設(shè)備故障診斷方法6齒輪箱監(jiān)測與診斷課件

1、設(shè)備故障診斷方法6齒輪箱監(jiān)測與診斷課件設(shè)備故障診斷方法6齒輪箱監(jiān)測與診斷課件2教學(xué)內(nèi)容第六章 齒輪箱的監(jiān)測與診斷6.1 齒輪副的特點(diǎn)6.2 齒輪和齒輪箱的失效形式和原因6.3 齒輪的振動診斷原理6.4 齒輪和齒輪箱的監(jiān)測和診斷方法6.5 齒輪箱故障的振動診斷實(shí)例6.6 其他分析方法簡介4教學(xué)內(nèi)容第六章 齒輪箱的監(jiān)測與診斷6.1 齒輪副的特點(diǎn)6.3教學(xué)內(nèi)容 重點(diǎn)與難點(diǎn) 齒輪箱失效的基本形式及其失效原因分析；齒輪箱的簡易診斷； 學(xué)習(xí)目標(biāo) 掌握齒輪箱的故障特征頻率的計(jì)算及其頻譜特征；了解齒輪箱的失效形式、原因，及其故障頻率特征；齒輪箱的其他監(jiān)測診斷方法，如復(fù)包絡(luò)譜分析法、時序平均法等。學(xué)會用時域分析

2、法、簡易診斷法和精密診斷法，如頻譜分析法及倒頻譜分析法等，分析齒輪箱的各種故障，其產(chǎn)生各故障的原因。齒輪箱的振動監(jiān)測、故障頻率特征與精密診斷；5教學(xué)內(nèi)容 重點(diǎn)與難點(diǎn) 齒輪箱失效的基本形式及其失效原因分析465齒輪故障機(jī)理6.1、齒輪故障機(jī)理認(rèn)識齒輪及齒輪箱的工作特征7齒輪故障機(jī)理6.1、齒輪故障機(jī)理認(rèn)識齒輪及齒輪箱的工作特征6齒輪和齒輪箱的失效形式和原因6.2.1 制造引起的缺陷6.2、齒輪和齒輪箱的失效形式和原因 齒輪箱的各類零件中， 失效比例分別為：齒輪60%，軸承19%，軸10%，箱體7%，緊固件3%；油封1%。 制造缺陷包括偏心、周節(jié)誤差、基節(jié)誤差、齒形誤差等典型誤差，見圖6-5。6.

3、2.2 裝配誤差引起的缺陷 由于裝配技術(shù)和裝配方法等原因，通常在裝配齒輪時造成“一端接觸”和齒輪軸的直線性偏差（不同軸、不對中）及齒輪的不平衡等異常現(xiàn)象。8齒輪和齒輪箱的失效形式和原因6.2.1 制造引起的缺陷6.76.2.3 運(yùn)行中產(chǎn)生的故障故障類型和失效比例 損傷發(fā)生的概率如下：齒的斷裂41%;齒面疲勞31%；齒面磨損10%；齒面劃痕10%；其他故障8%。齒輪和齒輪箱的失效形式和原因96.2.3 運(yùn)行中產(chǎn)生的故障故障類型和失效比例 損傷發(fā)8故障原因和特點(diǎn)齒的斷裂齒面磨損或劃痕：粘著磨損；磨粒磨損與劃痕；腐蝕磨損；燒傷；齒面膠合。齒面疲勞（點(diǎn)蝕與剝落）齒面塑性變形齒輪和齒輪箱的失效形式和原因

4、10故障原因和特點(diǎn)齒的斷裂齒面磨損或劃痕：粘著磨損；磨粒磨損9問題：1、掌握齒輪的結(jié)構(gòu)，并用自己理解的齒輪結(jié)構(gòu)把齒輪表示出來（在圖中標(biāo)注基圓，分度圓，齒頂齒根圓等），寫出齒輪的參數(shù)？2、齒輪箱失效的基本形式及其失效原因分析？11問題：10齒輪的振動診斷原理6.3、齒輪的振動診斷原理 由于制造、安裝及輪齒剛度等問題，齒輪運(yùn)行中會產(chǎn)生振動。溫度、潤滑油中磨損物的含量及形態(tài)、齒輪箱的振動及輻射的噪聲、齒輪傳動軸的扭轉(zhuǎn)振動和扭矩、齒輪齒根應(yīng)力分布等從各個角度反映故障的信息。6.3.1 嚙合齒輪副的振動分析直齒輪的嚙合剛度式中 fz為嚙合頻率，fz=Zfr,Z為齒輪齒數(shù)，fr為齒輪旋轉(zhuǎn)頻率。12齒輪的振

5、動診斷原理6.3、齒輪的振動診斷原理 11齒輪系的傳動誤差式中 fe為傳動誤差的基頻。齒輪的振動診斷原理13齒輪系的傳動誤差式中 fe為傳動誤差的基頻。齒輪的振動診12齒輪的振動診斷原理齒輪系的傳動頻率組成模型 當(dāng)基礎(chǔ)激勵不為零時會出現(xiàn)多組頻率，sfz-rfe和sfz+rfe稱為嚙合頻率fz的邊頻。 把齒輪視為剛體僅考慮輪齒、軸的彈性，將齒輪視為彈性圓盤。如果將轉(zhuǎn)軸視為彈性體，還會產(chǎn)生很多固有頻率，并產(chǎn)生相應(yīng)的共振。14齒輪的振動診斷原理齒輪系的傳動頻率組成模型 當(dāng)基礎(chǔ)激13齒輪的振動診斷原理6.3.2 齒輪診斷的特征頻率 齒輪傳動中嚙合剛度的周期性變化引起與振動頻率、轉(zhuǎn)速、齒數(shù)和重疊系數(shù)等有

6、關(guān)的參數(shù)振動?；邶X形誤差的隨機(jī)激勵，可能引起齒形彈性系統(tǒng)的共振，當(dāng)齒形出現(xiàn)故障時，振動加劇并產(chǎn)生新的頻率成分齒輪的特征頻率。1）軸的轉(zhuǎn)動頻率及其頻譜軸的轉(zhuǎn)動頻率：諧頻：2）嚙合頻率及其頻譜定軸轉(zhuǎn)動齒輪嚙合頻率：有固定齒圈行星輪系嚙合頻率：15齒輪的振動診斷原理6.3.2 齒輪診斷的特征頻率 14齒輪的振動診斷原理振動頻率隨轉(zhuǎn)速變化而變化；齒輪以嚙合頻率振動的特點(diǎn)振動展開為傅里葉級數(shù)后，一般存在嚙合頻率的基頻；當(dāng)嚙合頻率或其高階諧頻接近或等于齒輪的某階固有頻率時，齒輪產(chǎn)生強(qiáng)烈振動；由于齒輪的固有頻率一般較高，但是振幅小、噪聲大。16齒輪的振動診斷原理振動頻率隨轉(zhuǎn)速變化而變化；齒輪以嚙合頻15齒

7、輪的振動診斷原理正常齒輪的振動特點(diǎn)(1)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，如圖1所示。(2)頻域特征正常齒輪的信號反映在功率上，有嚙合頻率及其諧波分量，即有nfc（n1,2,），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)頻率及其高次諧波mfr（m1，2，），其頻譜如圖2所示。17齒輪的振動診斷原理正常齒輪的振動特點(diǎn)(1)時域特征16齒輪的振動診斷原理3）隱含成分隱含成分（鬼線）：分布在嚙合頻率附近的，由加工過程中滾齒機(jī)給齒輪帶來的周期性缺陷。隱含成分的特點(diǎn)由周期性缺陷引起，振動頻譜存在高階；隱含成分由幾何誤差

8、引起，工作載荷對其影響??；18齒輪的振動診斷原理3）隱含成分隱含成分（鬼線）：分布在嚙17齒輪的振動診斷原理4）邊頻帶邊頻帶：嚙合頻率或高階諧頻附近存在的等間距頻率成分。主要原因是振動信號的調(diào)制。19齒輪的振動診斷原理4）邊頻帶邊頻帶：嚙合頻率或高階諧頻附18齒輪的振動診斷原理齒輪嚙合振動信號齒輪偏心嚙合時的振動信號 偏心嚙合時兩齒輪的中心距 幅值調(diào)制；20齒輪的振動診斷原理齒輪嚙合振動信號齒輪偏心嚙合時的振動信19齒輪的振動診斷原理21齒輪的振動診斷原理20齒輪的振動診斷原理頻率調(diào)制和相位調(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

9、，使齒輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動。這種波動表現(xiàn)在振動上即為頻率調(diào)制（也可以認(rèn)為是相位調(diào)制）。對于齒輪傳動，任何導(dǎo)致產(chǎn)生幅值調(diào)制的因素也同時會導(dǎo)致頻率調(diào)制 。 若載波信號為Asin(2fct+)調(diào)制信號為sin(2fzt)則頻率調(diào)制后的信號為f(t)=Asin2fct+sin(2fzt)+ ：用貝塞爾（Besser）函數(shù)展開，得到調(diào)頻信號的特性：調(diào)頻的振動信號包含有無限多個頻率分量，并以嚙合頻率 fc為中心，以調(diào)制頻率 fz為間隔形成無限多對的調(diào)制邊帶 ：22齒輪的振動診斷原理頻率調(diào)制和相位調(diào)制； 齒輪載荷不均21齒輪的振動診斷原理幅值調(diào)制與頻率調(diào)制或相位調(diào)制同時存在的綜合頻譜。 23齒輪的振動診斷原理幅值

10、調(diào)制與頻率調(diào)制或相位調(diào)制同時存在的22問題：1、齒輪的特征頻率計(jì)算公式是什么？ 2、描述調(diào)制現(xiàn)象和邊頻帶產(chǎn)生的原因？答、1提示：嚙合頻率，邊頻帶頻率。 2提示：不同故障會產(chǎn)生不同的調(diào)制形式，那些能引起幅值變化的產(chǎn)生幅值調(diào)制，能引起頻率或相位變化的產(chǎn)生頻率調(diào)制。 幅值調(diào)制是由于傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的周期性變化引起的，例如齒面上載荷波動、齒距的周期性變化、輪齒負(fù)載的靈敏度不同、齒輪基圓或節(jié)圓足以與旋轉(zhuǎn)中心之間的偏心等因素，均可產(chǎn)生扭矩的周期性變化，這些因素反映在輪齒上是周期性的嚙合力變化，時而加載，時而卸載，形成幅值調(diào)制。此外，輪齒表面的局部性缺陷（如裂紋、斷齒、剝落等）和均布性缺陷（如點(diǎn)蝕、劃痕等）也會

11、產(chǎn)生幅值調(diào)制效應(yīng)。經(jīng)幅值調(diào)制后的信號中，除了原有的嚙合頻率 fm 之外，還增加了一對嚙合頻率與旋轉(zhuǎn)頻率的和頻（ fm + f r）與差頻fm - f r ）。在頻率域上，它們是以 fm 為中心，以fr為間隔距離，以幅值為AB/2對稱地分布于 fm 的兩側(cè)，稱為邊頻帶，簡稱邊帶。 齒輪的轉(zhuǎn)速波動、因加工中分度誤差而導(dǎo)致齒距不均勻、輪齒產(chǎn)生周期性的周節(jié)誤差、齒輪軸偏心引起嚙合速率的變化、周期性轉(zhuǎn)矩（負(fù)荷）變化引起的速度變化等因素均可引起頻率調(diào)制現(xiàn)象。還有齒面壓力波動，在產(chǎn)生調(diào)幅現(xiàn)象的同時，也會造成扭矩波動，導(dǎo)致角速度變化而形成頻率調(diào)制。在頻譜圖上以載波頻率f m為中心，以調(diào)制頻率f r為間隔，形成

12、對稱分布的無限多對調(diào)制邊頻帶。 邊頻帶是齒輪振動的一種特征頻率，嚙合的異常狀況反映到邊頻帶，會造成邊頻帶的分布和形態(tài)都發(fā)生改變，邊頻帶包含了齒輪故障的豐富信息。24問題：1、齒輪的特征頻率計(jì)算公式是什么？答、1提示：嚙合236.4、齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法6.4.1 功率譜分析法 齒輪箱的運(yùn)轉(zhuǎn)會產(chǎn)生振動和噪聲，故障的系統(tǒng)會加劇振動和噪聲通過分析振動和噪聲信息可以發(fā)現(xiàn)潛在故障。 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。齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法256.4、齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法6.4.1 功率譜分246.4.2 邊頻帶分析法 邊頻帶成分包含有豐富的齒輪故

13、障信息，可對感興趣的頻段進(jìn)行頻率細(xì)化分析，以準(zhǔn)確測定邊帶間隔，確定其調(diào)制信息頻率，從而確定產(chǎn)生故障的根源。齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法266.4.2 邊頻帶分析法 邊頻帶成分包含有豐富的齒25邊頻帶分析方法當(dāng)邊頻間隔為旋轉(zhuǎn)頻率fr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fr一致； 從兩方面進(jìn)行邊頻帶分析；一是利用邊頻帶的頻率對稱性， 找出 f g n f r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 f g和調(diào)制信號頻率 f r；二是比較各次測量中邊頻帶幅值的變化趨勢

14、。齒輪的點(diǎn)蝕等分布故障會在頻譜上形成邊頻帶，但其邊頻階數(shù)少而集中在嚙合頻率及其諧頻的兩側(cè)；齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法27邊頻帶分析方法當(dāng)邊頻間隔為旋轉(zhuǎn)頻率fr時，可能為齒輪偏心26齒輪的剝落、齒根裂紋及部分?jǐn)帻X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(diǎn)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帶族形狀各異；齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法28齒輪的剝落、齒根裂紋及部分?jǐn)帻X等局部故障會產(chǎn)生特有的瞬態(tài)276.4.3 倒頻譜分析法 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(jìn)行頻率細(xì)化分析識別邊頻特征是

15、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，因此可解決上述問題。齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法296.4.3 倒頻譜分析法 有數(shù)對齒輪嚙合的齒輪箱振動28 倒頻譜的另一個主要優(yōu)點(diǎn)是對于傳感器的測點(diǎn)位置或信號傳輸途徑不敏感，以及對于幅值和頻率調(diào)制的相位關(guān)系不敏感，分析時可以不看某測點(diǎn)振動的大?。赡苡捎趥鬏斖緩蕉贿^分放大），這種不敏感反面有利于監(jiān)測故障信號的有無。齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法30 倒頻譜的另一個主要優(yōu)點(diǎn)是對于傳感器的測點(diǎn)位置或信號29齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法6.5.1 聲音診斷法6.5、其它分析方法 振動和噪聲聯(lián)系密切，振動反映低頻，噪聲反映高頻。低頻振動通過傳感器直接測量，高頻振源信號通過噪聲分析a、b正常齒輪噪聲幅值譜和功率譜；c、d嚴(yán)重磨損齒輪噪聲幅值譜和功率譜31齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法6.5.1 聲音診斷法6.530