齒輪箱的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷

齒輪及齒輪箱的失效形式齒輪及齒輪箱的振動(dòng)機(jī)理齒輪及齒輪箱的故障診斷

第六章齒輪箱的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷一、齒輪失效的常見形式第一節(jié)齒輪及齒輪箱的失效形式齒斷裂齒面點(diǎn)蝕齒面磨損齒面膠合齒面塑性變形失效原因失效比重（%）齒輪箱缺陷設(shè)計(jì)1240裝配9制造8材料7修理4運(yùn)行缺陷維護(hù)2443操作19相鄰部件（聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)等）缺陷17齒輪箱失效原因及失效比重二、齒輪故障的原因失效零件失效比重（%）齒輪60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制造誤差

齒輪制造誤差主要有偏心、齒距偏差和齒形誤差等。

偏心是指齒輪〔一般為旋轉(zhuǎn)體〕的幾何中心和旋轉(zhuǎn)中心不重合，齒距偏差是指齒輪的實(shí)際齒距與公稱齒距有較大誤差，而齒形誤差是指漸開線齒廓有誤差。裝配不良由于裝配技術(shù)和裝配方法等原因，通常會(huì)造成“一端接觸〞和齒輪軸的直線性偏差(不同軸、不對(duì)中)及齒輪的不平衡等異?，F(xiàn)象?！啊私佑|〞或齒輪軸的直線性偏差會(huì)造成輪齒負(fù)荷不勻，個(gè)別齒負(fù)荷過重引起早期磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至引起斷裂等。圖兩齒輪軸不平行導(dǎo)致的嚙合不良潤滑不良

對(duì)于高速重載齒輪，潤滑不良會(huì)導(dǎo)致齒面局部過熱，造成色變、膠合等故障。導(dǎo)致潤滑不良的原因是多方面的，除了油路堵塞、噴油孔堵塞外，潤滑油中進(jìn)水、潤滑油變質(zhì)、油溫過高等都會(huì)造成齒面潤滑不良。超載

對(duì)于工作負(fù)荷不平穩(wěn)的齒輪驅(qū)動(dòng)裝置〔例如礦石破碎機(jī)、采掘機(jī)等〕，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過載現(xiàn)象，如果沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，就會(huì)造成輪齒過載斷裂，或者長(zhǎng)期過載導(dǎo)致大量輪齒根部疲勞裂紋、斷裂。操作失誤

操作失誤通常包括缺油、超載、長(zhǎng)期超速等，都會(huì)造成齒輪損傷、損壞。

第二節(jié)齒輪及齒輪箱的振動(dòng)機(jī)理齒輪診斷的特征頻率軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其諧頻嚙合頻率及其諧頻隱含成分邊頻帶附加脈沖交叉調(diào)制成分齒輪的固有成分齒輪的振動(dòng)機(jī)理

齒輪的振動(dòng)可以說主要是由剛度的周期性變換而引起的。剛度的周期性變換由兩個(gè)原因：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。〔a〕直齒輪〔b〕斜齒輪齒輪嚙合剛度變化示意圖齒輪振動(dòng)特征頻率的計(jì)算軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其諧頻齒輪嚙合頻率定軸轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪：諧頻轉(zhuǎn)動(dòng)頻率有固定齒圈的行星輪系齒輪：-參考齒輪的齒數(shù)-參考齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)；-轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)速度，當(dāng)與參考齒輪轉(zhuǎn)向相反時(shí)取正號(hào)，否那么取負(fù)號(hào)。

在齒輪箱的振動(dòng)頻譜中，嚙合頻率或其高階諧頻附近存在著一些等間距的頻率成分，稱為邊頻帶。邊頻帶由幅值調(diào)制和頻率調(diào)制形成。邊頻帶圖頻率調(diào)制及其邊頻圖幅值調(diào)制及其邊頻幅值調(diào)制：幅值調(diào)制是由于齒面載荷波動(dòng)對(duì)振動(dòng)幅值的影響而造成的。比較典型的例子是齒輪的偏心使齒輪嚙合時(shí)一邊緊一邊松，從而產(chǎn)生載荷波動(dòng)，使振幅按此規(guī)律周期性地變化。齒輪的加工誤差〔例如節(jié)距不勻〕及齒輪故障使齒輪在嚙合中產(chǎn)生短暫的“加載〞和“卸載〞效應(yīng)，也會(huì)產(chǎn)生幅值調(diào)制。在齒輪信號(hào)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。x1(t)=A(1+ecos2πfrt)Xsin(2πfzt+φ)a(t)=A(1+ecos2πfrt)x

(t)=Xsin(2πfzt+φ)圖調(diào)幅信號(hào)及頻譜齒輪存在局部缺陷時(shí)，齒輪的振動(dòng)受到一個(gè)短脈沖的調(diào)制，脈沖長(zhǎng)度等于齒輪的旋轉(zhuǎn)周期。由此形成的邊頻帶數(shù)量多且均勻。齒輪存在分布缺陷時(shí)。由于分布缺陷所產(chǎn)生的幅值調(diào)制較為平緩，由此形成的邊頻帶比較高而且窄。并且，齒輪上的缺陷分布越均勻，頻譜上的邊頻帶就越高、越集中。圖

齒輪缺陷分布對(duì)邊頻帶的影響頻率調(diào)制：齒輪齒距不均勻時(shí)，或者齒輪轉(zhuǎn)速不均勻，可等效為嚙合頻率受到齒距誤差分布函數(shù)的調(diào)制。圖

頻率調(diào)制及其邊帶……f0f0-f0fsfs調(diào)頻波的頻譜附加脈沖：附加脈沖是回轉(zhuǎn)頻率的低次諧波。平衡不良、對(duì)中不良和機(jī)械松動(dòng)等，均是回轉(zhuǎn)頻率的低次諧波振源，但不一定與齒輪缺陷直接有關(guān)。附加脈沖的影響一般在嚙合頻率以下。圖附加脈沖示意圖隱含譜線：隱含譜線是功率譜上的一種頻率分量，產(chǎn)生的原因是由于加工過程中帶來的周期性缺陷。滾齒機(jī)工作臺(tái)的分度蝸輪蝸桿及齒輪的誤差。隱含譜線具有如下特點(diǎn)。圖載荷對(duì)鬼線分量和嚙合分量的影響(a)輕載〔b〕滿載(1)隱含譜線一般對(duì)應(yīng)于某個(gè)分度蝸輪的整齒數(shù)，因此，必然表現(xiàn)為一個(gè)特定回轉(zhuǎn)頻率的諧波。

(2)隱含譜線是由幾何誤差產(chǎn)生的，齒輪工作載荷對(duì)它影響很小，隨著齒輪的跑合和磨損它會(huì)逐漸降低。一、倒頻譜分析

對(duì)于同時(shí)有多對(duì)齒輪嚙合的齒輪箱振動(dòng)頻譜圖，由于每對(duì)齒輪嚙合都將產(chǎn)生邊頻帶，幾個(gè)邊頻帶交叉分布在一起，無法看清頻譜結(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)一步做倒頻譜分析。優(yōu)點(diǎn)１.倒頻譜能較好地檢測(cè)出功率譜上的周期成分，將原來譜上成族的邊頻帶譜線簡(jiǎn)化為單根譜線，便于觀察。２.并且倒頻譜受信號(hào)傳遞途徑影響較小。第三節(jié)齒輪和齒輪箱的監(jiān)測(cè)與診斷方法圖6-7

用倒頻譜分析齒輪箱振動(dòng)信號(hào)中的邊頻帶1-嚙合頻率；2，3-高次諧波；A1～A5…周期為11.８ms諧波；B1～B3…-周期為20ms諧波圖故障信息在功率譜和倒頻譜中明顯性比較二、時(shí)域平均：提取微弱信號(hào)圖

齒輪在各種狀態(tài)下的時(shí)域平均信號(hào)第四節(jié)齒輪常見故障信號(hào)特征一、正常齒輪的時(shí)域特征與頻域特征

沒有缺陷的正常齒輪，其振動(dòng)主要是由于齒輪自身的剛度等引起的。

(1)時(shí)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(hào)具有近似正弦波的嚙合波形。

(2)頻域特征

正常齒輪的信號(hào)反映在功率上，有嚙合頻率及其諧波分量，即有nfc〔n＝1,2,…〕，且以嚙合頻率成分為主，其高次諧波依次減??；同時(shí)，在低頻處有齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波mfr〔m＝1，2，…。圖正常齒輪的頻譜圖正常齒輪的低頻振動(dòng)波形二、故障齒輪的時(shí)域特征與頻域特征１.均勻磨損圖磨損齒輪的高頻振動(dòng)(a)和低頻振動(dòng)(b)圖均勻磨損時(shí)的頻譜2.齒輪偏心圖

偏心齒輪的振動(dòng)時(shí)域波形圖7

齒輪偏心的頻譜３.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)造成的齒輪和軸不同軸。不同軸故障會(huì)使齒輪產(chǎn)生局部接觸，導(dǎo)致局部輪齒承受較大的負(fù)荷。

圖不同軸齒輪波形圖不同軸齒輪的頻譜

4．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(dòng)波形是典型的以齒輪旋轉(zhuǎn)頻率為周期的沖擊脈沖。圖

齒輪的局部異常

1-齒根部有裂紋；2-局部齒面磨損；3-局部齒形誤差；4-斷齒圖

局部異常齒輪的振動(dòng)波形圖

局部異常的齒輪頻譜5.齒距誤差

齒距誤差是指一個(gè)齒輪的各個(gè)齒距不相等，存在有誤差。齒距誤差是由齒形誤差造成的。幾乎所有的齒輪都有微小的齒距誤差。

圖有齒距誤差齒輪的振動(dòng)波形圖有齒距誤差齒輪的頻譜6.不平衡齒輪的時(shí)域特征與頻域特征

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(yùn)行和振動(dòng)。圖不平衡齒輪的振動(dòng)波形圖不平衡齒輪的頻譜

三、齒輪箱故障診斷實(shí)例機(jī)組齒輪箱參數(shù)齒輪齒數(shù)轉(zhuǎn)速