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9 齿轮箱状态监测与故障诊断技术


齿轮箱 状态监测与故障诊断技术
齿轮箱常见故障 齿轮箱故障的特征频率与边频带 齿轮箱振动信号分析诊断方法 齿轮箱故障的噪声诊断

齿轮箱状态监测与故障诊断技术
1、齿轮箱常见故障

由于制造误差、装配不当或在不适当的条件(如载荷、润滑等) 下使用,常会发生损伤等故障,常见有四类: (1)齿的断裂 有疲劳断裂和过负荷断裂

两种
疲劳断裂:通常先从受力侧齿根产生龟裂、逐渐向齿端发展而致折断 过负荷断裂:由于转速急剧变化、轴系共振、轴承破损、轴弯曲等原 因,使齿轮产生不正常的一端接触,载荷集中到齿面一端引起

(2)齿的磨损 由于金属微粒、污物、尘埃和沙粒等进入齿轮 而导致材料磨损、齿面局部熔焊随之又撕裂的现象 (3)齿面疲劳 由于齿面接触应力超过材料允许的疲劳极限。 表面层先产生细微裂纹,然后小块剥落,直至整个齿断裂 (4)齿面塑性变形 如压碎、趋皱
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齿轮箱状态监测与故障诊断技术
齿轮箱失效原因及失效比重
失 效 原 因 设 计 装 配 齿轮箱缺陷 制 造 材 料 修 理 维 护 运行缺陷 操 作 相邻部件(联轴器、电动机等)缺陷 19 17 失 效 比 重(%) 12 9 8 7 4 24 43 40

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齿轮箱状态监测与故障诊断技术
齿轮箱的失效零件及失效比重 失 效 零 件 齿 轴 轴 箱 体 紧固件 油 封 轮 承 失 效 比 重(%) 60 19 10 7 3 1

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轮齿损伤形式
类别 项 目 齿面磨损 粘着撕伤 啮面损伤 齿面疲劳 齿面塑性变形 烧 伤 早期点蚀、扩展性点蚀、剥落 压痕、碾击塑变、波纹、隆起 形 式 原 因 正常磨损、磨粒磨损、干涉磨 损、刮伤、槽痕 啮合初期、异物侵入、参数设计不合理、安装 误差、润滑不良等 局部压力过高、法向压力较大、滑动速度过高 等 齿面局部凸起、接触应力过高、内应力过大等 异物混入、过载、啮合不良、润滑不充分等 局部温度过高 屑料毛坯裂纹、硬化处理裂纹、 材料、毛坯和热处理缺陷、交变应力的作用等 磨削型裂纹、疲劳裂纹 严重超载 各种因素产生的疲劳裂纹、变应力作用等 化学腐蚀磨损、激振腐蚀磨损 润滑油中含杂质、齿面间压力过高、存在微振 等 润滑失常 存在磨损、点蚀、剥落等各种损伤 瞬时冲击力、局部高温 存在漏电流

轮齿裂纹 轮齿折断 过载折断 疲劳折断 腐蚀磨损 轮齿塑性变形 组合损伤 严重磨损断齿 气 电 蚀 蚀


部位 故障大类
断裂

齿轮装置故障检测参数的有效性
振动
√ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ × × ×

损伤名称
超载断裂 疲劳断裂 冲击断裂 磨料磨损 刮痕 腐蚀磨损 侵蚀 剥落 波痕 碾击变形 锤击变形 凹痕 凹孔 压伤 烧伤 咬人异物 气蚀 电蚀 不平衡 不对中 松动 温度升高 严重漏油 油质劣化

噪声
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ △ △ △ ○ ○ ○ × × ×

扭矩
√ √ √ ○ ○ ○ ○ ○ √ √ √ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ △ △ △ × × ×

油液
× × × ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ √ √ √ ○ ○ ○ ○ × × × × × √

温度
△ △ △ △ △ △ △ △ × × × △ △ △ ○ △ △ △ × × × √ △ ○

光学
△ △ △ × × × × × × × × × × × ○ × × × × × × × × ×

磨损 齿 轮 轮 齿

塑性变形

齿面疲劳 烧伤 组合损伤 旋 转 机 构 润 滑 系 统

注:√——最有效 ○——尚有效 △一——有可能 ×———不适用

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2、齿轮箱故障的特征频率与边频带
在生产条件下很难直接检测某一个齿轮的故障信号,一般是在轴承、 箱体有关部位测量。当齿轮旋转时,无论齿轮发生了异常与否,齿 的啮合都会发生冲击啮合振动,其振动波形表现出振幅受到调制的 特点,甚至既调幅又调频。 各类故障在频域中的表现如下: 1)当齿轮均匀磨损时,啮合频率及其谐波分量保持不变,但幅值 大小改变,高次谐波幅值增大较多; 2)调幅现象。它是由于齿面载荷波动对幅值的影响造成的,调幅 的一个原因是齿轮偏心,此时的调制频率为齿轮的回转频率。当在 齿轮上有一个齿存在局部缺陷时,相当于齿轮的振动受到一个短脉 冲的调制,脉冲的长度等于齿的啮合周期
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3)调频现象。在实际情况中,同样的齿面压力的波动,在产生 调幅现象的同时,也会引起频率调制现象,其结果是在谱上得到 一个调幅与调频综合形成的边频带。齿轮存在偏心时,由于齿面 载荷变化引起调幅现象的同时,又由于齿轮转速的不均匀而引起 调频现象。 4)附加脉冲。实际测得的信号不一定对称于零线,可将信号分 解为两部分:即调幅部分和附加脉冲部分。附加脉冲是回转频率 的低次谐波。平衡不良、对中不良和机械松动等,均是回转频率 的低次谐波振源,但不一定与齿轮缺陷直接有关。附加脉冲的影 响一般不会超出低频段,即在啮合频率以下; 5)隐含谱线。是功率谱上的一个频率分量,产生的原因为加工 过程给一个齿轮所带来的周期性缺陷。

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齿轮频谱上边频带的形成

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齿轮箱状态监测与故障诊断技术
x(t ) = A(1 + m cos ω m t ) sin(ω 0 t + ? )
x(t ) = A ? sin (ω 0 t + ? ) + mA mA sin [(ω 0 + ω m )t + ? ] + sin [(ω 0 ? ω m )t + ? ] 2 2

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局部缺陷:相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制,脉冲长度等于齿轮 的旋转周期。由此形成的边频带数量多且均匀。 分布缺陷:由于分布缺陷所产生的幅值调制较为平缓,由此形成的边频带 比较高而且窄。并且,齿轮上的缺陷分布越均匀,频谱上的边频带就越高、 越集中。

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齿轮振动特征频率的计算 ? 齿轮及轴的转动频率 ?齿轮的啮合频率
n fr = 60
fm = n z 60

( Hz )

有固定齿圈的行星轮系,啮合频率为

f m = z r (nr ± nc ) / 60

z r -任一参考齿轮的齿数; nr - 参考齿轮的转数;

nc - 转臂的回转速度,当与参考齿轮转向相反时取正号, 否则就取负号。

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3、齿轮箱振动信号分析诊断方法 齿轮箱传动系统振动的频谱分析法和转子、滚动轴承的频谱 分析在原理上是一致的。 齿轮的制造与安装误差、剥落、裂纹等故障会直接成为振动 的激励源--齿轮轴的回转为周期 表现为回转频率对啮合频率及其倍频的调制,在谱图上形成 以啮合频率为中心、两个等间隔分布的边频带。 由于调频和调幅的共同作用,最后形成的频谱表现为以啮合 频率及其各次谐波为中心的一系列边频带群。 边频带反映了故障源信息,边频带的间隔反映了故障源的频 率,幅值的变化表示故障程度。 -> 齿轮故障诊断实质上是对边频带的识别
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用于齿轮箱振动信号的分析方法有: ?倒谱分析法 ?希尔伯特包络分析法 ?时频分析法 ?时域模型法 ?时域平均法

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齿轮箱不同部件故障的振动特征
部 件 失效类型 振 动 频 率 振幅特征 振动方向 其它

转 子

随 f r 增大 失 衡

fr

径 向

f r = f n 有峰值
随 f r 增大 同 上 变化不定 同 上 同 上 径向最大 径 向 轴向较大 径 向 径 向

受悬臂式载 荷时有轴向 振动

弯 曲 轴 截面扁平 对中不良 联 轴 器 配合松 不 良

f r ,2 f r 及 n f r
2 fr

f r ,2 f r 及 n f r fr / n , fr 或 n fr fr
损伤齿数 × f r

齿轮联轴节 振动特征与 齿轮相同,但

f r = f n 时有
峰值 磨损严重时 出现高阶振 动,

齿 轮

齿面损伤

随 f r 增大

径 向

fr 的振

断 齿

断齿数 × f r , f s

同 上

径 向

动能量明显 增大

滚 动 轴 承

内圈剥落 外圈剥落 钢球剥落 润滑不良 油膜涡动 油膜振荡 翘曲不平 刚性不好

d cos α ) f r D d 0.5nZ (1 ? cos α ) f r D d d n [1 ? ( ) 2 cos 2 α ] f r D D 0.5nZ (1 +

变化不定 同 上 同 上 同 上 突 变 同 上 随 f r 增大 随 f r 增大而减小

径 向 径 向 径 向 径 向 径 向 径 向 轴向较大 径 向

轴承的高频 振动(10-60) kHz 不易传给 其它部位

滑 动 轴 承

fr (0.42 ? 0.48) f r
fn f r ,2 f r 及 n f r fr

基 础

说 明

f r :轴的转动频率
d:轴承钢球直径

f n :轴的临界转动频率
D:轴承平均直径

f s :齿轮的固有频率

Z:轴承钢球数

α :轴承的接触角

n:自然数 1,2,3,…

常 见 齿 轮 故 障 的 振 动 时 域 波 形 及 频 谱 特 征

齿轮箱故障的小波分析-1

电厂磨煤机齿轮箱中有64齿的双曲线从动齿轮之振动速度的时域平均图。从 中可以发现在第600采样点处,即对应于角度200度处,振动发生变化,这是 由于某一齿面存在碎片剥落所引起。时域内平均是由在一个旋转周期内的采 样1024点实现的

图为从时域平均中除去齿轮啮合频率及其所有谐波后的残余信号,由碎片 剥落引起的振动变化在此图中更为明显

图为球磨机齿轮箱上述振动残余信号经过Daubechies4(D4)小波分析后的 均方图。较高模式出现在采样点600处,它覆盖了尺度7到11,指出了齿轮 箱的损伤之处。

图为球磨机齿轮箱上述振动残余信号经Daubechies20(D20)小波分析的均 方图。对于从Daubechies4正交小波到Daubechies20正交小波分析上述振动信 号时,信号中的主要特征比较一致,不同阶的Daubechies小波具有不同的类 型,也就是它们的频带是不同的,因此有细小的区别。

齿轮箱故障的小波分析-2



图为Wessex直升机疲劳损伤测试中,主回转齿轮箱驱动端螺旋斜齿轮(齿 数为22)的振动加速度时域平均。

图为除去所有与齿啮合频率及其谐波后的残余信号。可以看出,在采样点 750附近,即对应于转角265度附近有一较高的峰值,这表示齿轮齿面有疲 劳裂纹。

图为直升机齿轮残余信号的D4小波的均方图。可以看出,在采样点750附 近,即对应于转角265度附近有一较高的能量。

齿轮箱例
2#机组齿轮箱参数
齿轮 Z1 Z2 齿数 111 26 转速(rpm) 2985 12743

f1 = n1 60 = 49.75Hz

f 2 = 212.38Hz
f e = f1 × Z1 = f 2 × Z 2 = 5522.0 Hz

齿轮箱时域波形图
位置序号 频率(Hz) 幅值(mm/s) 211 0.638 1484 4.998

齿轮箱频谱图

2972 1.053

5516 0.215

f p 3 = 2 f p 2 = 14 f 2 为箱体振动和齿轮传动发生共振,并且有二次谐波成分

位置③和④经过细化后各频率成分值
位置编号 频率Hz 幅值mm/s A 2547.0 0.138 B 2761.4 0.160 C 2975.9 0.359 B’ 3180.4 0.126 A’ 3394.9 0.052 D 5429.2 0.022 E 5479.0 0.032 F 5528.9 0.154 E’ 5578.7 0.017

边频带各相邻峰值间的频率为212Hz,为小齿轮转频。 紧靠C左右两侧两个峰值与C的频率差分别为50Hz,为大齿轮转频


?3#机组电动机:转速:1485rpm;功率:1250Kw; ?3#机组电动机:转速:1492rpm;功率:1250Kw; ?2#和3#增速机:低速齿轮齿数:91;高速齿轮齿数:31;齿轮形式:人字齿 ?2#和3#机组鼓风机:D570-1.3/0.95-1(两级离心式);额定转速: 4320rpm;风量:1150m3/min。 ?电动机轴承均为滚动轴承;增速机和风机为滑动轴承支撑。

? 增速机6#测点振动加速度波形和频谱见图2 和图3。可见波形图上出现明显冲击,伴 随冲击还存在类似于谐振的波形,冲击间隔为40ms 即25Hz,正好为低速轴的转频。 ? ?啮合频率(24.75Hz*91=2252.25Hz)为主导振动频率,在齿轮啮合频率2252Hz 附近 (在最大分析频率为5KHz 时,频率分辨率为12.5Hz,因频率分辨率的关系,图中频 率为2262.5Hz)附近作16 倍细化分析,谱图如图4,细化后发现啮合频率附近调制了 大量的低速轴的转频谱线 大齿轮发生故障的特征,判断齿轮存在严重磨损或断齿。 ? 主动人字齿轮一边严重磨损,另一边也存在严重磨损,且有9 个轮齿断裂,最大 的断齿长度为4cm,9 个断裂轮齿呈无规律分布。

汽车变速齿轮箱故障



主要技术参数: ? 滚动轴承型号:7224DB; ? 齿轮为斜齿轮; ? 电机转速:1280rpm; ? 联轴器:齿式联轴器。

可清晰地看出有一周期脉冲,这是齿轮每转一周出现的一个冲击,脉冲间隔 为134ms,频率值为7.5Hz(=1/134ms)。这恰与输入轴小齿轮所在轴的转频一 致(输入轴转速为450rpm) 故障:小齿轮个别齿断齿或严重磨损

齿轮箱状态监测与故障诊断技术
4、齿轮箱故障的噪声诊断 除频率单的纯音外,一般声音都是由许多不同频率、不同强 度的纯音组合而成。以声压级为纵坐标,频率的横坐标绘制 成的噪声特性曲线称为噪声频谱图。 噪声频谱能形象地反映出声音的频率分布和声级大小的关系。 在噪声监测中,将动态范围内大的连续声谱(20~20000Hz) 划分为若干个部分,每个部分叫做频带。f0、f1、f2分别为该 频节的中心频率、最低频率、最高频率。
f0 = f2 = 2
n

f1 ? f 2 ? f1

n决定频带的倍频程数。n=1时称为倍频程;n=1/3时称为1/3 频程。
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齿轮箱状态监测与故障诊断技术

1/3 octave

Power spectrum

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