故障診斷6齒輪箱監(jiān)測(cè)與診斷

0齒輪故障機(jī)理6.1、齒輪故障機(jī)理認(rèn)識(shí)齒輪及齒輪箱的工作特征1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(lèi)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(jiàn)圖6-5。6.2.2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(shí)造成“一端接觸”和齒輪軸的直線性偏差（不同周、不對(duì)中）及齒輪的不平衡等異?，F(xiàn)象。26.2.3運(yùn)行中產(chǎn)生的故障故障類(lèi)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3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齒輪的振動(dòng)診斷原理6.3、齒輪的振動(dòng)診斷原理

由于制造、安裝及輪齒剛度等問(wèn)題，齒輪運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。溫度、潤(rùn)滑油中磨損物的含量及形態(tài)、齒輪箱的振動(dòng)及輻射的噪聲、齒輪傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和扭矩、齒輪齒根應(yīng)力分布等從各個(gè)角度反映故障的信息。6.3.1嚙合齒輪副的振動(dòng)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。5齒輪系的傳動(dòng)誤差式中fe為傳動(dòng)誤差的基頻。齒輪的振動(dòng)診斷原理6齒輪的振動(dòng)診斷原理齒輪系的傳動(dòng)頻率組成模型

當(dāng)基礎(chǔ)激勵(lì)不為零時(shí)會(huì)出現(xiàn)多組頻率，sfz-rfe和sfz+rfe稱(chēng)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(pán)。如果將轉(zhuǎn)軸視為彈性體，還會(huì)產(chǎn)生很多固有頻率，并產(chǎn)生相應(yīng)的共振。7齒輪的振動(dòng)診斷原理6.3.2齒輪診斷的特征頻率

齒輪傳動(dòng)中嚙合剛度的周期性變化引起與振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速齒數(shù)和重疊系數(shù)等有關(guān)的參數(shù)振動(dòng)?；邶X形誤差的隨機(jī)激勵(lì)，可能引起齒形彈性系統(tǒng)的共振，當(dāng)齒形出現(xiàn)故障時(shí)，振動(dòng)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(dòng)頻率及其頻譜軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率：諧頻：2）嚙合頻率及其頻譜定軸轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪嚙合頻率：有固定齒圈行星輪系嚙合頻率：8齒輪的振動(dòng)診斷原理振動(dòng)頻率隨轉(zhuǎn)速變化而變化；齒輪以嚙合頻率振動(dòng)的特點(diǎn)振動(dòng)展開(kāi)為傅里葉級(jí)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(shí)，齒輪產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)；由于齒輪的固有頻率一般較高，但是振幅小、噪聲大。9齒輪的振動(dòng)診斷原理正常齒輪的振動(dòng)特點(diǎn)(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，如圖1所示。

(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，其高次諧波依次減小；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，…），其頻譜如圖2所示。10齒輪的振動(dòng)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(guò)程中滾齒機(jī)給齒輪帶來(lái)的周期性缺陷。隱含成分的特點(diǎn)由周期性缺陷引起，振動(dòng)頻譜存在高階；隱含成分由幾何誤差引起，工作載荷對(duì)其影響??；11齒輪的振動(dòng)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(dòng)信號(hào)的調(diào)制。12齒輪的振動(dòng)診斷原理齒輪嚙合振動(dòng)信號(hào)齒輪偏心嚙合時(shí)的振動(dòng)信號(hào)偏心嚙合時(shí)兩齒輪的中心距幅值調(diào)制；13齒輪的振動(dòng)診斷原理14齒輪的振動(dòng)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(dòng)，除了對(duì)振動(dòng)幅值產(chǎn)生影響外，同時(shí)也必然產(chǎn)生扭矩波動(dòng)，使齒輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動(dòng)。這種波動(dòng)表現(xiàn)在振動(dòng)上即為頻率調(diào)制（也可以認(rèn)為是相位調(diào)制）。對(duì)于齒輪傳動(dòng)，任何導(dǎo)致產(chǎn)生幅值調(diào)制的因素也同時(shí)會(huì)導(dǎo)致頻率調(diào)制。若載波信號(hào)為Asin(2πfct+φ)調(diào)制信號(hào)為βsin(2πfzt)則頻率調(diào)制后的信號(hào)為f(t)=Asin［2πfct+βsin(2πfzt)+φ］：用貝塞爾（Besser）函數(shù)展開(kāi)，得到調(diào)頻信號(hào)的特性：調(diào)頻的振動(dòng)信號(hào)包含有無(wú)限多個(gè)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(wú)限多對(duì)的調(diào)制邊帶：15齒輪的振動(dòng)診斷原理幅值調(diào)制與頻率調(diào)制或相位調(diào)制同時(shí)存在的綜合頻譜。1617186.4、齒輪和齒輪箱的監(jiān)測(cè)與診斷方法6.4.1功率譜分析法

齒輪箱的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，故障的系統(tǒng)會(huì)加劇振動(dòng)和噪聲—通過(guò)分析振動(dòng)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(dòng)信號(hào)的頻率構(gòu)成和振動(dòng)能量在各頻率成分上的分布。齒輪和齒輪箱的監(jiān)測(cè)與診斷方法196.4.2邊頻帶分析法

邊頻帶成分包含有豐富的齒輪故障信息，可對(duì)感興趣的頻段進(jìn)行頻率細(xì)化分析，以準(zhǔn)確測(cè)定邊帶間隔，確定其調(diào)制信號(hào)頻率，從而確定產(chǎn)生故障的根源。齒輪和齒輪箱的監(jiān)測(cè)與診斷方法20邊頻帶分析方法當(dāng)邊頻間隔為旋轉(zhuǎn)頻率fr時(shí)，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(dòng)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(duì)稱(chēng)性，找出fg

±nfr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fg和調(diào)制信號(hào)頻率fr；二是比較各次測(cè)量中邊頻帶幅值的變化趨勢(shì)。齒輪的點(diǎn)蝕等分布故障會(huì)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(cè)與診斷方法21齒輪的剝落、齒根裂紋及部分?jǐn)帻X等局部故障會(huì)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(cè)與診斷方法226.4.3倒頻譜分析法

有數(shù)對(duì)齒輪嚙合的齒輪箱振動(dòng)頻譜圖，由于每對(duì)齒輪嚙合時(shí)都將產(chǎn)生邊頻帶，幾個(gè)邊頻帶交叉分布在一起，僅進(jìn)行頻率細(xì)化分析識(shí)別邊頻特征是不夠的，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(wèn)題。齒輪和齒輪箱的監(jiān)測(cè)與診斷方法23

倒頻譜的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于傳感器的測(cè)點(diǎn)位置或信號(hào)傳輸途徑不敏感，以及對(duì)于幅值和頻率調(diào)制的相位關(guān)系不敏感，分析時(shí)可以不看某測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的大小（可能由于傳輸途徑而被過(guò)分放大），這種不敏感反面有利于監(jiān)測(cè)故障信號(hào)的有無(wú)。齒輪和齒輪箱的監(jiān)測(cè)與診斷方法24齒輪和齒輪箱的監(jiān)測(cè)與診斷方法6.5.1聲音診斷法6.5、其它分析方法

振動(dòng)和噪聲聯(lián)系密切，振動(dòng)反映低頻，噪聲反映高頻。低頻振動(dòng)通過(guò)傳感器直接測(cè)量，高頻振源信號(hào)通過(guò)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257、齒輪故障診斷案例實(shí)例一：齒輪箱診斷試驗(yàn)267、齒輪故障診斷案例實(shí)例一：齒輪箱診斷試驗(yàn)圖1n=1440r/min(24Hz)時(shí)，三個(gè)測(cè)量加速信號(hào)277、齒輪故障診斷案例實(shí)例一：齒輪箱診斷試驗(yàn)圖2n=1440r/min(24Hz)時(shí)，通道1測(cè)量加速信號(hào)幅值譜287、齒輪故障診斷案例實(shí)例一：齒輪箱診斷試驗(yàn)圖3n=1440(24Hz)r/min時(shí)297、齒輪故障診斷案例實(shí)例一：齒輪箱診斷試驗(yàn)圖4=3264r/min(54.4)Hz時(shí)，三個(gè)通道測(cè)量信號(hào)307、齒輪故障診斷案例實(shí)例一：齒輪箱診斷試驗(yàn)圖5=3264r/min(54.4)Hz時(shí)，三個(gè)通道測(cè)量信號(hào)的幅值譜317、齒輪故障診斷案例實(shí)例一：齒輪箱診斷試驗(yàn)圖6n=3264(54.4)r/min時(shí)327、齒輪故障診斷案例實(shí)例二：

某大型煉膠機(jī)高精度重載荷硬齒面齒輪齒輪減速箱，電動(dòng)機(jī)功率為2×400kW，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速n＝732rpm，傳動(dòng)示意圖如圖1所示，各軸轉(zhuǎn)頻及齒輪各級(jí)嚙合頻率計(jì)算如表1所示。圖1

煉膠機(jī)齒輪箱傳動(dòng)示意圖337、齒輪故障診斷案例實(shí)例二：

某大型煉膠機(jī)高精度重載荷硬齒面齒輪齒輪減速箱，電動(dòng)機(jī)功率為2×400kW，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速n＝732rpm，傳動(dòng)示意圖如圖1所示，各軸轉(zhuǎn)頻及齒輪各級(jí)嚙合頻率計(jì)算如表1所示。347、齒輪故障診斷案例實(shí)例二：357、齒輪故障診斷案例實(shí)例二：可判斷軸5上的齒輪8(齒數(shù)Z8=28)存在早期故障。停機(jī)檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)該齒輪的第3齒和第11齒存在輕微齒根裂紋367、齒輪故障診斷案例實(shí)例三：張家口宣龍高速線材公司2006年9月，發(fā)現(xiàn)精軋22#軋機(jī)輥箱振動(dòng)增大。圖1是傳動(dòng)系統(tǒng)圖。圖1高線精軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖Z5/Z6379月14日的頻譜圖調(diào)出這一期間的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的趨勢(shì)圖和頻譜圖。在9月14日的頻譜圖上明顯看到Z5/Z6的嚙合頻率譜線。見(jiàn)圖2。圖29月14日的振動(dòng)頻譜圖38特征頻率表特征頻率表1（22#軋機(jī)轉(zhuǎn)速為1047r/min，譜圖數(shù)據(jù)）由特征頻率表可見(jiàn)，22架輥箱的Z5/Z6嚙合頻率（1072.6Hz）幅值在9月14日為1.71m/s2，其兩側(cè)有較寬的邊頻帶，間隔為35.085Hz，與錐箱II軸的轉(zhuǎn)頻（34.603Hz）基本一致。序號(hào)故障信號(hào)頻率(Hz)計(jì)算特征頻率(Hz)振幅絕對(duì)誤差（Hz）相對(duì)誤差%可信度%故障部位及性質(zhì)分析11037.5981037.5931.2810.0050100Z5/Z6嚙合頻率－錐箱II軸轉(zhuǎn)頻21072.6831071.7731.7110.910.085100Z5/Z6嚙合頻率31105.9571105.9530.9460.0040100Z5/Z6嚙合頻率＋錐箱II軸轉(zhuǎn)頻42143.5552143.5461.9620.00901002倍Z5/Z6嚙合頻率39診斷結(jié)論：從圖2的頻譜圖上可看出，22#輥箱Z5/Z6嚙合頻率幅值比較突出且有上升趨勢(shì)，在其兩側(cè)有邊頻出現(xiàn)，邊頻間隔分別為35.085Hz，與錐箱II軸的轉(zhuǎn)頻（34.603Hz）基本一致，說(shuō)明22錐箱

II軸上的齒輪存在故障隱患。從圖2的時(shí)域波形中可以看出有輕微的周期性沖擊信號(hào)，沖擊周期為0.028S，相應(yīng)頻率為(1/0.028=35.71Hz)，正好為22架錐箱II軸的轉(zhuǎn)頻(36.85Hz)一致，這表明問(wèn)題就出在22架錐箱II軸的齒輪上。建議廠方立即對(duì)22架錐箱II軸上的齒輪Z5（31齒）進(jìn)行檢查。40事后復(fù)核

廠方于2006年11月份對(duì)拆卸下的精軋22架進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)錐箱II軸上Z5(31齒)齒輪打齒（見(jiàn)圖3和圖4），與診斷分析結(jié)論相符。當(dāng)時(shí)廠方曾進(jìn)一步問(wèn)過(guò)：估計(jì)是什么性質(zhì)的故障，能否繼續(xù)生產(chǎn)？因?yàn)槌顺跗冢?月14日及以后幾天）邊頻帶較寬，后期邊頻帶有所收窄，加上振幅并不很高。所以判定為出現(xiàn)較嚴(yán)重的斑剝。在工程上，齒輪出現(xiàn)點(diǎn)蝕、斑剝，廠方都會(huì)選擇繼續(xù)使用。整個(gè)10月都看著振幅緩慢上升，直到11月份，換軋鋼品種，才停產(chǎn)打開(kāi)。因?yàn)槭切饼X輪的緣故，所以振幅沒(méi)有像直齒輪那樣強(qiáng)烈。圖3圖4412006年4月，宣化鋼鐵公司棒材廠10#軋機(jī)齒輪箱的振動(dòng)有點(diǎn)異常。查看在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)的4月23日的頻譜圖（圖5）和特征頻率表。圖510#軋機(jī)200604231200輸出端頻域圖形實(shí)例四：HBIS（河北鋼鐵集團(tuán)）宣化鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司42特征頻率表

特征頻率表2

分析：時(shí)域圖形有沖擊現(xiàn)象，但是圖5的頻域圖形中軸頻并不高，Z3/Z4齒輪的嚙合頻率出現(xiàn)了多次諧波，其3倍頻達(dá)到了7.80m/s2。邊頻窄，判斷為齒輪點(diǎn)蝕。序號(hào)故障信號(hào)頻率（Hz）計(jì)算特征頻率（Hz）振幅絕對(duì)誤差(Hz)相對(duì)誤差%可信度%故障部位及性質(zhì)分析1236.3233.51.722.81.2090Z3/Z4嚙合頻率2472.74670.465.7