齒輪振動故障診斷與分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機械監(jiān)測與診斷技術(shù)論 文齒輪震動故障診斷與分析 學(xué)院：機械與動力學(xué)院 姓名： 劉 聰 學(xué)號： 2015年11月4號專心-專注-專業(yè)齒輪振動故障診斷與分析一齒輪典型故障介紹(1)磨損磨損包括磨粒磨損、腐蝕磨損和沖擊磨損，磨粒磨損是常見的磨損形式，一般是由于齒的工作表面進入了金屬微粒、塵埃和沙粒等所引起的齒面擦傷或者齒面材料脫落，是潤滑不好的開式傳動齒輪的主要故障類型。齒輪磨損后，齒的厚度變薄，齒廓變形，側(cè)隙變大，會造成齒輪動載荷增大，不僅會使振動和噪音加大，而且很可能導(dǎo)致斷齒。磨損故障大概占齒輪常見故障比例的10%。(2)點蝕點蝕是減速箱等閉式齒輪傳動系統(tǒng)中極其普遍的故

2、障類型，約占齒輪常見故障比例的31%。齒輪受嚙合過程產(chǎn)生的循環(huán)交變應(yīng)力會在表面產(chǎn)生微小疲勞裂紋，嚙合時潤滑油進入該裂紋中后被封口并受擠壓產(chǎn)生高壓，從而擴大了裂紋，最終導(dǎo)致齒輪表面金屬的脫落形成麻點狀小坑，這就是點蝕。在齒輪表面硬度低于350HBS的閉式齒輪上，點蝕現(xiàn)象尤為常見。點蝕的出現(xiàn)會加大齒輪表面的局部接觸應(yīng)力，導(dǎo)致點蝕現(xiàn)象的惡化，進而加劇齒輪嚙合時的噪聲、降低齒輪傳動的精度。(3)斷齒斷齒在齒輪故障類型中是最容易發(fā)生的，占齒輪常見故障比例的41%。斷齒故障有過載斷齒、疲勞斷齒和缺陷斷齒三種，這里面又以疲勞斷齒最為常見，它是由于齒輪工作受到周期性載荷，彎曲應(yīng)力超過彎曲疲勞極限而在齒根處產(chǎn)生

3、疲勞裂紋，裂紋漸漸擴大，當(dāng)載荷的循環(huán)次數(shù)達到一定值時，就會致使輪齒折斷。斷齒是所有齒輪故障中最嚴(yán)重的類型，經(jīng)常會導(dǎo)致停工停產(chǎn)。(4)膠合齒輪潤滑良好時齒面間會保持一層潤滑油膜作用，但是當(dāng)載荷較大、齒面間壓力大、工作轉(zhuǎn)速高、工作表面溫度較高時，潤滑油膜被破壞，使金屬齒面直接接觸，相接觸的金屬材料在高溫高壓作用下發(fā)生粘著，相粘連的齒面由于相對滑動而被撕裂，在相對滑動方向形成劃痕。齒面的膠合故障，會加劇齒面的磨損程度和速度，從而使齒輪更加快速地失效。這種故障類型占齒輪常見故障比例的10%。(5)塑性變形軟齒面齒輪重載或者突然的重載沖擊情況下，齒面容易發(fā)生塑性變形。因為重載會大幅加大齒面的摩擦力，這會

4、導(dǎo)致齒輪表面的材料呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，使齒輪表面的金屬發(fā)生塑性流動，進而造成被動輪齒面中間凸起、主動輪齒面中間凹陷。塑性變形會使齒面偏離漸開線形狀，引起齒輪傳動比的變化，產(chǎn)生附加動載荷。齒輪塑性變形和化學(xué)腐蝕、表面龜裂等其它類型的一些故障，占齒輪常見故障比例的8%。2 齒輪振動類型及特征即便在理想狀態(tài)下，齒輪傳動也會有振動產(chǎn)生，更何況是實際中齒輪的工作環(huán)境一般都比較惡劣，再加上齒輪的制造問題、安裝問題、故障問題等的影響，因此齒輪傳動中的振動根本是無法避免的。1.齒輪振動類型介紹 不同的原因引起不同類型的振動，根據(jù)振動的來源一般可以把它們歸為兩類：一類是由齒輪正常嚙合傳動中交變載荷引起的，包括嚙合振動

5、和固有振動；另一類是由齒輪故障或者誤差引起的，如齒形誤差、磨損、斷齒等引起的振動。各種振動都有各自不同的特點，下面簡單介紹一下：(1)齒輪的嚙合振動齒輪傳動時，一對齒輪副中的兩個齒輪相互嚙合時會產(chǎn)生彈性變形，使剛進入嚙合的齒輪發(fā)生撞擊，從而產(chǎn)生振動，齒輪的嚙合振動是無論齒輪狀態(tài)的正常與否都會存在的，但是振動水平會存在差異。(2)齒輪的固有振動齒輪在嚙合過程中產(chǎn)生的周期性沖擊載荷的作用下，會激起固有振動，這種振動也是無論齒輪處于正?；蛘弋惓顟B(tài)都會發(fā)生的，齒輪的固有振動頻率就是產(chǎn)生的振動中的高頻分量。齒輪的固有振動會激起共振，而共振現(xiàn)象又會使齒輪的振動處于一個極高的水平，最終就會引起齒輪的斷齒故

6、障。因此，一個準(zhǔn)確的齒輪的固有頻率數(shù)值，對于齒輪故障診斷來說具有比較重要的參考價值。(3)齒輪磨損引起的振動齒輪齒面的磨損會使齒隙增大，進而導(dǎo)致齒輪嚙合頻率及其各次諧波振動分量幅值的增大，但是信號基波幅值增長緩慢，各次諧波分量幅值增長比基波快很多。(4)齒輪局部異常引起的振動齒輪的局部異常是指齒輪發(fā)生斷齒、根部產(chǎn)生大裂紋等，它會產(chǎn)生激勵，進而引起沖擊振動，沖擊劇烈時，不但會出現(xiàn)嚙合頻率的調(diào)制現(xiàn)象，還會出現(xiàn)固有頻率的調(diào)制現(xiàn)象。(5)齒輪誤差引起的振動齒輪存在誤差使齒輪副相互嚙合時產(chǎn)生撞擊，從而產(chǎn)生振動，撞擊頻率是嚙合頻率。以齒輪偏心和周節(jié)誤差為例，前者會提升齒輪轉(zhuǎn)頻振幅，后者則會在齒輪嚙合頻率及

7、其諧波上產(chǎn)生振動分量，增大它們的振幅。兩者都存在時就會出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，振動的高頻部分會出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻的高次諧波、嚙合頻率，且產(chǎn)生調(diào)制邊頻帶。(6)齒輪不同軸引起的振動齒輪不同軸會導(dǎo)致嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象的出現(xiàn)，并且存在調(diào)制邊頻帶，但是它的邊頻帶分布情況和齒輪誤差、點蝕、斷齒等的不同。上述6種振動類型，很明顯(1)、(2)屬于分類中的第一種，(4)-(6)屬于第二種。正常齒輪中最主要的振動是嚙合振動，而對于異常齒輪來說，除嚙合振動之外，誤差和故障也會使齒輪產(chǎn)生振動，有的甚至是沖擊振動。而沖擊振動如果比較強烈的話，將會引起共振現(xiàn)象，進而產(chǎn)生更加強烈的振動。這些振動通過一定方式以不同路徑在齒輪箱體內(nèi)外隨機傳遞，

8、其中存在“齒輪-鍵-軸-軸承-箱體”的路徑，一般的齒輪故障模擬試驗進行振動信號采集時都是利用這條路徑，將傳感器放在緊靠軸承這一振源處的箱體上。最后通過一定的手段和方法從齒輪振動信號中提取出正常振動信息和齒輪故障信息，實現(xiàn)齒輪故障診斷的目的。2. 故障齒輪振動信號特征(1)齒輪磨損故障齒輪磨損是指均勻磨損，不包括局部齒面磨損。當(dāng)齒輪發(fā)生磨損后，受調(diào)制現(xiàn)象影響，齒輪嚙合頻率及其各次諧波的振動分量與正常齒輪嚙合情況的相比會更加突出，位置雖然不會發(fā)生改變，但是幅值大小會發(fā)生改變，且幅值會隨著故障程度增大而變大。試驗中測得的齒輪磨損故障的時域波形如圖2-1所示。(2)齒輪點蝕故障如圖2-2所示，齒輪點蝕

9、故障時，同磨損故障一樣都會產(chǎn)生嚙合頻率的幅值調(diào)制現(xiàn)象，有些文章甚至將齒輪的磨損和點蝕故障都歸為小周期故障，這也從一定程度上說明了這兩種故障的波形具有一定的相似性。但是相比較來說，均勻磨損故障的邊帶較集中且階數(shù)少，點蝕故障的邊帶譜線分散且階數(shù)多.(3)齒輪斷齒故障不同于以上兩種齒輪故障的情況，齒輪發(fā)生斷齒故障時發(fā)生的幅值調(diào)制現(xiàn)象是以齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率為載波的，且齒輪斷齒相當(dāng)于在故障點輪齒剛度產(chǎn)生突變，在時域波形圖上會產(chǎn)生比較強烈的沖擊信號，具有明顯的周期性，周期為齒輪軸的旋轉(zhuǎn)周期，圖2-3可以清晰地表現(xiàn)出斷齒故障的這種振動特征。另外值得一提的是，齒輪斷齒程度比較嚴(yán)重時，由于其振動能量比較大、激起振

10、動的能力也會比較強，這樣既會導(dǎo)致齒輪嚙合頻率調(diào)制的出現(xiàn)，又會激勵起齒輪的固有振動頻率，從而發(fā)生齒輪的固有頻率振動調(diào)制現(xiàn)象。（4）齒輪振動有限元分析實際研究表明齒輪發(fā)生固有頻率調(diào)制現(xiàn)象后極易導(dǎo)致齒輪箱發(fā)生故障的，所以固有頻率在齒輪故障診斷中占據(jù)很重要的地位，為此，本文利用三維建模軟件Pro/E建立起不同故障類型齒輪的模型，求解齒輪的固有頻率和主振型，觀察不同故障類型齒輪的差異，從這個角度觀察一下齒輪不同故障對振動的影響。利用Pro/E軟件建立的正常、磨損、點蝕、斷齒四種狀態(tài)的齒輪模型如圖3-1所示?？偨Y(jié)以上主要是對齒輪的振動分析，具體可分為以下兩個部分。（1） 對齒輪的典型故障和齒輪傳動嚙合時的振動類型分析。（2） 利用三維建模軟件和有限元分析軟件分別對齒輪四種不同狀態(tài)進行建模和模態(tài)分析。參考文獻1王旭東.船用齒輪箱振動分析及結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)估D.重慶:重慶大學(xué)機械設(shè)計及理論學(xué)科碩士論文,2