齒輪出現(xiàn)的裂紋，按其形成特點(diǎn)，可分為兩大類:工藝裂紋和使用裂紋。工藝裂紋是生產(chǎn)齒輪的工藝不當(dāng)而造成的材料缺陷所致，并在一定載荷條件下失穩(wěn)擴(kuò)展造成齒輪失效，如鑄造裂紋，鍛軋裂紋，焊接裂紋、熱處理裂紋(鄧淬火裂紋)、磨削裂紋等;而使用裂紋是在零件使用過程和環(huán)境中產(chǎn)生的，并進(jìn)而擴(kuò)展造成齒輪失效，如疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋等。2.2齒輪裂紋分類

7、、特征、原因及預(yù)防措施2.2.1淬火裂紋如圖2-1圖2-1淬火裂紋特征：在淬火時(shí)產(chǎn)生，多數(shù)呈發(fā)絲狀，有時(shí)能自行擴(kuò)展。裂紋有的沿齒根圓角半徑方向，有的在齒的兩個(gè)端面，也有的穿越齒頂或存在在齒的端面的表面硬化層與心部的交界處。較大裂紋的初始部位常有銹蝕或氧化的痕跡。淬火的裂紋也可能在齒輪使用一段時(shí)間后才見到。它常為其他損傷形式（如疲勞斷齒）的根源。原因：主要是淬火過程中產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力。它通常由不合適的淬火工藝，如升溫過急、淬火過急、淬火過緩等引起。齒的端面上的裂紋，通常由硬化層與心部交界處的相變不協(xié)調(diào)引起。預(yù)防措施：根據(jù)齒輪材料、尺寸、結(jié)構(gòu)和工作要求制訂合理的淬火工藝規(guī)程，并嚴(yán)格加以控制，防止淬

8、火速度過高或過低，淬火溫度不合適。對(duì)淬火后的齒輪應(yīng)嚴(yán)格檢驗(yàn)。2.2.2磨削裂紋如圖2-2圖2-2磨削裂紋特征：在磨削過程中產(chǎn)生，常在齒面上有幾乎平行的短裂紋或網(wǎng)狀裂紋。平行裂紋通常比網(wǎng)狀裂紋深。磨削裂紋一般較淺，肉眼不易發(fā)現(xiàn)，需用磁粉探傷或用5%硝酸乙醇腐蝕液處理等方法才能檢測(cè)。有時(shí)磨削裂紋是潛在的，要在閑置若干時(shí)間或加載工作后才顯示出來。原因：主要由磨削過程中的熱引起，也可能是由熱處理工藝不合理（在熱處理過程中形成了對(duì)磨削過熱敏感的金相組織）引起。磨削過熱可能是由于磨削工藝參數(shù)選擇不正確，砂輪不合格或選用不當(dāng)、冷卻措施不適當(dāng)?shù)取Ｄ承?duì)磨削過熱敏感的齒輪材料，更易產(chǎn)生磨削裂紋。預(yù)防措施：選擇適

9、當(dāng)?shù)哪ハ鞴に嚕刂七M(jìn)給量和磨削速度，加強(qiáng)冷卻措施，選用不易磨裂的材質(zhì)和合適的熱處理工藝。適當(dāng)選用合適的砂輪，并注意對(duì)其修整和平衡；采用具有斷續(xù)工作表面的砂輪，以降低表層的熱應(yīng)力。2.2.3疲勞裂紋如圖2-3圖2-3疲勞裂紋特征：應(yīng)力為重復(fù)交變；裂紋源常為齒輪表面應(yīng)力集中處，如齒根圓角、加工刀痕及材料缺陷處；尾端尖細(xì)，微觀主要呈穿晶擴(kuò)展，其總趨勢(shì)與主應(yīng)力想垂直。原因：交變應(yīng)力水平過高，材料缺陷與應(yīng)力集中源影響嚴(yán)重。預(yù)防措施：控制交變應(yīng)力水平，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免過小的齒根圓角，控制工藝因素減少不允許的表面及材料內(nèi)部缺陷。2.2.4輪緣和幅板裂紋如圖2-4 圖2-5 圖2-4 輪緣裂紋 圖2-5 幅板裂紋

10、特征：輪緣裂紋通常發(fā)生在兩相鄰齒之間的齒根部。輻板裂紋有的是由輪緣裂紋沿徑向擴(kuò)展而成，有的是在輻板自身中產(chǎn)生，不一定擴(kuò)展到輪緣。原因：輪緣斷裂通常是輪齒齒根圓角疲勞裂紋發(fā)展的結(jié)果。齒輪某部分的參殘余應(yīng)力過高，也回形成并促使疲勞裂紋擴(kuò)展。對(duì)鑲套式齒輪，輪緣與輪心的過盈量過大也可引起輪緣斷裂。輻板損傷，多因輻板強(qiáng)度不足，應(yīng)力集中或振動(dòng)等因素引起。預(yù)防措施：輪緣及輻板的尺寸應(yīng)滿足強(qiáng)度要求。以局部應(yīng)力集中因素，如切削刀痕、磨削與淬火裂紋、輪緣與輻板過渡處的尖銳圓角等，應(yīng)設(shè)法減少或消除。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)采取減振、防振措施。對(duì)鑲套齒輪，應(yīng)按適當(dāng)控制過盈量。第三章 齒輪故障診斷方法與技術(shù)展望3.1 齒輪故障診

11、斷的方法在各種齒輪故障診斷方法中，以振動(dòng)檢測(cè)為基礎(chǔ)的齒輪故障診斷方法具有測(cè)量簡(jiǎn)便、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通過測(cè)量齒輪運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，作為故障診斷的重要信息來源，是一種理想的齒輪傳動(dòng)狀態(tài)的在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)工具。振動(dòng)檢測(cè)和故障診斷的關(guān)鍵是怎樣從復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)中提取和分離與齒輪故障特征有關(guān)的微弱信息。目前研究和應(yīng)用的振動(dòng)檢測(cè)與故障診斷的方法可以分為以下幾類：3.1.1 時(shí)域法在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的過程中，我們常常會(huì)直接利用振動(dòng)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析并給出結(jié)果，這是最簡(jiǎn)單且最直接的方法，特別是當(dāng)信號(hào)中明顯含有簡(jiǎn)諧成分、周期成分或瞬時(shí)脈沖成分時(shí)更為有效。當(dāng)然這種方法要求分析人員具有比較豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。振動(dòng)時(shí)

12、域波形是一條時(shí)間歷程的波動(dòng)曲線。根據(jù)測(cè)量所用傳感器類型的不同，曲線的幅值可代表位移、速度或加速度。進(jìn)行波形分析時(shí)，主要采用如下特征量，也稱示性指標(biāo)：（1）振動(dòng)幅值，振動(dòng)幅值包括峰值、有效值（均方根值）和平均幅值，其中峰值又分為零峰值和峰-峰值。（2）振動(dòng)周期與頻率，不同的故障源通常會(huì)產(chǎn)生不同頻率的機(jī)械振動(dòng)，因此頻率分析在故障診斷中占有十分重要的地位。（3）相位，在實(shí)際應(yīng)用中，相位主要用于比較不同振動(dòng)運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，或確定一個(gè)部件相對(duì)于另一個(gè)部件的振動(dòng)狀況。通常不同振源產(chǎn)生的振動(dòng)具有不同相位。（4）其它指標(biāo)為了有效描述復(fù)雜的振動(dòng)，在實(shí)際應(yīng)用中也經(jīng)常使用一些示性指標(biāo)如：偏度、峭度，有時(shí)還需要利用一

13、些無量綱示性指標(biāo)來完成診斷或進(jìn)行趨勢(shì)分析，如：峰態(tài)因數(shù)、波形因數(shù)、脈沖因數(shù)、峰值因數(shù)、裕度因數(shù)等無量綱示性指標(biāo)。它們的診斷能力由大到小依次為：峰態(tài)因數(shù)-裕度因數(shù)-脈沖因數(shù)-峰值因數(shù)-波形因數(shù)。3.1.2 頻域法頻譜分析是在頻域中對(duì)原信號(hào)分布情況的描述，通常能夠提供比時(shí)域波形更加直觀的特征信息。因此頻譜包括功率譜和幅值譜等）被廣泛用作為故障診斷的依據(jù)。頻譜可以通過傅里葉變換的方式獲取。值得一提的是，機(jī)器振動(dòng)頻譜中，有些振動(dòng)分量雖然較大，但不隨時(shí)間而變化，對(duì)機(jī)器的正常運(yùn)行也不會(huì)構(gòu)成什么威脅。相反有一些幅值較小，但增長(zhǎng)很快的頻率分量卻往往預(yù)示著故障的產(chǎn)生和發(fā)展，應(yīng)該引起足夠的重視。3.1.3 倒頻譜

14、分析齒輪振動(dòng)的頻譜通常主要表現(xiàn)為嚙合頻率及諧波的邊帶，這種邊帶的產(chǎn)生是齒輪軸的轉(zhuǎn)頻調(diào)制齒輪軸的嚙合頻率而產(chǎn)生。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，它們保持不變。齒輪出現(xiàn)故障時(shí)，邊帶的數(shù)目和幅值發(fā)生變化。如上所述，輪齒發(fā)生裂紋時(shí)，故障齒輪每轉(zhuǎn)都會(huì)產(chǎn)生一次局部調(diào)制，由于齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多種調(diào)制現(xiàn)象可能同時(shí)存在，每種調(diào)制現(xiàn)象都會(huì)產(chǎn)生不同系列的等間隔周期頻譜。因?yàn)樗鼈兣c調(diào)制波源相關(guān)，這些邊帶包含豐富故障診斷信息。根據(jù)利用FFT進(jìn)行時(shí)-頻域轉(zhuǎn)換的概念，可以將頻譜分析結(jié)果再次利用FFT技術(shù)轉(zhuǎn)換到一個(gè)新的分析域中。這樣就形成了所謂的倒頻譜分析。倒頻譜具有檢測(cè)和分離頻譜中周期性成分的能力，會(huì)使原來譜圖上成族的邊頻譜線簡(jiǎn)化為倒頻

15、譜上的單根譜線，從而使頻譜中的復(fù)雜周期成分變得清晰易辨，以利于故障診斷。這種方法的缺點(diǎn)是倒譜的幅值大小對(duì)裂紋長(zhǎng)度的發(fā)展不敏感，不易進(jìn)行故障定位。3.1.4 包絡(luò)分析包絡(luò)分析就是提取載附在高頻信號(hào)上的低頻信號(hào)，從時(shí)域上看，為取時(shí)域波形的包絡(luò)軌跡。像具有齒輪、軸承等零部件的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷常常用到包絡(luò)分析。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承零部件有點(diǎn)蝕、剝落等損傷類故障時(shí)，伴隨設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)這些故障會(huì)產(chǎn)生周期性脈沖沖擊力，激起設(shè)備的各階固有振動(dòng)。選擇沖擊激起的高頻固有振動(dòng)為研究對(duì)象，通過濾波將其從信號(hào)中分離出來，然后通過包絡(luò)檢波，提取出載附在其上的與周期脈沖沖擊力對(duì)應(yīng)的包絡(luò)信號(hào)，從其強(qiáng)度和頻次就可以判斷零件損傷的程度和部

16、位。這種技術(shù)稱為包絡(luò)解調(diào)，也稱為早期故障探測(cè)法，它是判斷設(shè)備零件損傷類故障的一種有效的手段。3.1.5 小波分析方法小波變換作為一種新的數(shù)學(xué)理論和方法，己在不少領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在振動(dòng)信號(hào)分析中，小波變換屬于一種多分辨率的時(shí)頻分析方法，具有很多優(yōu)點(diǎn)，為非平穩(wěn)信號(hào)的分析提供了一個(gè)有價(jià)值的工具。實(shí)際應(yīng)用中常使用簡(jiǎn)單方便的二進(jìn)離散小波變換。從多分辨率分析的角度上看，小波分解相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器和一個(gè)低通濾波器，每次分解總是把原信號(hào)分解成兩個(gè)子信號(hào)，分別稱為逼近信號(hào)和細(xì)節(jié)信號(hào)，每個(gè)部分還要經(jīng)過一次隔點(diǎn)重采樣。如此分解N次即可得到第N層（尺度N上）的小波分解結(jié)果。小波變換常以下面3種方法用于齒輪箱運(yùn)

17、行狀態(tài)和故障診斷分析：（1）小波包能量譜進(jìn)行監(jiān)測(cè)；（2）邊帶識(shí)別；（3）奇異點(diǎn)的模極大值及過零點(diǎn)檢測(cè)。隨著小波分析技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)容量和運(yùn)算能力的飛速發(fā)展，最近人們開始對(duì)連續(xù)小波變換應(yīng)用于故障診斷分析。連續(xù)小波變換能為基小波的選擇提供很大方便，當(dāng)己知需檢成分的特征時(shí)，就可以選取成構(gòu)造與之對(duì)應(yīng)的基小波，作連續(xù)小波變換來揭示這些成分的分布和大小。小波變換雖然是一種很好的信號(hào)分析工具，但它仍然存在下面兩個(gè)問題：（1）小波變換分析的結(jié)果不如傅立葉變換那樣直觀明了，需要分析人員具有一定的小波分析理論基礎(chǔ)進(jìn)行判斷，不宜于使用計(jì)算機(jī)對(duì)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)分析和處理。（2）小波變換的核函數(shù)不是唯一確定的，需要根據(jù)工

18、程應(yīng)用中的實(shí)際進(jìn)行選擇。3.2 齒輪故障診斷技術(shù)的展望十幾年來，隨著科研人員的不斷努力探索，我國(guó)故障診斷技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，新技術(shù)、新方法層出不窮。展望今后齒輪故障診斷技術(shù)發(fā)展方向。有如下幾點(diǎn)看法:（1）傳統(tǒng)的頻譜分析技術(shù)將日趨完善。（2）專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等新技術(shù)將從實(shí)驗(yàn)室研究階段，逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用階段。（3）目前，齒輪故障診斷技術(shù)多集中于采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)手段，可以預(yù)見，在今后幾年里，鐵譜技術(shù)、油樣光譜技術(shù)及聲發(fā)射技術(shù)將會(huì)在齒輪故障診斷中占有一席之地。（4）隨著企業(yè)管理的現(xiàn)代化綜合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)與現(xiàn)代通訊技術(shù)的國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)絡(luò)、調(diào)制解調(diào)器等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷，將是今后機(jī)械故障診斷的發(fā)展方向。 結(jié) 論此次齒輪裂紋的設(shè)計(jì),克服了各種困難，但還存在許多問題，在此期間我們兩年來所學(xué)的知識(shí)得到了總結(jié)，并且也達(dá)到了老師讓我們自己在經(jīng)歷中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的要求，讓我們得到了很好的鍛煉。 通過此次畢業(yè)大作業(yè),