齒輪傳動系統(tǒng)的故障診斷方法研究應用

齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷辦法研究內(nèi)容提綱：在機械設備運轉過程中，齒輪傳動系統(tǒng)通過主、從動齒輪互相嚙合傳遞運動和能量，這個過程將產(chǎn)生一定形式機械振動。而諸如磨損、點蝕、制造誤差、裝配誤差等齒輪和齒輪傳動系統(tǒng)各種缺陷和故障必然引起機械振動狀態(tài)（或信號）發(fā)生變化。因而，在齒輪傳動系統(tǒng)振動信號中，蘊涵有它健康狀態(tài)（故障與無端障）信息，監(jiān)測和分析振動信號自然就可以診斷齒輪和齒輪傳動系統(tǒng)故障。核心詞：齒輪故障;故障診斷;振動;裂紋目錄引言 1第一章影響齒輪產(chǎn)生振動因素 21.1振動產(chǎn)生 21.2振動故障 2第二章齒輪裂紋故障診斷 42.1裂紋產(chǎn)生因素 42.2齒輪裂紋分類、特性、因素及防止辦法 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辦法與技術展望 73.1齒輪故障診斷辦法 73.1.1時域法 73.1.2頻域法 73.1.3倒頻譜分析 83.1.4包絡分析 83.1.5小波分析辦法 83.2齒輪故障診斷技術展望 9結論 10致謝 11參照文獻 12引言隨著科學技術不斷進步，機械設備向著高性能、高效率、高自動化和高可靠性方向發(fā)展。齒輪由于具備傳動比固定、傳動轉矩大、構造緊湊等長處，是變化轉速和傳遞動力最慣用傳動部件，是機械設備一種重要構成某些，也是易于故障發(fā)生一種部件，其運營狀態(tài)對整機工作性能有很大影響。在機械設備運轉過程中，齒輪傳動系統(tǒng)通過主、從動齒輪互相嚙合傳遞運動和能量，這個過程將產(chǎn)生一定形式機械振動。而諸如磨損、點蝕、制造誤差、裝配誤差等齒輪和齒輪傳動系統(tǒng)各種缺陷和故障必然引起機械振動狀態(tài)（或信號）發(fā)生變化。因而，在齒輪傳動系統(tǒng)振動信號中，蘊涵有它健康狀態(tài)（故障與無端障）信息，監(jiān)測和分析振動信號自然就可以診斷齒輪和齒輪傳動系統(tǒng)故障。第一章影響齒輪產(chǎn)生振動因素1.1振動產(chǎn)生在齒輪傳動嚙合過程中，影響齒輪產(chǎn)生振動因素諸多，有大周期誤差也有小周期誤差。產(chǎn)生大周期振動因素重要是齒輪加工過程中運動偏心和幾何偏心以及安裝中對中不良；產(chǎn)生小周期振動因素重要有齒輪加工中主軸回轉誤差，嚙合剛度變化，齒輪嚙入、嚙出沖擊，以及在運營過程中產(chǎn)生斷齒、齒根疲勞裂紋、齒面磨損、點蝕剝落、嚴重膠合等等。其中嚙合剛度周期性變化是齒輪系統(tǒng)振動重要激振源之一。它周期性變化重要由如下兩個因素所致：一是隨著嚙合點位置變化，參加嚙合單一齒輪剛度發(fā)生了變化；二是參加嚙合齒數(shù)在變化。如圖1-1所示，在嚙合開始時(A點)，積極輪齒1在齒根處嚙合，彈性變形較??；被動齒輪2在齒頂處嚙合，彈性變形大，而在嚙合終結時(D點)，狀況則相反。設齒副I嚙合剛度為k1，齒副П嚙合剛度為k2，則總嚙合剛度為k=k1+k2。由圖1-1可以看出總嚙合剛度隨著從單嚙合區(qū)到雙嚙合區(qū)而作周期性變化。圖1-1直齒輪嚙合剛度變化圖1.2振動故障當齒輪存在大周期故障時，如運動偏心和幾何偏心，則仿真出來齒輪嚙合振動信號頻譜圖形如圖1-2所示。由圖中可以懂得，隨著齒輪大周期誤差幅值增大，諧波分量幅值也會線性增大。而以嚙合頻率為中心以旋轉頻率為間隔邊帶頻率是由于信號調(diào)制產(chǎn)生，即高頻齒輪嚙合頻率受到齒輪旋轉頻率調(diào)制，且隨著大周期誤差增大而增大。圖1-2齒輪偏心時頻譜圖當齒輪存在諸如點蝕剝落等小周期誤差時，則仿真出來齒輪嚙合振動信號頻譜圖形如圖1-3所示。齒輪在運轉過程中存在小周期誤差時齒輪運轉速度大小會有所變化，當小周期誤差大時這種現(xiàn)象會更加嚴重。依照頻率調(diào)制理論可知，齒輪運轉振動信號頻譜圖會形成嚙合頻率及其高次諧波以及分布在它們周邊以旋轉頻率為間隔邊帶成分，它們振幅隨故障惡化而加大。圖1-3齒輪點蝕剝落故障時頻譜圖第二章齒輪裂紋故障診斷2.1裂紋產(chǎn)生因素齒輪浮現(xiàn)裂紋，按其形成特點，可分為兩大類:工藝裂紋和使用裂紋。工藝裂紋是生產(chǎn)齒輪工藝不當而導致材料缺陷所致，并在一定載荷條件下失穩(wěn)擴展導致齒輪失效，如鍛造裂紋，鍛軋裂紋，焊接裂紋、熱解決裂紋(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，并進而擴展導致齒輪失效，如疲勞裂紋和應力腐蝕裂紋等。2.2齒輪裂紋分類、特性、因素及防止辦法2.2.1淬火裂紋如圖2-1圖2-1淬火裂紋特性：在淬火時產(chǎn)生，多數(shù)呈發(fā)絲狀，有時能自行擴展。裂紋有沿齒根圓角半徑方向，有在齒兩個端面，也有穿越齒頂或存在在齒端面表面硬化層與心部交界處。較大裂紋初始部位常有銹蝕或氧化痕跡。淬火裂紋也也許在齒輪使用一段時間后才見到。它常為其她損傷形式（如疲勞斷齒）根源。因素：重要是淬火過程中產(chǎn)生過大內(nèi)應力。它普通由不適當淬火工藝，如升溫過急、淬火過急、淬火過緩等引起。齒端面上裂紋，普通由硬化層與心部交界處相變不協(xié)調(diào)引起。防止辦法：依照齒輪材料、尺寸、構造和工作規(guī)定制定合理淬火工藝規(guī)程，并嚴格加以控制，防止淬火速度過高或過低，淬火溫度不適當。對淬火后齒輪應嚴格檢查。2.2.2磨削裂紋如圖2-2圖2-2磨削裂紋特性：在磨削過程中產(chǎn)生，常在齒面上有幾乎平行短裂紋或網(wǎng)狀裂紋。平行裂紋普通比網(wǎng)狀裂紋深。磨削裂紋普通較淺，肉眼不易發(fā)現(xiàn)，需用磁粉探傷或用5%硝酸乙醇腐蝕液解決等辦法才干檢測。有時磨削裂紋是潛在，要在閑置若干時間或加載工作后才顯示出來。因素：重要由磨削過程中熱引起，也也許是由熱解決工藝不合理（在熱解決過程中形成了對磨削過熱敏感金相組織）引起。磨削過熱也許是由于磨削工藝參數(shù)選取不對的，砂輪不合格或選用不當、冷卻辦法不恰當?shù)?。某些對磨削過熱敏感齒輪材料，更易產(chǎn)生磨削裂紋。防止辦法：選取恰當磨削工藝，控制進給量和磨削速度，加強冷卻辦法，選用不易磨裂材質和適當熱解決工藝。恰當選用適當砂輪，并注意對其修整和平衡；采用品有斷續(xù)工作表面砂輪，以減少表層熱應力。2.2.3疲勞裂紋如圖2-3圖2-3疲勞裂紋特性：應力為重復交變；裂紋源常為齒輪表面應力集中處，如齒根圓角、加工刀痕及材料缺陷處；尾端尖細，微觀重要呈穿晶擴展，其總趨勢與主應力想垂直。因素：交變應力水平過高，材料缺陷與應力集中源影響嚴重。防止辦法：控制交變應力水平，設計時應避免過小齒根圓角，控制工藝因素減少不容許表面及材料內(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幅板裂紋特性：輪緣裂紋普通發(fā)生在兩相鄰齒之間齒根部。輻板裂紋有是由輪緣裂紋沿徑向擴展而成，有是在輻板自身中產(chǎn)生，不一定擴展到輪緣。因素：輪緣斷裂普通是輪齒齒根圓角疲勞裂紋發(fā)展成果。齒輪某某些參殘存應力過高，也回形成并促使疲勞裂紋擴展。對鑲套式齒輪，輪緣與輪心過盈量過大也可引起輪緣斷裂。輻板損傷，多因輻板強度局限性，應力集中或振動等因素引起。防止辦法：輪緣及輻板尺寸應滿足強度規(guī)定。以局部應力集中因素，如切削刀痕、磨削與淬火裂紋、輪緣與輻板過渡處尖銳圓角等，應設法減少或消除。在構造設計上應采用減振、防振辦法。對鑲套齒輪，應按恰當控制過盈量。第三章齒輪故障診斷辦法與技術展望3.1齒輪故障診斷辦法在各種齒輪故障診斷辦法中，以振動檢測為基本齒輪故障診斷辦法具備測量簡便、實時性強等長處，通過測量齒輪運營過程中所產(chǎn)生振動信號，作為故障診斷重要信息來源，是一種抱負齒輪傳動狀態(tài)在線運營監(jiān)測工具。振動檢測和故障診斷核心是如何從復雜振動信號中提取和分離與齒輪故障特性關于薄弱信息。當前研究和應用振動檢測與故障診斷辦法可以分為如下幾類：3.1.1時域法在狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷過程中，咱們經(jīng)常會直接運用振動時域信號進行分析并給出成果，這是最簡樸且最直接辦法，特別是當信號中明顯具有簡諧成分、周期成分或瞬時脈沖成分時更為有效。固然這種辦法規(guī)定分析人員具備比較豐富實際經(jīng)驗。振動時域波形是一條時間歷程波動曲線。依照測量所用傳感器類型不同，曲線幅值可代表位移、速度或加速度。進行波形分析時，重要采用如下特性量，也稱示性指標：（1）振動幅值，振動幅值涉及峰值、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）振動周期與頻率，不同故障源普通會產(chǎn)生不同頻率機械振動，因而頻率分析在故障診斷中占有十分重要地位。（3）相位，在實際應用中，相位重要用于比較不同振動運動之間關系，或擬定一種部件相對于另一種部件振動狀況。普通不同振源產(chǎn)生振動具備不同相位。（4）其他指標為了有效描述復雜振動，在實際應用中也經(jīng)常使用某些示性指標如：偏度、峭度，有時還需要運用某些無量綱示性指標來完畢診斷或進行趨勢分析，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。它們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原信號分布狀況描述，普通可以提供比時域波形更加直觀特性信息。因而頻譜〔涉及功率譜和幅值譜等）被廣泛用作為故障診斷根據(jù)。頻譜可以通過傅里葉變換方式獲取。值得一提是，機器振動頻譜中，有些振動分量雖然較大，但不隨時間而變化，對機器正常運營也不會構成什么威脅。相反有某些幅值較小，但增長不久頻率分量卻往往預示著故障產(chǎn)生和發(fā)展，應當引起足夠注重。3.1.3倒頻譜分析齒輪振動頻譜普通重要體現(xiàn)為嚙合頻率及諧波邊帶，這種邊帶產(chǎn)生是齒輪軸轉頻調(diào)制齒輪軸嚙合頻率而產(chǎn)生。在正常運轉狀況下，它們保持不變。齒輪浮現(xiàn)故障時，邊帶數(shù)目和幅值發(fā)生變化。如上所述，輪齒發(fā)生裂紋時，故障齒輪每轉都會產(chǎn)生一次局部調(diào)制，由于齒輪箱構造復雜，各種調(diào)制現(xiàn)象也許同步存在，每種調(diào)制現(xiàn)象都會產(chǎn)生不同系列等間隔周期頻譜。由于它們與調(diào)制波源有關，這些邊帶包括豐富故障診斷信息。依照運用FFT進行時-頻域轉換概念，可以將頻譜分析成果再次運用FFT技術轉換到一種新分析域中。這樣就形成了所謂倒頻譜分析。倒頻譜具備檢測和分離頻譜中周期性成分能力，會使本來譜圖上成族邊頻譜線簡化為倒頻譜上單根譜線，從而使頻譜中復雜周期成分變得清晰易辨，以利于故障診斷。這種辦法缺陷是倒譜幅值大小對裂紋長度發(fā)展不敏感，不易進行故障定位。3.1.4包絡分析包絡分析就是提取載附在高頻信號上低頻信號，從時域上看，為取時域波形包絡軌跡。像具備齒輪、軸承等零部件旋轉機械故障診斷常慣用到包絡分析。當旋轉機械軸承零部件有點蝕、剝落等損傷類故障時，隨著設備運轉這些故障會產(chǎn)生周期性脈沖沖擊力，激起設備各階固有振動。選取沖擊激起高頻固有振動為研究對象，通過濾波將其從信號中分離出來，然后通過包絡檢波，提取出載附在其上與周期脈沖沖擊力相應包絡信號，從其強度和頻次就可以判斷零件損傷限度和部位。這種技術稱為包絡解調(diào)，也稱為初期故障探測法，它是判斷設備零件損傷類故障一種有效手段。3.1.5小波分析辦法小波變換作為一種新數(shù)學理論和辦法，己在不少領域得到了廣泛應用。在振動信號分析中，小波變換屬于一種多辨別率時頻分析辦法，具備諸多長處，為非平穩(wěn)信號分析提供了一種有價值工具。實際應用中常使用簡樸以便二進離散小波變換。從多辨別率分析角度上看，小波分解相稱于一種帶通濾波器和一種低通濾波器，每次分解總是把原信號分解成兩個子信號，分別稱為逼近信號和細節(jié)信號，每個某些還要通過一次隔點重采樣。如此分解N次即可得到第N層（尺度N上）小波分解成果。小波變換常如下面3種辦法用于齒輪箱運營狀態(tài)和故障診斷分析：（1）小波包能量譜進行監(jiān)測；（2）邊帶辨認；（3）奇異點模極大值及過零點檢測。隨著小波分析技術發(fā)展及計算機容量和運算能力飛速發(fā)展，近來人們開始對持續(xù)小波變換應用于故障診斷分析。持續(xù)小波變換能為基小波選取提供很大以便，當己知需檢成分特性時，就可以選用成構造與之相應基小波，作持續(xù)小波變換來揭示這些成分分布和大小。小波變換雖然是一種較好信號分析工具，但它依然存在下面兩個問題：（1）小波變換分析成果不如傅立葉變換那樣直觀明了，需要分析人員具備一定小波分析理論基本進行判斷，不適當于使用計算機對成果進行自動分析和解決。（2）小波變換核函數(shù)不是唯一擬定，需要依照工程應用中實際進行選取。3.2齒輪故障診斷技術展望十幾年來，隨著科研人員不斷努力摸索，國內(nèi)故障診斷技術有了突飛猛進發(fā)展，新技術、新辦法層出不窮。展望此后齒輪故障診斷技術發(fā)展方向。有如下幾點看法:（1）老式頻譜分析技術將日趨完善。（2）專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析等新技術將從實驗室研究階段，逐漸走向實際應用階段。（3）當前，齒輪故障診斷技術多集中于采用振動監(jiān)測手段，可以預見，在此后幾年里，鐵譜技術、油樣光譜技術及聲發(fā)射技術將會在齒輪故障診斷中占有一席之地。（4）隨著公司管理當代化綜共計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感技術、顯示技術等各種科學技術虛擬現(xiàn)實與當代通訊技術國際互聯(lián)網(wǎng)絡、局域網(wǎng)絡、調(diào)制解調(diào)器等相結合，實現(xiàn)遠程診斷，將是此后機械故障診斷發(fā)展方向。結論本次齒輪裂紋設計,克服了各種困難，但還存在許多問題，在此期間咱們兩年來所學知識得到了總結，并且也達到了教師讓咱們自己在經(jīng)歷中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題規(guī)定，讓咱們得到了較好鍛煉。通過本次畢業(yè)大作業(yè)