齿轮及齿轮箱诊断2005.10.ppt

2020 1 6 齿轮及齿轮箱诊断 2020 1 6 一 齿轮及齿轮箱的振动信号特点 齿轮箱正常运转时 一般其振动信号是平稳信号 振动信号为各轴的转频和啮合频率 当发生故障时 其振动信号频率成份和幅值将发生变化 一般具有以下特征 信号是稳态的对应仅仅是幅值的变化 振动能量的变化 主要是针对齿轮均匀磨损的情况 信号是周期平稳信号出现有规律的冲击或调制现象 主要是针对齿轮的点蚀 疲劳剥落 齿形误差 安装误差 轴弯曲 不平衡 不对中 滚动轴承剥落等 信号是非周期性信号信号中出现无规律的冲击或调制现象 主要是齿轮或轴承严重故障时 2020 1 6 二 多种多样的信号处理方法 2 1时域诊断峰值指标脉冲指标峭度 2020 1 6 2 2 同周期相加平均 时域信号由于相位不同 不同时刻的信号是不能作平均的 如果保证起始相位相同 采样频率和采样点数相同 转速稳定 是可以作平均的 随着平均次数的增加 所在轴的转频及其倍频 啮合频率及其倍频被保留 其它轴的信号和噪声被消除 从而获得与被测齿轮有关的信号 如果转速不稳 采用锁相技术进行平均 从时域平均信号中可以辅助判断一些故障 双轴 时域平均信号不能用来诊断滚动轴承的故障 2020 1 6 2 3 频谱分析 频谱分析是诊断齿轮箱的最常用的最有效方法 推荐采用加汉宁窗的幅值谱或功率谱 比较和趋势分析 2020 1 6 2 4 倒频谱分析 倒频谱用来诊断调制信号 但同解调分析相比 准确性较差 2 5 细化谱分析 细化谱用来诊断调制信号 但幅值和相位信息误差较大 2020 1 6 2 6 传递函数 传递函数分析的目的是研究系统的固有频率 通过力和响应 研究两者随频率变化的比例来估计系统的固有频率 相干分析适用来检验传递函数测试结果的可靠性 相干函数分析 2020 1 6 三 齿轮及齿轮箱的诊断技术 3 1 调制 幅值调制 频率调制 相位调制 调频调幅 2020 1 6 调幅 调频 2020 1 6 3 2 减速箱的四种调制现象 齿轮啮合频率调制现象齿轮箱固有频率调制现象齿轮固有频率调制现象滚动轴承外环固有频率调制现象 2020 1 6 3 3 不同调制现象的分析方法 齿轮啮合频率的调制分析方法采用频谱和解调谱相结合的双谱分析法频谱分析 齿轮的啮合频率 确定故障的齿轮幅解调谱分析 调制频率 确定故障轴辅助方法 时域波形 啮合频率幅值的趋势分析 提高诊断准确度 2020 1 6 齿轮固有频率调制分析方法采用解调谱 细化谱 频谱相结合的三谱分析法频谱分析 齿轮的啮合频率 确定故障的齿轮幅解调谱 细化谱分析 调制频率 确定故障轴难点 齿轮的固有频率不知道 事先可以测出或计算出齿轮的固有频率 注意 一般固有频率被激起 频率成份少 只有极少的谱峰 2020 1 6 齿轮箱体固有频率调制分析方法采用时域波形分析 频谱分析 解调谱分析 趋势分析相结合的时频分析法时域波形 周期性的冲击信号 一个大的冲击信号有多个小的冲击信号构成 频域 以箱体 齿轮啮合频率及其谐波为载波频率 故障齿轮或轴所在轴转频及其倍频为调制频率 趋势 振动能量较正常工况下有较大幅度提高 2020 1 6 轴承外环固有频率调制分析方法采用频谱 解调谱 细化谱三谱分析法频域 主要依靠轴承外环的固有频率和轴承部件的通过频率来分析 难点 振动能量低 往往被其它振动信号覆盖 2020 1 6 3 4 齿轮箱频率特点 轴频及其高次谐波 齿轮啮合频率及其高次谐波 以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率 齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率边频带 以齿轮固有频率及其谐波为载波频率 齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的边频带 以齿轮箱固有频率及其谐波为载波频率 齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的边频带 以外环的各阶固有频率为载波频率 产生剥落元件的通过频率为调制频率 隐含成份和交叉成份 2020 1 6 四 齿轮箱故障的主要形式 1 齿形误差2 齿形均匀磨损3 轴不对中4 断齿5 箱体共振6 轴轻度弯曲7 轴严重弯曲8 轴不平衡9 轴向窜动10 轴承疲劳剥落和点蚀 2020 1 6 4 1 齿形误差的主要特征 以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率 齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制 一般的齿形误差产生的调制边频带窄 以一阶边频调制为主 且边频带的幅值较小 严重的齿形误差 激起齿轮的固有频率 出现以齿轮固有频率及其谐波为载波频率 齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制 振动能量 有效值和峭度 有一定程度的增大 2020 1 6 齿形误差引起的特征频谱 f A 2020 1 6 4 2 齿轮均匀磨损 齿轮的啮合频率及其谐波的幅值明显增大 如果不均匀磨损 会产生以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率 齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率 但幅值小 2020 1 6 4 3 轴不对中 以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率 齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率 调制频率的2倍频幅值最大 齿轮啮合频率及其谐波幅值增大 振动能量 有效值和峭度 有一定程度的增大 2020 1 6 注意用速度频谱或位移频谱 2020 1 6 4 4 箱体共振 薄板结构齿轮箱的一阶固有频率为主导地位 其他频率成分很低 振动能量有很大的增加 箱体共振调制以箱体 齿轮固有频率和齿轮啮合频率及其谐波为载波频率 故障齿轮或轴所在轴转频及其倍频为调制频率 齿轮啮合频率及其谐波幅值明显增大 振动能量有很大的增加 2020 1 6 2020 1 6 4 5 断齿 以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率 故障齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率 调制边频带宽而高 以齿轮各阶固有频率及其谐波为载波频率 故障齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率 调制边频带宽而高 振动能量有很大的增加 2020 1 6 2020 1 6 4 6 轴轻度弯曲 以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率 齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制 但调制边频带窄且稀 如果弯曲轴上有多对齿轮啮合 则会出现多对齿轮啮合调制 振动能量 有效值和峭度值 有一定程度的增加 特别是轴向振动能量有较大的增加 2020 1 6 轴轻度弯曲特征频谱 2020 1 6 4 7 轴严重弯曲 以齿轮啮合频率及其谐波 齿轮固有频率 箱体固有频率为载波频率 齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制 但边频带较宽 解调谱上出现轴的转频和多阶高次谐波 如果弯曲轴上有多对齿轮啮合 则会出现多对齿轮啮合调制 振动能量 有效值和峭度值 有一定程度的增加 特别是轴向振动能量有较大的增加 2020 1 6 轴严重弯曲特征频谱 2020 1 6 4 8 轴向窜动 有故障轴上齿数多的齿轮啮合频率的幅值大幅度增加 振动能量有较大的增加 1GMF 2020 1 6 4 9 轴有严重的不平衡 以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率 齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制 但边频带较少而稀 解调谱上出现轴的转频 有故障轴的转频成份有较大的增加 振动能量 有效值和峭度值 有一定程度的增加 特别是轴向振动能量有较大的增加 2020 1 6 2020 1 6 4 10 轴承疲劳剥落和点蚀 在齿轮箱轴系中 一般滚动轴承内环与轴多为紧密的过盈配合 即轴与内环牢固的连为一体 要激起固有频率需要较大能量 且内环固有频率与自由状态下测得或计算的频率完全不同 外环与箱体轴承座也是过盈配合 但同内环比较 要松得多 且外环在工作中一直受到滚动体对其较大的压力 当轴承有故障并运行一段时间后 外环与轴承座之间基本完全松动 外环固有频率与自由状态下测得或计算的频率基本相同 由于外环松动且质量轻 轴承元素故障时 振动能量通过滚动体传到外环上 激起外环固有频率 齿轮箱中轴承故障的载波频率一般为外环的各阶固有频率 调制频率为产生剥落元件的通过频率 2020 1 6 2020 1 6 五 检测标准 5 1 齿轮装置的振动峰值判定标准齿轮的振动峰值为Pp 转速为n r min 吃数为z g为重力加速度 注意量级 Pp 10 z 30 1 2x n 1200 1 2危险量级 Pp 40 z 30 1 2x n 1200 1 2 2020 1 6 5 2 齿轮装置的振动均值判定标准齿轮的振动均值为Pa 转速为n r min 吃数为z g为重力加速度 注意量级 Pa 1 1 z 30 2 2x n 1200 2 2危险量级 Pa 4 1 z 30 2 2x n 1200 2 2 2020 1 6 5 3 频段判定标准 美国国家标准协会标准 ANST 假定转速为600 60000r min采集信号尽可能靠近轴承座设备上没有安装隔振装置 有隔振装置 报警值提高30 50 齿轮箱的报警值要比被驱动的机器高出25 2020 1 6 ANST设备状态报警类型和等级分类表 mm s 2020 1 6 项目频段1频段2频段3频段4频段5频段6频段起始频率1 Fmax1 2xrpm2 2xrpm3 2xrpm12 2xrpm50 Fmax频段截止频率1 2xrpm2 2xrpm3 2xrpm12 2xrpm50 Fmax100 Fmax频段报警90 报警总值30 报警总值25 报警总值20 报警总值15 报警总值10 报警总值或1 98mm s或1 41mm s或1 27mm s频段描述次同步到1xrpm1 5 2xrpm2 5 3xrpm轴承缺陷频率基频轴承缺陷低阶谐波轴承缺陷高阶谐波或固有频率1 无叶片的普通滚子轴承设备 如交流电机 直流电机 减速箱等2 设置Fmax 50 xrpm 如果转速 1700r min 或轴承为圆锥滚子轴承 球面滚子轴承另取值 rpm为转速 3 从ANST设备状态分析标准中得到报警速度宗旨 Fmax为频谱量程 4 如果为轴承为圆锥滚子轴承 球面滚子轴承 Fmax为60Xrpm 5 如果转速为1400 1700r min 将Fmax设为60Xrpm 如果转速为1100 1399r min 将Fmax设为80Xrpm 如果转速为800 1099r min 将Fmax设为100Xrpm 如果转速为600 799r min 将Fmax设为120Xrpm ANST设备频段报警表A 速度总值 峰值 mm s 2020 1 6 项目频段1频段2频段3频段4频段5频段6频段起始频率0 2xrpm0 8xrpm1 8xrpm2 8xrpm3 6xrpm10 2xrpm频段截止频率0 8xrpm1 8xrpm2 8xrpm3 8xrpm10 2xrpm100 Fmax频段报警20 报警总值90 报警总值30 报警总值25 报警总值20 报警总值15 报警总值或1 41mm s频段描述次同步到1xrpm1 1 5xrpm2 2 5xrpm3 3 5xrpm4 10 xrpm10 5xrpm Fmax1 无叶片的普通滑动轴承设备 如交流电机 直流电机 减速箱等2 设置Fmax 20 xrpm ANST设备频段报警表B 速度总值 峰值 mm s 2020 1 6 项目频段1频段2频段3频段4频段5频段6频段起始频率0 25xGMF0 75xGMF1 25xGMF1 75xGMF2 25xGMF50 Fmax频段截止频率0 75xGMF1 25xGMF1 75xGMF2 25xGMF2 75xGMF100 Fmax频段报警25 报警总值70 报警总值25 报警总值50 报警总值25 报警总值40 报警总值频段描述0 5xGMF和边带GMF和边带1 5xGMF和边带2xGMF和边带2 5xGMF和边带3xGMF和边带1 设置Fmax 3 25xGMF2 对于齿轮箱 须在同一测点进行频率量程为3 25XGMF的高频测量 同时需要一个正常频率量程的测量 如A B表中所述 也就是说进行两次不同量程的测量 在许多情况下 由于Fmax很高 传感器要求粘结和螺栓连接 频线设为1600 3200线 ANST设备频段报警表C 速度总值 峰值 mm s 2020 1 6 项目频段1频段2频段3频段4频段5频段6频段起始频率20 xrpm50 xrpm80 xrpm110 xrpm140 xrpm170 xrpm频段截止频率50 xrpm80 xrpm110 xrpm140 xrpm170 xrpm100 Fmax频段报警60 报警总值60 报警总值50 报警总值50 报警总值40 报警总值40 报警总值频段描述20 50 xrpm50 80 xrpm80 110 xrpm110 140 xrpm140 170 xrpm170 xrpm Fmax1 在不知道齿数的情况下使用 知道齿数用C表 2 在许多情况下 由于Fmax很高 传感器要求粘结和螺栓连接 频线设为3200线 2 设置Fmax 200 xrpm ANST设备频段报警表D 速度总值 峰值 mm s 2020 1 6 六 案例分析 某电厂水轮机发电组 齿轮箱振动异常 输入轴转速182r min输出轴转速750r min大齿轮齿数99小齿轮齿数24 例1 2020 1 6 齿轮箱细化谱 2020 1 6 分析 啮合频率 750 60 x24 300Hz从细化谱图上可以看出 299 84Hz的幅值较高 且被12 5Hz频率调制 调制频率3Hz幅值小 不明显 说明故障齿轮应为高速轴 输出轴 小齿轮 验证 揭盖检查发现小齿轮齿性误差较大 形成频率调制 载荷的微小变化形成幅值调制 2020 1 6 例2 首钢小型场一台减速机 大修后运行振动值很大 电机驱动 可调速 工作转速500r min 功率970kW 小齿轮齿数50 大齿轮齿数148 2020 1 6 测试数据 测点1234振动