（森林工程专业论文）bj2020n齿轮箱齿轮传动系统故障诊断.pdf

摘要：随着科学技术的不断发展，机械设备向着高性能、高效率、高自动化和高可靠 性的方向发展。齿轮箱由于具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，是用于 改变转速和传递动力的最常用的传动部件，是机械设备的一个重要组成部分，也是故 障易于发生的一个部件，其运行状态对整机的工作性能有很大的影响。它的损伤和失 效常常导致传动系统或整机的故障，从而导致重大安全事故。因此，作为动力传递核 心的齿轮箱装置的状态监测与故障诊断受到了越来越多的重视。研究表明，齿轮箱故 障的7 0 是由于齿轮和轴失效而造成的。本文选题以b j 2 0 2 0 n 汽车齿轮箱齿轮传动 系统为研究对象，根据计算齿轮和轴旋转的特征频率，与利用i n v 3 0 6 及d a s p 2 0 0 6 信号采集分析系统采集齿轮箱振动信号的分析结果对比来进行齿轮箱故障诊断。 本文在总结和汲取他人研究成果的基础上，运用功率谱、共振解调和小波分析方 法，有效地从b j 2 0 2 0 n 齿轮箱振动信号中获取到故障特征信息，成功地实现了齿轮 箱齿轮传动系统故障诊断。 齿轮箱在发生故障时振动信号一般表现出调制信号( 包括幅值调制和频率调制) 呈周期变化的规律，通过对调频信号调制原理的研究，借助贝塞尔函数( b e s s e l ) 进行 展开分析，揭示了频率调制信号其调制边频带对称分布的规律。根据调制信号进行诊 断，对测得的信号进行解调是诊断的关键。共振解调技术适用于冲击类故障的诊断， 尤其适用于故障的早期诊断，因为早期故障非常轻微，它引起的冲击强度非常小，所 以振动信号的故障特征很不明显，用一般方法很难辨别出来。由于共振解调技术放大 ( 谐振) 和分离( 带通滤波) 了故障信号，极大地提高了信噪比。有利于实现故障诊断。 小波分析是近年来迅速发展起来的- - n 理论，在图象处理、通信和地球物理研究 方面取得了成功的应用。本文围绕小波分析在齿轮箱故障诊断中的应用进行了理论研 究和实验验证，将小波分析方法应用到齿轮箱故障诊断领域，利用m a t l a b 小波工具 箱对振动信号进行了小波消噪，准确地提取到了故障信号，取得了较好的效果。 本文以b j 2 0 2 0 n 齿轮箱齿轮传动系统为研究对象，分析了齿轮箱各零部件的常 见失效形式和故障产生机理，建立了齿轮振动信号数学模型，研究了功率谱、共振解 调和小波分析等信号处理方法，通过实验，运用功率谱、共振解调技术和小波分析等 技术的方法对齿轮箱齿轮传动系统进行了故障诊断，有效地实现了齿轮箱故障诊断。 关键词：齿轮箱，故障诊断，齿轮传动系统，功率谱，共振解调，小波分析 a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , h i 曲p e r f o r m a n c e ，h i g h e f f i c i e n c y , h i g ha u t o m a t i o na n dh i g hr e l i a b i l i t yh a v eb e c o m et h et e n d e n c yo f m e c h a n i c a l e q u i p m e n t s b e c a u s eo fa d v a n t a g e so ft h ef i x e dt r a n s m i s s i o nr a t i o ，t h el a r g et r a n s m i s s i o n t o r q u ea n dt h ec o m p a c ts t r u c t u r e ，t h eg e a r b o xi sw i d e l ya p p l i e dt oa d j u s t i n gv e l o c i t ya n d t r a n s f e r r i n gp o w e r a l t h o u g hg e a ri sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fm a c h i n ee q u i p m e n t s ，i t a r i s e ss o m ef a u l t sf r e q u e n t l y , w h i c hl e a d st op o o rp e r f o r m a n c eo ft h ew h o l em a c h i n ei n o p e r a t i n gc o n d i t i o n i t sd a m a g ea n df a i l u r eo f t e nc a u s et r o u b l eo ft r a n s m i s s i o ns y s t e mo r c o m p l e t ee q u i p m e n t , t h u sl e a d t h eg r e a ti n c i d e n t t h eg e a r b o x , t h ec o r eo fp o w e r t r a n s m i s s i o n , i t sc o n d i t i o nm o f i t o f i n ga n df a u l td i a g n o s i sh a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n a n di tw a si n d i c a t e dt h a ts e v e n t yp e r c e n to fg e a r b o xf a u l te a n l ef r o mg e a ra n d a x i sf a i l u r e t h i st h e s i sw i l lf o c u so ng e a rd r i v es y s t e mo fb j 2 0 2 0 ng e a r b o x , t h eg e a r b o x f a u l td i a g n o s i sb a s e do nc o m p a r e dt h ec h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yo ft h eg e a ra n da x i sw i t h t h ea n a l y s i sr e s u l t so fv i b r a t i o ns i g n a l sb yu s i n gi n v 3 0 6a n dd a s p 2 0 0 6d a t ag a t h e r i n g a n da n a l y s i ss y s t e m b a s e do nt h ef o r m e ra c h i e v e m e n t sa n dr e s u l t s ，i nt h i sp a p e r , f a u l tc h a r a c t e r i s t i c f r e q u e n c i e sa e f f e c t i v e l yo b t a i n e df r o mv i b r a t i o ns i g n a l so fb j 2 0 2 0 ng e a r b o xb yu s i n g p o w e rs p e c t l a l n l d e m o d u l a t e dr e s o n a n c et e c h n i q u ea n dw a v e l e ta n a l y s i sm e t h o d s ，a n d c o m p l e t e dt h eg e a rd r i v es y s t e mo f b j 2 0 2 0 ng e a r b o xs u c c e s s f u l l y t h ev i b r a t i o ns i g n a l sa l w a y sp r e s e n tt h a tt h em o d u l a t e ds i g n a lv a r i e dp e r i o d i c a l l y w h e nt h eg e a r b o xh a sf a u l t s ，i n c l u d i n gf r e q u e n c ym o d u l a t e da n da m p l i t u d em o d u l a t e d b a s e do ns t u d yt h em o d u l a t e dp r i n c i p l eo fs i g n a l s ，i tr e v e a l st h a tt h es i d ef r e q u e n c i e so f m o d u l a t e ds i g n a l sa r ed i s t r i b u t e db i l a t e r a ls y m m e t r y t h el i n c h p i nu p o nt h a tt h es i g n a l sa r c m o d u l a t e dw h e nw ed i a g n o s et h r o u g hm o d u l a t e ds i g n a l s t h em o d u l m e dr e s o n a n c e t e c h n i q u ei sa p p l i c a b l ef o ri n c i p i e n tf a u l t se s p e c i a l l yb e c a u s ei tu p g r a d e ss i g n a l - t o - n o i s e w a v e l e ta n a l y s i si sat h e o r yd e v e l o p e di nt h ep a s td e c a d e i th a sb e e ns u c c e s s f u l l y u s e di ni m a g ep r o c e s s i n g ，t e l e c o m m u n i c a t i o na n dg e o p h y s i c s i nt h i sp a p e r , s o m er e s e a r c h a n da p p l i c a t i o nw o r k 谢t hw a v e l e ta n a l y s i si nt h ef i e l do ff a u l td i a g n o s i so fg e a r b o xh a s b e e nc o n d u c t e d i tg a i n e de f f e c t i v e l yt h a td e a l 诵t hv i b r a t i o ns i g n a l sb ym a t l a bw a v e l e t t o o l b o x i ts t u d yo nt h eg e a rd r i v es y s t e mo f b j 2 0 2 0 n g e a r b o xi nt h et h e s i s t h em e c h a n i s mo f g e a r b o xh a c k n e y e di n v a l i d a t i o na n df a u l ti ss t u d i e d t os t r i c t l yd e s c r i b ei t sv i b r a t i o n , a m a t h e m a t i c sm o d e li se s t a b l i s h e d t h r o u g he x p e r i m e n t s ，i ta c h i e v es u c c e s s f u l l yg e a r b o x f a u l td i a g n o s i sb yu s i n gp o w e rs p e c t r u m , d e m o d u l a t e dr e s o n a n c et e c h n i q u ea n dw a v e l e t a n a l y s i s k e yw o r d s ：g e a r b o x ，f a u l td i a g n o s i s ，g e a rd r i v es y s t e m , p o w e rs p e c t r u m ，d e m o d u l a t e d r e s o n a n c e ，w a v e l e ta n a l y s i s 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰 写的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：耋丝日期：电2 ：! i 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文；提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垒尘堑导师签名： 邺日期：! z ：! 盈 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 齿轮箱作为机械设备中一种必不可少的连接和传递动力的通用零部件，在金属切 削机床、航空、电力系统、农业机械、运输机械、冶金机械等现代工业设备中得到了 广泛的应用。在今天科学技术飞速发展的时代，机械装备向着大型化、高效率、自动 化和高性能的方向发展，作为传递运动和动力的齿轮装置几乎在大型设备中都具有重 要的作用。 但由于其本身结构复杂，工作环境恶劣等原因，齿轮箱容易受到损害和出现故障。 齿轮失效又是诱发机器故障的重要因素。据统计，传动机械中8 0 的故障是由齿轮引 起的，旋转机械中齿轮故障占其故障的1 0 左右【l 】。齿轮故障将直接影响设备的安全 可靠运行，降低加工精度和生产效率。随着设备的不断大型化、高速化、复杂化、自 动化和连续化，齿轮箱的故障和失效给整个生产和社会造成的损失将越来越大，行驶 中汽车的齿轮箱将直接造成人身伤亡；而一些处于连贯工作状态的设备，如电力行业 的发电机组、钢铁行业的轧辊机组，由于齿轮箱的意外故障造成的停机停产的损失难 以估计。我国的水泥行业，水泥磨齿轮箱故障使水泥产量每年减少2 0 0 万吨以上 2 1 。 我国某科学测量船在一次航行中发生主减速器传动齿轮局部折断，只得被迫减速航 行，以致整个船队的行动受到影响。十年前，一家很有声望的美国齿轮公司所生产的 提升机，在进行建筑物外表清洁作业时齿轮箱轮齿发生断裂，造成清洁工人从高空坠 落，这一事故的发生使这家公司的产品质量信誉受到了很大的影响。1 9 8 6 年1 0 月， 一架英国斯威士兰公司的直升机在英国北海油田上空执行任务时，传输动力的齿轮突 然断裂，造成飞机失事例。 齿轮箱的故障诊断技术是建立在多个学科基础之上的交叉学科，综合了机械、力 学、电子、数学、物理、计算机等学科的基本理论，具有工程应用性强、技术基础可 靠、与高技术发展密切相关的特点。采用这一先进技术对齿轮及齿轮箱进行状态监测 与故障诊断，可实现齿轮箱由事后维修、定期维修到视倩维修的根本转变，减少一些 不必要的经济损失，从而创造更大的经济效益和社会效益，具有重大的意义。 1 2 齿轮箱诊断技术的发展与现状 早在一个世纪前，人们就已经开始对齿轮箱的振动和噪声进行研究。但直到2 0 l b j 2 0 2 0 n 齿轮箱齿轮传动系统故障诊断 世纪6 0 年代中期，齿轮的振动和噪声问题才成为评价一个齿轮装置好坏的重要因素， 引起了世界范围内的广泛关注。英国学者h o p t i z 在1 9 6 8 年就齿轮振动与噪声的机 理，发表了一些著名的研究曲线，阐述了齿轮箱的振动和噪声是传动功率和齿轮传动 误差及齿轮精度的函数【4 j 。另外，美国的b u c k i n g h a m 和德国的n i e m a n n 也对齿轮箱 的振动和噪声提出了自己的见解和看法。 2 0 世纪7 0 年代初开始出现了一些简单的齿轮箱故障诊断，仅仅限于直接分析测 量一些简单的振动参数，如振动峰值p k 、均方根值r m s 等，通过观察这些参数的变 化来掌握齿轮的运行状态。为了排除机器载荷变化的影响，还可采用一些无量纲参数， 如峰值系数c f 等。用一些简易的方法诊断齿轮和齿轮箱的故障，虽然取得了一定的 成功，但对齿轮箱故障的诊断灵敏度不高，诊断准确率很低。从2 0 世纪7 0 年代末到 2 0 世纪8 0 年代中期，齿轮箱故障诊断的频域法发展很快，其中b r a n d a l l 和i t a y l o r 等人做了很多有益的研究，积累了一些故障诊断的实例，对齿轮磨损和齿断裂等故障 诊断较为成功1 5 6 1 。 对比齿轮诊断和滚动轴承诊断可知，齿轮故障诊断的困难在于信号在传递中经过 的环节较多( 齿轮轴，轴承轴承座测点) ，高频信号( 5 0 k h z 以上) 在传递中大多丧 失。由于这一原因，齿轮故障诊断通常还需借助于较为细致的信号分析技术，以达到 提高信噪比和有效地提取故障特征的目的。目前的齿轮箱故障诊断研究主要集中在齿 轮箱状态监测仪器和分析系统的开发、信号处理和分析、故障机理研究和典型故障特 征的提取、诊断方法研究和人工智能的应用等几个方面。 人们在监测分析系统的开发方面已进行了大量的研究，并研制了许多相应的仪器 和设备，如美国、日本和丹麦的一些仪器生产厂家生产的磁带记录仪、数据采集仪和 信号分析仪等。近年来，由于微机，特别是便携机的迅速发展，基于便携机的在线、 离线监测与诊断系统日益普及，如美国生产的m 6 0 0 0 系列产品。特别值得一提的是， 我国己开发出一些基于微机的在线、离线监测分析和故障诊断系统等。 用于齿轮箱状态监测和故障诊断的信号处理和分析方法也取得了相当大的发展， 传统的分析方法，如时域波形分析、转速同步分析、功率谱分析、细化谱分析、相关 分析、相干分析、倒频谱分析、解调分析、瀑布图、伯德图中的很多方法的精度和速 度在近些年得到了很大的提高和发展。采用离散频谱校正技术提高频谱分析的精度： 采用基于复解析带通滤波器的复调制细化选带频谱分析方法提高细化谱的分析精度 和速度；采用基于复解析带通滤波器的优化希尔伯特变换解调方法以克服解调分析的 2 1 绪论 局限性。一些较新的信号处理方法，如w i g n e r v i l l c 分布技术、小波分析、循环平稳 理论、解调分析和希尔伯特黄变换解调等时频分析方法已开始得到应用，并取得了 一定的效果，出现了一些新的分析方法。近年来，在进行了充分的理论分析和大量实 践经验的基础上，国内一些专家提出了基于建立档案的时频域得分法来进行诊断的诊 断方法阴。所谓时频域得分法，是综合考虑各种故障和由此产生的特征频率( 症状) 之间的对应关系。基于建立档案的时频域得分法由建立档案和得分法诊断两部分组 成。齿轮箱因其振动的频率成分很多，故一定要在建档的基础上来判断是否存在故障， 并依此进行故障诊断。诊断是采用对加速度和速度进行两时域( 时域信号和包络时域 信号) 特征值和三频域( 频谱分析、细化分析、窄带细化包络谱分析) 分析，最后根 据由特征值对应的得分计算总得分的方法来诊断故障。这样，综合考虑了时域和包络 时域的能量、冲击指标以及频域特征参数的影响，从而提高了诊断的成功率。如果总 分达到了一定值，则认为此项故障已经发生。利用该方法实际进行齿轮故障诊断，已 解决了工程中很多齿轮、轴和滚动轴承的故障诊断问题，因此可以认为该方法是当前 齿轮故障诊断中的一种比较有效和实用的方法。 在齿轮箱典型故障机理研究和特征提取方面，由于齿轮箱的结构复杂，工作环境 一般比较恶劣，各种干扰较大，涉及问题较多，国内外学者虽然取得了一定的成绩， 但对于齿轮和轴的故障机理研究仍然不够深入，需要进一步的完善和研究闱。 当前齿轮箱的故障诊断方法很多，如振动诊断、噪声分析、扭振分析、油液分析、 声发射、温度及能耗监测等。齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时会产生振动，若发 生故障，其振动噪声信号的能量分布就会发生变化，振动嗓声信号是齿轮箱故障特征 的载体。对其振动噪声状况分析，可实现不停机操作状态下的故障诊断，大大减少了 由于停机所造成的巨大经济损失，而且基于振动噪声分析的故障诊断系统性能可靠， 价格便宜，操作简单方便，所以，振动噪声诊断是一种行之有效的故障诊断方法，在 我国及世界范曝内得到了广泛的应用。振动噪声诊断方法又可分为简易、精密和自动 诊断三种方法。由于齿轮箱振动频率复杂，需要定位诊断故障，所以工程实际中大多 数情况下都需要进行精密诊断，其精密诊断方法在近年来也有很快的发展。目前我国 齿轮箱故障诊断仍然是以手工为主，现有的仪器和分析系统仅仅为我们提供了必要的 手段，但对人的依赖程度较大。国内外通用的能综合诊断齿轮箱故障、实用简便的自 动诊断或智能诊断系统很少，研制一套通用的齿轮箱故障自动诊断或智能诊断系统可 以填补该领域空白。 b j 2 0 2 0 n 齿轮箱齿轮传动系统故障诊断 齿轮箱的故障，如齿轮点蚀、断齿、轴轻度弯曲以及滚动轴承的疲劳剥落等，会 产生周期性的脉冲冲击力，从而产生振动信号的调制现象，在频谱上表现为在啮合频 率或固有频率两侧出现间隔均匀的调制边频带。因此，在齿轮箱的敌障诊断中，对调 制信号进行解调是一项重要的工作。常用的方法有：希尔伯特变换、广义检波滤波、 共振解调方法。广义检波滤波有高通绝对值分析、检波滤波和平方滤波三种方法。高 通绝对值分析是对时域信号的绝对值的中线包络作f f t 谱分析，不是真实包络的真 实幅值；检波滤波则是对时域信号的正半周包络作f f t 谱分析，也不是真实包络的 真实幅值；平方滤波是对时域信号的平方包络作f f t 分析，同样不是包络的真实幅 值，所得到的信号包络幅值与信号真实包络频率成分幅值都差一个常数关系，而且这 三种方法由于取绝对值、检波过程或平方过程都会使载波频率有可能出现高次谐波而 产生混频效应，在解调谱上会出现无法分析的频率成分 9 1 。希尔伯特变换解调分析是 对调制信号绝对值作f f t 谱分析，其幅值代表真实包络的幅值，且不出现混频效应。 鉴于上述原因，目前工程技术界多采用希尔伯特变换进行解调分析，一些算法由于只 对选抽点作带通滤波和希尔伯特变换而无法在细化分析的选抽时进行数字低通滤波， 从而细化倍数很大时会出现调制频率的高次谐波成分发生频率混叠而反折到低频部 分的现象。针对这种局限性，目前已经有了解决的新算法基于复解析带通滤波的 优化希尔伯特变换解调分析新方法 1 0 l 。齿轮箱振动信号中出现的一类特殊的信号( 信 号的统计特征是周期变化的) 循环平稳信号，采用循环平稳分析解调。该方法目 前正处于研究过程，利用这种方法可对齿轮箱振动信号中的幅值调制和频率调制( 相 位调制) 信号进行解调【l l 1 2 1 。 由于齿轮箱的结构复杂，工作条件多样，诊断中涉及的问题较多，现有的故障诊 断系统都不同程度的存在着一些问题，主要有以下几个方面： 1 ) 对齿轮箱故障和振动产生机理研究不够透彻，大多是定性的结论。要建立完 整的数学力学模型，进行定量分析存在着相当大的困难。 2 ) 目前一般将齿轮箱作为一个线性系统进行研究，但实际研究和工程实践表明， 蠹轮箱的振动涉及很多非线性因素。 3 ) 现行的诊断方法多是以箱体振动信号进行研究，没有充分利用其他分析方法， 所以其诊断成功率较低。 4 ) 齿轮箱故障诊断的专家知识库很缺乏，知识库可靠性和推广性差，很多诊断 实例无法表达成通用的知识规则。 4 1 绪论 从以上分析可知，研究有效的诊断方法，多种方法的融合诊断，分析故障机理， 建立数学力学模型，研究非线性振动问题，构造专家知识库，进行人工智能、模式识 别和神经网络方面的探索，是当前齿轮箱故障诊断的发展方向【3 l 。 1 3 本文的研究内容 本文以b j 2 0 2 0 n 齿轮箱齿轮传动系统为研究对象，根据计算齿轮传动系统运行 时产生的振动信号特征频率与利用频谱分析仪对采集的振动信号所得的分析结果的 对比，判断齿轮传动系统是否有故障，运用功率谱、共振解调和小波分析来提取振动 信号的频率、幅值及相位等信息，从而识别故障。 主要工作内容为： ( 1 ) 建立振动信号数据采集及分析系统实验平台； ( 5 ) 计算齿轮传动系统特征频率，采集系统振动信号，运用功率谱和共振解调 对采集的信号进行分析处理，提取信号特征值，依据提取的信号特征值与系统特征频 率的比较，判断是否有故障； ( 3 ) 运用小波分析诊断齿轮箱故障。 b j 2 0 2 0 n 齿轮箱齿轮传动系统故障诊断 2 齿轮箱中零部件的常见失效形式 齿轮箱零部件一般包含有齿轮、滚动轴承和轴，而且在这三类主要零部件失效时 产生的故障通常会互相影响，所以分析齿轮、滚动轴承和轴的主要失效形式对齿轮箱 故障诊断具有重要的意义。 通常齿轮投入使用后，由于齿轮制造不良或操作维护不善，会产生各种形式的失 效，致使齿轮失去正常功能而失效。失效形式又随齿轮材料、热处理、安装和运转状 态等因素的不同而不同，常见的齿轮失效形式有：齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面 接触疲劳、弯曲疲劳与断齿。 在齿轮箱中，轴和轴系常见的失效形式有：轴有较严重的不平衡、轻度弯曲和严 重弯曲，轴系通过联轴器连接时存在不对中现象。 在齿轮箱中，滚动轴承的失效形式有：内环、外环和滚动体的点蚀和疲劳剥落， 保持架损坏。 在齿轮箱中，轴的失效和滚动轴承的失效形式多数情况下也会引起齿轮的啮合状 态变化，表现为齿轮的失效【3 1 2 , 1 3 1 4 1 5 1 6 】。 2 1 齿面磨损 齿轮在啮合过程中，往往在轮齿接触表面上出现材料磨擦损伤的现象。凡磨损量 不影响齿轮在预期寿命内应具备的功能的磨损，均称为正常磨损。齿轮正常磨损的特 征是齿面光亮平滑，没有宏观擦伤，各项公差在允许范围内。如果由于齿轮用材不当， 或在接触面间存在硬质颗粒，以及润滑油供应不足或不清洁，往往引起齿轮的早期磨 损，有微小的颗粒分享出来，使接触表面发生尺寸变化，重量损失，并使齿形改变， 齿厚变薄，噪声增大 2 1 。严重磨损的结果将齿轮失效。磨损失效形式可分为：磨粒磨 损、腐蚀磨损和齿轮端面冲击磨损。 1 齿轮磨粒磨损 由于润滑油中夹杂直径大于3 0 p m 以上的磨粒，或者污物、金属屑末、尘埃和砂 粒等进入齿的工作表面，引起磨粒磨损。齿轮齿面受到磨粒磨损，沿滑道方向，有细 而均匀的条痕，齿面发暗。磨粒磨损进一步发展的结果，会使齿形改变，齿厚变薄， 甚至出现“刀片”状齿尖，啮合间隙增大，传动时噪声增大，有时还由于齿厚过薄导致 断齿。磨粒磨损多发生在齿根、齿项处的滑动接触部位，而在节圆处较少发生。 2 腐蚀磨损 6 2 齿轮箱中零部件的常见失效形式 腐蚀磨损是以化学腐蚀作用为主，并伴有机械磨损的一种损伤形式。当润滑油中 含有酸、碱和水等易对金属产生腐蚀的化学物质时，就会与齿面发生化学反应，由腐 蚀导致齿面损伤。化学腐蚀磨损齿轮的宏观特征是常呈现有腐蚀麻坑，并在工作齿面 上沿滑动速度方向呈现出均匀而细小的磨痕。磨损产物都为红褐色小片，其中主要成 分为三氧化二铁。 化学腐蚀磨损是由于润滑剂中存在污染物或杂质，与齿轮材料发生化学或电化学 反应而引起的，同时腐蚀部分由于啮合摩擦和润滑剂的冲刷而脱落，形成化学腐蚀磨 损。 3 齿轮轮齿端面冲击磨损 齿轮轮齿端面冲击磨损是变速箱齿轮在换档时，轮齿端面经常受到冲击载荷而导 致齿端面磨损。如果齿轮表面硬度过低，则齿端面容易磨损或打毛；硬化层过浅，则 易被压碎而暴露出心部软组织；齿轮心部硬度过高或金相组织中碳化物级别超差，则 轮齿尖角处易出现崩裂现象。 2 2 齿面胶合和擦伤 齿轮两啮合齿面的金属，发生胶合磨损是在一定压力下直接接触，“焊合”后又有 相对运动，金属从齿面上撕落，或从一个齿面向另一个齿面转移而引起损伤的现象， 这是一种较严重的磨损形态。它通过接触面局部发生粘合，在相对运动下粘合处分离， 致使接触面上有小颗粒被拉拽出来，这种过程反复进行多次而使齿面发生破坏。胶合 和擦伤一般发生在重载或高速的齿轮传动中，主要是由于润滑条件不合适而导致齿面 问的油膜破裂。 胶合磨损的宏观特征是齿面沿滑动速度方向呈现深、宽不等的条状粗糙沟纹，在 齿顶和齿根处较为严重，此时噪声明显增大。胶合分为冷粘合和热粘合。冷粘合的沟 纹比较清晰，热粘合可能伴有高温烧伤引起的变色。 冷粘合撕伤是在重载低速传动的情况下形成的。由于局部压力很高，表面油膜破 裂，造成轮齿金属表面直接接触，在受压力产生塑性变形时，接触点由于分子相互的 扩散和局部再结晶等原因发生粘合，当滑动时粘合结点被撕开而形成冷粘合撕伤。 热粘合撕伤通常是在高速或重载中速传动中，由于齿面接触点局部温度升高，油 膜及其他表面膜破裂，表面金属熔合而后又撕裂形成的。 新齿轮未经摩合时，也常常在某一局部产生胶合现象，使齿轮擦伤。 b j 2 0 2 0 n 齿轮箱齿轮传动系统故障诊断 2 3 齿面接触疲劳( 点蚀、剥落) 齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。这两种力的作用使齿轮表面 层深处产生脉动循环变化的切应力，在交变应力作用下会产生微观的疲劳裂纹。润滑 油进入裂纹后，在啮合过程中将裂纹封闭和挤压，润滑油在高压下促使疲劳裂纹蔓延 和扩展，就将齿表面的金属微粒剥落下来，形成许多麻点( 凹坑) ，这种破坏方式称 为“点蚀”。如果表面的疲劳裂纹扩展得较深、较远，将许许多多麻点连接起来，造成 大块金属脱落，这种现象就称为“剥落。剥落和点蚀的形成机理相同，无本质区别， 只是程度不同而已。 其损坏形式有麻点疲劳剥落、浅层疲劳剥落和硬化层疲劳剥落三种。 1 麻点疲劳剥落 齿轮在接触应力作用下，工作表面呈痘斑、片状的疲劳损伤，称为麻点疲劳剥落。麻 点疲劳剥落又分初始麻点( 非扩展性的) 和破坏性麻点( 扩展性的) 。初始麻点是由 于齿面存在微小的加工误差，表面不平，接触不均匀，齿轮在正常工作载荷作用下， 使表面局部产生了高出材料疲劳极限的应力，经过一段循环次数后产生疲劳剥落，形 成深度小于0 1 m m ，直径小于l m m 的细小麻点。破坏性麻点是在接触应力圈套，循 环次数较多的情况下，初始麻点中产生的次生裂纹，发展成剥落面积较大、较深的剥 落坑，麻点深度一般约小于0 4 m m 。 麻点剥落过程如图( 图1 ) 所示：齿轮齿面在滚动带滑动的接触过程中，因表面 凹凸不平，表面摩擦较大，在受挤压时，表面部分地被压平，形成小的表面折叠，其 历勿形黝 1 1 c ) 由n 图1 麻点剥落图 a ) 齿轮齿面表面凹凸不平b ) 齿轮齿面表面部分地被压平c ) 齿轮齿面裂纹形成 d ) 在有润滑情况下裂纹进一步扩展，最后弯断e ) 形成麻点剥落 f i g1m a p o f e r o d e dp l o t 尖端处产生应力集中，在反复切应力的作用下产生局部塑性变形而导致裂纹形成。在 8 2 齿轮箱中零部件的常见失效形式 有润滑情况下，由于毛细管作用使润滑油进入裂缝，当齿轮运动时，高压油挤入裂缝， 形成油楔。在油楔反复交变冲击作用下，裂纹进一步扩展，同时在裂纹顶端受到垂直 弯曲应力作用，最终形成麻点剥落。 2 浅层疲劳剥落 比麻点剥落大而深的接触疲劳损伤称为浅层疲劳剥落，呈鳞片状，通常坑深约 o 4 m m ，但在硬化层深度以内。这种剥落常发生在齿轮表面粗糙度低、相对摩擦力小 的场合。 3 硬化层疲劳剥落 经表面强化处理的齿轮在工作过程中出现大块状剥落，深度达到硬化层过渡区， 称为硬化层疲劳剥落。它是表面硬化齿轮严重剥落的一种形式。软齿面不易出现这类 损伤现象。 实践证明，点蚀一般都发生在靠近节线的齿根部分。局部性点蚀现象并不危险， 齿轮实际上还能继续长期工作，这种局部性点蚀是由于存在齿面局部突起部分，在突 起部分上面开始随的载荷很高，因而发生强烈点蚀，但局部点蚀结果使原来不传递载 荷的表面也参加工作，因而使突起表面上接触应力下降，这种局部点蚀也就停止发展。 发生点蚀的面积率是与负荷的反复次数有关的，据日本横山正明等人的研究统计，当 负荷循环次数超过1 0 7 次以后，点蚀面积率就急剧上升。 实验显示，润滑油有促进疲劳裂纹的成长和产生麻斑的作用，润滑油的黏度愈低， 油量愈充裕，则点蚀现象愈严重，因此，点蚀是闭式传动最普遍的破坏方式。对于开 式齿轮传动，由于润滑油不够充分，并且存在磨料性碎屑，因而磨损总是先于点蚀的。 2 4 弯曲疲劳与断齿 轮齿承受载荷，如同悬臂梁，其根部受到脉动循环的弯曲应力作用。当这种周期 性的应力过高时，会在根部产生裂纹，并逐渐扩展。当剩余部分无法承担外载荷时， 就会发生断齿。 在齿轮工作中，由于严重的冲击和过载接触线上的过分偏载以及材质不均都可能 引起断齿。对于齿轮的弯曲疲劳，诊断的重点应放在裂纹扩展期。这方面已经有了一 些成功的实例。 常见的断齿形式有整个轮齿沿齿根的弯曲疲劳断裂、轮齿局部断裂和轮齿出现裂 纹等。 9 b j 2 0 2 0 n 齿轮箱齿轮传动系统故障诊断 齿轮轮齿弯曲疲劳断口特征有明显的三个区域：裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和最 终瞬断区。 2 5 轴不平衡、不对中和弯曲 不论工艺和加工精度多高，齿轮箱中的轴都会有不平衡产生，但是只要不平衡量 控制在一定的范围，就不会对齿轮箱的正常运行工况产生影响。但是如果不平衡量超 过一定的限度，就会对齿轮箱的正常运行工况产生较大的影响，严重时会产生重大事 故。 齿轮箱中的轴产生较严重的不平衡问题，一般来源于下列几个方面： 1 ) 制造过程中工艺和加工存在问题，新制造的轴也会产生严重的不平衡现象。 2 ) 在使用过程中轴受到过大的瞬时冲击载荷的作用，产生弯曲或永久变形。 3 ) 长期在较大的偏载工况下工作，由于疲劳作用产生永久变形。 齿轮箱中如果有多对轴通过联轴器连接在一起，形成一个轴系工作，就可能会由 于设计、制造、安装或者使用过程中的问题使轴系产生不对中，不对中会对齿轮箱的 正常运行工况产生较大的影响。 在使用过程中轴受到过大的瞬时冲击载荷的作用或长期在较大的偏载工况下工 作，轴会产生轻度弯曲或严重弯曲。 轴的失效形式多数情况下也会引起齿轮的啮合状态变化，表现为齿轮的失效。特 别需要注意的问题是，在齿轮箱中齿轮和滚动轴承都是安装在轴上的，所以轴或轴系 产生故障，必然也使安装在轴上的齿轮的啮合状态发生很大变化，有时甚至使滚动轴 承的工作状态生产很大变化，所以轴或轴系故障特征的提取和诊断一定要和安装在其 上的啮合齿轮的工作状态结合起来。 2 6 小结 齿轮是最常见的机械传动零件，由于它具有结构紧凑，效率高，寿命长，工作可 靠，理论传动比恒定不变和维护方便等优点，因而在机械传动的各个方面获得广泛应 用，但齿轮传动也有它的缺点：不能缓和冲击作用，当制造不精确，材质不良，热处 理不当，使用条件恶劣，安装不正确时，往往会引起较大的振动、噪声和断裂等故障。 在齿轮箱的各类零部件中，齿轮本身产生的故障比例最大，据统计其故障率达 6 0 ，其余零件中的故障率为：轴承占1 9 ，轴占1 0 ，箱体占7 ，紧固件占3 ， 1 0 2 齿轮箱中零部件的常见失效形式 油封占1 t 1 2 1 。 齿轮故障按其振动特征来分类，还可分为分布故障和局部故障。前者分布在一个 齿轮的各个轮齿上，如磨损、点蚀等；后者集中于一个或几个齿上，如剥落、断齿等。 从齿轮故障诊断的角度出发，凡是使齿廓偏离理想形状和位置的变化，都属于齿轮故 障，所以当轴或滚动轴承产生故障时，也一定会影响到齿轮啮合状态，使齿轮表现出 一定的故障形式。 b j 2 0 2 0 n 齿轮箱齿轮传动系统故障诊断 3 齿轮及齿轮箱故障产生机理 齿轮及齿轮箱在运行中，其运行状态与故障的征兆主要由温度、润滑油中磨粒的 含量及形态( 应用铁谱技术) 、齿轮箱的振动及辐射的噪声、齿轮传动轴的扭振和转 矩、齿轮齿根应力分布颁等构成。每个量都从各自的角度反映了齿轮箱的状态，但是 由于工业现场测试的条件及分析技术所限，有些征兆的提取与分析不易实现，有些征 兆反映的状态情况不敏感。相对来讲，齿轮的振动和噪声( 特别是振动) 是目前公认 的最佳征兆提取量，它对齿轮箱的状态变化反应迅速、真实、全面，能很好地反映出 绝大部分齿轮、滚动轴承和轴系故障的性质、范围，并且有很多先进有效的分析方法 可供选用。因此，研究齿轮及齿轮箱振动的产生机理，分析其振动信号的频率成分， 对于齿轮箱故障诊断来说有着重要意义。 齿轮噪声产生机理，其实质是齿轮振动形成空气振动，因此着重考虑齿轮及齿轮 箱的振动。 3 1 齿轮振动机理分析 3 1 1 齿轮的简化振动模型 齿轮及齿轮箱的振动系统是一个相当复杂的非线性系统，要建立其完整的非线性 振动模型是很困难的，在研究齿轮及齿轮箱故障时，常常将齿轮传动副进行简化。齿 轮传动副作为一个振动系统，其物理模型可以简化为如图2 所示：根据振动理论，其 动力学方程为【2 1 2 1 4 】： 船c j a , r + k q ) x = k ( t ) ( 6 1 + 疋) ( 3 1 ) 图2 齿轮啮合物理模型 f i g2 m o d e lo f g e a rm e s h 3 齿轮及齿轮箱故障产生机理 式中：x 在齿面作用力下沿作用线产生的齿轮相对位移； m 齿轮副的等效质量，m ：盟，肌。为小齿轮等效质量，研：为 m + 所， 大齿轮等效质量； c 齿轮啮合阻尼； k ( t ) 齿轮啮合刚度，啮合刚度随时间t 变化； 磊齿轮受载后的平均弹性变形； 最齿轮传动误差和故障激励所引起两齿轮间的相对位移。 式( 3 1 ) 表示，齿轮的激励源由两部分组成：k ( t ) 6 i 称为常规啮合激励，也即 无故障的正常齿轮在啮合过程中也会产生的微量振动。k ( t 硒，是由系统内部激励和外 部激励产生的，齿轮故障振动主要由这部分激励引起的，所以也称为齿轮的“故障函 数”。齿轮的内部激励是指轮齿在啮合过程中由于缺陷或故障产生的激励。例如齿轮 由于制造不精确、装配质量低产生的轮齿周节误差、齿形误差、齿轮偏心、质量不平 衡、轴线不对中等故障，还有运行中产生的齿面疲劳、擦伤、磨损和断裂等故障，这 些故障给齿轮的激励属系统的内部激励。而外部激励则与齿轮本身问题无关，是齿轮 外部输入的激励，但也影响到齿轮的振动情况。例如滚动轴承的传递、负载力矩波动、 摩擦离合器发生的摩擦激励等。 一对齿轮啮合运转，参与工作的齿数由一对变成两对，又由两对变成一对，形成 单双齿啮合交替变化，对齿轮施加一个周期性的冲击，从而形成齿轮啮合振动。正常 情况下，啮合频率及谐频成分为： r f = 疗二二- z ( 3 2 ) i l ， 置o ) = a mc o s ( 2 m n f ：+ 丸) m - o 式中：正啮合频率； 一自然数1 ，2 ，3 ，m ，m 为最大谐波次数； 齿轮轴的转速( r r a i n ) ； z 齿轮的齿数。 ( 3 3 ) b j 2 0 2 0 n 齿轮箱齿轮传动系统故障诊断 3 1 2 齿轮的啮合刚度 对于齿轮振动的产生，齿轮啮合刚度是一个很重要的，同时也是一个很复杂的参 量，它是研究齿轮动态性能的基础。齿轮的啮合刚度受诸多因素的影响，如传递载荷、 载荷分布、轮齿变形和啮合位置等。建立齿轮传动的啮合刚度模型是一个很复杂的问 题，目前较为流行的是美国学者i l k u s u s b a 归纳总结出的非固定变化的啮合刚度模型 ( w m s ) ，w m s 模型仅考虑了载荷、误差和啮合位置的影响，有关学者在此基础 上提出了综合考虑振动位移和转速成分影响的动态啮合刚度模型( d m s ) 。虽然有很 多研究模型，但由于其自身的复杂性，目前仍不能对它进行宣的准确评估，一般只是 用一个定性的齿轮刚度模型来研究齿轮振动，围绕它对齿轮某些故障进行分析 2 1 。 齿轮的啮合刚度是指整个啮合接触区中参与啮合的各对轮齿的综合刚度。单对轮 齿在载荷作用下的弹性变形所反映的等效刚度为： rp k = 兰l( 3 4 ) j l = 1 + 置2 式中墨和k ，分别为主动轮和被动轮的单齿刚度，单齿刚度是随着啮合位置的变化而 有不同的刚度值。 另外，综合刚度的大小还与齿轮的重合度有关。重合度是用来表示直齿轮啮合时 接触轮齿的平均对数。大多数齿轮啮合的重合度不是整数，在啮合过程中参与啮合的 轮齿对数随时间而作周期性变化，因而轮齿啮合的综合刚度也随时间而作周期性变 化。从图3 中看出，作用力和刚度变化基本上呈矩形波形状，对于重合度低的直齿， 图3 齿轮啮合剐度变化曲线 a ) 直齿轮b ) 斜齿轮 f i g3 v a r i a t i o nc u r v eo f g e a rm e s h r i g i d i t y 这种阶跃式的突变尤为显著，从而引起齿轮的振动和噪声。对于斜齿轮，因其啮合点 1 4 3 齿轮及齿轮箱故障产生机理 是沿齿长方向移动的，不会发生啮合过程突变，帮斜齿轮啮合时，刚度变化基本上接 近正弦波形状，波动幅度小，运转比较平稳。 3 1 3 传动误差 传动误差的定义是指齿轮在恒定的传递转矩下，因各种制造、安装缺陷和使用中 的故障问题所产生的误差和变形，在输出轴上实际的齿廓形状和角位置与理论形状和 角位置( 即没有误差和变形) 之间的差值。这个差值可以用角位移表示，也可以沿压 力线用基圆或节圆上的线位移表示。传动误差构成了齿轮振动和噪声的主要激发源。 传动误差大，则齿轮运转过程中由于进入和脱离啮合时的碰撞加剧，产生较高的振动 峰值，并且形成短暂时间的幅值变化和相位变化。 产生误差激励的原因有下列几种情况： ( 1 ) 制造误差 齿轮加工制造中产生的误差主要有：偏心、周节误差、基节误差和齿形误差。偏 心是指齿轮基圆或分度圆与齿轮旋转轴线之间不同- 1 1 , 如图4 ( a ) 所示，基圆中