故障診斷方法與應用-齒輪常見故障與診斷

1、第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷本章重點：本章重點：1 1、齒輪故障形式、形成原因及振動機理、齒輪故障形式、形成原因及振動機理2 2、正常齒輪的時域與頻域特征、正常齒輪的時域與頻域特征3 3、齒輪均勻磨損的時域與頻域特征、齒輪均勻磨損的時域與頻域特征4 4、齒輪偏心的時域與頻域特征、齒輪偏心的時域與頻域特征5 5、齒輪不同軸的時域與頻域特征、齒輪不同軸的時域與頻域特征6 6、齒輪局部異常的時域與頻域特征、齒輪局部異常的時域與頻域特征7 7、齒距誤差的時域與頻域特征、齒距誤差的時域與頻域特征8 8、不平衡齒輪的時域與頻域特征、不平衡齒輪的時域與頻域特征故障齒輪故障齒輪一、齒輪故

2、障的常見形式與原因一、齒輪故障的常見形式與原因1.1. 齒輪故障的常見形式：齒輪故障的常見形式： (1)(1)齒面磨損齒面磨損 (2)(2)齒面膠合和擦傷齒面膠合和擦傷 (3)(3)齒面接觸疲勞齒面接觸疲勞 (4)(4)彎曲疲勞與斷齒彎曲疲勞與斷齒 第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷2.2. 主要原因：主要原因： (1) (1) 制造誤差制造誤差: :偏心、齒距偏差和齒形誤差等。偏心、齒距偏差和齒形誤差等。 偏心偏心: :齒輪（一般為旋轉體）的幾何中心和旋轉中心不齒輪（一般為旋轉體）的幾何中心和旋轉中心不重合，如左圖中的小輪。重

3、合，如左圖中的小輪。齒距偏差：齒輪的實際齒距與公稱齒距有較大誤差，如齒距偏差：齒輪的實際齒距與公稱齒距有較大誤差，如左圖中的大齒輪。左圖中的大齒輪。齒形誤差：齒形誤差：漸開線齒廓漸開線齒廓有誤差，如有誤差，如右圖所示。右圖所示。（2 2）裝配不良：工作狀態(tài)劣化。）裝配不良：工作狀態(tài)劣化。圖圖(a)(a)：齒輪軸不平行時，會在齒寬方向只有一端接觸，：齒輪軸不平行時，會在齒寬方向只有一端接觸，或者出現(xiàn)齒輪的直線性偏差等，使齒輪所承受的載荷在或者出現(xiàn)齒輪的直線性偏差等，使齒輪所承受的載荷在齒寬方向不均勻，齒寬方向不均勻，不能平穩(wěn)地傳遞動扭矩不能平穩(wěn)地傳遞動扭矩，圖圖(b)(b)：齒的局部承受過大的載

4、荷，有可能造成：齒的局部承受過大的載荷，有可能造成斷齒斷齒。 第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷 第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷（3 3）潤滑不良：）潤滑不良： 對于高速重載齒輪，潤滑不良會導致齒面局部對于高速重載齒輪，潤滑不良會導致齒面局部過熱，造成過熱，造成色變、膠合色變、膠合等故障。等故障。 導致潤滑不良的原因是多方面的，如：導致潤滑不良的原因是多方面的，如：油路油路堵塞、噴油孔堵塞，潤滑油中進水、潤滑油變質、堵塞、噴油孔堵塞，潤滑油中進水、潤滑油變質、油溫過高油溫過高等都會造成齒面潤滑不良。等都會造成齒面潤滑不良。 第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒

5、輪常見故障與診斷（4 4）超載）超載 對于對于工作負荷不平穩(wěn)工作負荷不平穩(wěn)的齒輪驅動裝置的齒輪驅動裝置( (例如礦石例如礦石破碎機、采掘機等破碎機、采掘機等) )，經(jīng)常會出現(xiàn)過載現(xiàn)象，如果沒，經(jīng)常會出現(xiàn)過載現(xiàn)象，如果沒有適當?shù)谋Ｗo措施，就會造成有適當?shù)谋Ｗo措施，就會造成輪齒過載斷裂輪齒過載斷裂，或者，或者長期過載導致大量長期過載導致大量輪齒根部疲勞裂紋、斷裂輪齒根部疲勞裂紋、斷裂。（5 5）操作失誤）操作失誤 操作失誤通常包括缺油、超載、長期超速等，都操作失誤通常包括缺油、超載、長期超速等，都會造成齒輪損傷、損壞。會造成齒輪損傷、損壞。二、齒輪的振動機理二、齒輪的振動機理1 1、齒輪的力學模型

6、分析、齒輪的力學模型分析 齒輪具有一定的質量，輪齒可看作是彈簧，齒輪具有一定的質量，輪齒可看作是彈簧，所以若以一對齒輪作為研究對象，則該齒輪副可所以若以一對齒輪作為研究對象，則該齒輪副可以看作一個振動系統(tǒng)。以看作一個振動系統(tǒng)。第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷 齒輪的振動主要是由齒輪的振動主要是由k(t)k(t)的這種周期變化引起的這種周期變化引起的。的。 k(t)k(t) 為周期性的變量：為周期性的變量：一是隨著嚙合點位置而變一是隨著嚙合點位置而變化，二是參加嚙合的齒數(shù)化，二是參加嚙合的齒數(shù)在變化。在變化。第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷式中：式中：n1、n

7、2主、從動輪轉速，主、從動輪轉速，Z1、Z2主、從動輪主、從動輪的齒數(shù)。的齒數(shù)。22116060ZnZnfc嚙合頻率嚙合頻率fc： 從一個齒輪開始嚙合到下一個齒輪進入嚙合，從一個齒輪開始嚙合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。的嚙合周期及頻率。齒輪嚙合剛度的變化頻率稱為嚙合頻率。齒輪嚙合剛度的變化頻率稱為嚙合頻率。 2 2、幅值調制與頻率調制、幅值調制與頻率調制 齒輪振動信號的調制現(xiàn)象中包含有很多故障齒輪振動信號的調制現(xiàn)象中包含有很多故障信息，從頻域上看，信號調制的結果是使齒輪嚙信息，從頻域上看，信號調

8、制的結果是使齒輪嚙合頻率周圍出現(xiàn)合頻率周圍出現(xiàn)邊頻帶邊頻帶成分。成分。 信號調制可分為兩種：信號調制可分為兩種：幅值調制幅值調制和和頻率調制頻率調制。 第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷 （1 1）幅值調制）幅值調制 幅值調制是由于齒面載荷波動對振動幅值的影響幅值調制是由于齒面載荷波動對振動幅值的影響而造成的。幅值調制從數(shù)學上看，相當于而造成的。幅值調制從數(shù)學上看，相當于兩個信號在時兩個信號在時域上相乘域上相乘；而在頻域上，；而在頻域上，相當于兩個信號的卷積相當于兩個信號的卷積。 載波信號頻率相對來說較高；調制信號頻率相對于載波信號頻率相對來說較高；調制信號頻率相對于載波頻率來

9、說較低。在齒輪信號中，載波頻率來說較低。在齒輪信號中，嚙合頻率嚙合頻率成分通常成分通常是是載波載波成分，齒輪軸成分，齒輪軸旋轉頻率旋轉頻率成分通常是成分通常是調制波調制波成分。成分。第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷 一組頻率間隔較大的脈沖函數(shù)和一組頻率間隔較一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，在頻譜上就形成若干組圍繞小的脈沖函數(shù)的卷積，在頻譜上就形成若干組圍繞嚙合頻率及其倍頻成分兩側的嚙合頻率及其倍頻成分兩側的邊頻族邊頻族。（2 2）頻率調制）頻率調制 齒輪載荷不均勻、齒距不均勻及故障造齒輪載荷不均勻

10、、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)生時也必然產(chǎn)生扭矩波動扭矩波動，使齒輪轉速產(chǎn)生波動。，使齒輪轉速產(chǎn)生波動。這種波動表現(xiàn)在振動上即為頻率調制這種波動表現(xiàn)在振動上即為頻率調制( (也可以認為也可以認為是相位調制是相位調制) )。第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷 對于齒輪傳動，任何導致產(chǎn)生幅值調制的因素也同時對于齒輪傳動，任何導致產(chǎn)生幅值調制的因素也同時會導致頻率調制。會導致頻率調制。兩種調制總是同時存在的兩種調制總是同時存在的。對于質量。對于質量較小

11、的齒輪副，頻率調制現(xiàn)象尤為突出。較小的齒輪副，頻率調制現(xiàn)象尤為突出。 頻率調制即使在載波信號和調制信號均為單一頻率頻率調制即使在載波信號和調制信號均為單一頻率成分的情況下，也會形成很多邊頻成分。成分的情況下，也會形成很多邊頻成分。三、齒輪故障診斷常用的信號分析處理方法三、齒輪故障診斷常用的信號分析處理方法 當邊頻帶的間隔（故障頻率）小于分辨率時，就分當邊頻帶的間隔（故障頻率）小于分辨率時，就分析不出齒輪的故障，可采用析不出齒輪的故障，可采用頻率細化頻率細化技術提高分辨率。技術提高分辨率。第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷 倒頻譜倒頻譜能夠明顯能夠明顯地顯示出功率譜上地顯示出功率

12、譜上的周期成分，將原的周期成分，將原來成族的來成族的邊頻帶譜邊頻帶譜線簡化為單根譜線線簡化為單根譜線，便于觀察?？捎纱吮阌谟^察?？捎纱藱z測出齒輪故障時檢測出齒輪故障時振動頻譜中的等間振動頻譜中的等間隔邊頻帶。隔邊頻帶。第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷 四、齒輪常見故障信號特征與精密診斷四、齒輪常見故障信號特征與精密診斷1 1、正常齒輪的時域特征與頻域特征、正常齒輪的時域特征與頻域特征（1 1）時域特征）時域特征 正常齒輪由于剛度的影響，其波形為周期性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的衰減波形。其低頻信號具有近似正弦波的嚙合波形。

13、波形。（2 2）頻域特征）頻域特征 正常齒輪的信號反映在功率譜上，有嚙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，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頻其高次諧波依次減??；在低頻處有齒輪軸旋轉頻率及其高次諧波。率及其高次諧波。第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷 2 2、故障情況下振動信號的時域特征與頻域特征、故障情況下振動信號的時域特征與頻域特征（1 1）均勻磨損）均勻磨損第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷 齒輪均勻磨損是齒輪均勻磨損是指由于齒輪的材料、指由于齒輪的材料、潤滑等方面的原

14、因或潤滑等方面的原因或者長期在高負荷下工者長期在高負荷下工作造成大部分齒面磨作造成大部分齒面磨損。損。 時域特征：正弦波時域特征：正弦波的嚙合波形遭到破壞的嚙合波形遭到破壞第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷 頻域特征：齒面均勻磨損時，嚙合頻率及其諧波頻域特征：齒面均勻磨損時，嚙合頻率及其諧波分量分量n n倍頻在頻譜圖上的位置保持不變，但倍頻在頻譜圖上的位置保持不變，但其幅值大其幅值大小發(fā)生改變小發(fā)生改變，而且，而且高次諧波幅值相對增大較多高次諧波幅值相對增大較多。分析。分析時，要分析三個以上諧波的幅值變化才能從頻譜上檢時，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。

15、測出這種特征。 隨著磨損的加劇，還有可能產(chǎn)生隨著磨損的加劇，還有可能產(chǎn)生分數(shù)諧波分數(shù)諧波，有時，有時在升降速時還會出現(xiàn)呈在升降速時還會出現(xiàn)呈非線性振動的跳躍現(xiàn)象非線性振動的跳躍現(xiàn)象。第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷故障實例故障實例第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷（2 2）齒輪偏心）齒輪偏心 齒輪偏心是指齒輪的中心與旋轉軸的中心不重齒輪偏心是指齒輪的中心與旋轉軸的中心不重合，這種故障往往是由于加工造成的。合，這種故障往往是由于加工造成的。 時域特征：當一對互相嚙合的齒輪中有一個齒輪時域特征：當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

16、調制，存在偏心時，其振動波形由于偏心的影響被調制，產(chǎn)生產(chǎn)生調幅振動調幅振動。第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷 頻域特征：齒輪存在偏心時，其頻譜結構將在兩個頻域特征：齒輪存在偏心時，其頻譜結構將在兩個方面有所反映：方面有所反映：一是以齒輪的旋轉頻率為特征的附加一是以齒輪的旋轉頻率為特征的附加脈沖幅值增大脈沖幅值增大；二是以齒輪一轉為周期的載荷波動，二是以齒輪一轉為周期的載荷波動，從而導致調幅現(xiàn)象從而導致調幅現(xiàn)象，這時的調制頻率為齒輪的回轉頻，這時的調制頻率為齒輪的回轉頻率，比所調制的嚙合頻率要小得多。率，比所調制的嚙合頻率要小得多。第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與

17、診斷 （3 3）齒輪不同軸）齒輪不同軸 齒輪不同軸故障是指由于齒輪和軸裝配不當齒輪不同軸故障是指由于齒輪和軸裝配不當造成的齒輪和軸不同軸。不同軸故障會使齒輪產(chǎn)生局造成的齒輪和軸不同軸。不同軸故障會使齒輪產(chǎn)生局部接觸，導致部分輪齒承受較大的負荷。部接觸，導致部分輪齒承受較大的負荷。 時域特征：時域信號具有時域特征：時域信號具有明顯的調幅明顯的調幅現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 頻域特征：在頻譜上產(chǎn)生以頻域特征：在頻譜上產(chǎn)生以n n倍嚙合頻率為中心，倍嚙合頻率為中心，以以故障齒輪的旋轉頻率為間隔的一階邊頻族故障齒輪的旋轉頻率為間隔的一階邊頻族。同時，。同時，故障齒輪的故障齒輪的旋轉特征頻率在頻譜上有一定反映旋轉特征

18、頻率在頻譜上有一定反映。第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷（4 4）齒輪局部異常）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的振動波形是典型的以齒輪旋轉頻率為周期齒輪旋轉頻率為周期的沖擊脈沖，的沖擊脈沖，如圖所示。具有局部異常故障的齒輪，將以如圖所示。具有局部異常故障的齒輪，將以旋轉頻率為旋轉頻率為主要頻域特征主要頻域特征。第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷故障實例故障實例第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷（5 5）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。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幅特征。時域特征：在低頻下可以觀察到明顯的調幅特征。 頻域特征：頻域頻域特征：頻域上包含上包含旋轉頻率的旋轉頻率的各次諧波、各階嚙各次諧波、各階嚙合頻率以及以故障合頻率以及以故障齒輪的旋轉頻率為齒輪的旋轉頻率為間隔的邊頻間隔的邊頻等。等。第九章第九章 齒輪常見故障與診斷齒輪常見故障與診斷（6 6）不