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第八章齿轮箱故障诊断 8 1齿轮失效形式 齿轮箱零件故障率统计 齿轮损伤发生的概率 齿的断裂分疲劳断裂和过负荷断裂 齿根部的应力集中 1 齿的断裂 齿面疲劳主要包括齿面点蚀与剥落 齿面点蚀分布区示意图 由于点蚀面积的增长率与负荷的循环次数有关 可定期检测齿面点蚀的面积率 预测需要维修的时间 随着点蚀面积的增加 齿面必然成为剥离状态 因此 定期检查润滑油中混杂的剥离片 也可预测齿轮需要维修的时间 2 齿面疲劳 负荷循环次数与点蚀面积率的关系 磨损后的齿廓 齿轮磨损后 齿的厚度变薄 齿廓形状变得瘦长 工作时产生动载荷 不仅振动和噪声加大 而且可能导致齿的折断 1 粘着磨损2 磨粒磨损3 腐蚀磨损 3 齿面磨损 1 齿面胶合2 烧伤 4 齿面擦伤与划痕 划痕磨损量与负荷等级的关系 图8 3齿轮副的运动学分析 8 2齿轮的振动机理与信号特征 图8 3是齿轮副的运动学分析示意图 主动轮角速度 1 A B分别为两个啮合点 O1A O1B 则VA VB 而O2A O2B 因 2 VB O2B 3 VA O2A 则 2 3 当齿轮副只有一个啮合点时 被动轮的角速度存在波动 当有两个啮合点时 因为只能有一个角速度 因而在啮合的轮齿上产生弹性变形力 是一个随时间变化的力FC t 1 振动是不可避免的 恒转速的主动轮导致从动轮的速度波动和弹性变形力的变化 恒转矩的主动轮导致从动轮变化的啮合力和转矩的变化 啮合齿轮的综合刚度随啮合点而变化 决定齿轮的啮合振动是不可避免的 无论正常与否 而且具有非线性特征 多次谐波 分谐波 2 传动误差 1 制造误差 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 a 齿轮的偏心和周节误差 b 齿轮的齿形误差 2 装配误差齿的宽度方向上接触面积少 造成轮齿负荷不均 齿轮轴不平行产生载荷冲击 容易造成齿的断裂 a 一端接触 b 两齿轮轴不平行 3 轮齿损伤误差齿轮在运行中由于各种故障形成的齿面损伤 在齿轮传动中就会产生齿轮的传动误差激励 传动误差激励正是我们诊断齿轮故障的信息来源 4 外部激励误差外部激励的因素较多 负载波动引起齿轮传递转矩波动 滚动轴承故障的传递 摩擦离合器力矩变化产生的影响等 这些故障信号虽然是从轮齿的外部输入 但是影响到轮齿上的啮合力和弹性变形 其最终结果就是产生轮齿的传动误差 3 啮合冲击 齿轮在啮合过程中 由于轮齿误差和受载弹性变形的影响 轮齿进入啮合点和退出啮合点与理论值发生偏差 因而在进入啮合和退出啮合时均会发生冲击 称为 啮合冲击 啮合冲击是一种周期性的冲击力 齿轮副的运动学分析 齿轮故障的特征信息 啮合频率 振动的特征频率就是啮合频率 其计算公式如下 齿轮一阶啮合频率fC0 n 60 z啮合频率的高次谐波fCi i fCDi 2 3 4 n其中 n 齿轮轴的转速 r min z 齿轮的齿数 齿轮故障的特征信息 边频带 由于传递的扭矩随着啮合而改变 使转轴发生扭振 由于转轴上键槽等非均布结构使轴刚度变化 刚度变化的周期与轴的周转时间一致 激发的扭振振幅也按照轴的转动频率变化 这个扭振对齿轮的啮合振动产生了调制作用 从而在齿轮啮合频率的两边产生出以轴频为间隔的边频带 边频带包含了齿轮故障的丰富信息 啮合的异常状况反映到边频带 造成边频带的分布和形态都发生改变 齿轮边频带的形成 一 功率谱分析法 功率谱 简称功率谱密度函数 表示单位频带内的信号功率 是一种重要的频域分析方法 幅值谱也能进行类似的分析 但由于功率谱是幅值的平方关系 所以功率谱比幅值谱更能突出啮合频率及其谐波等线状谱成分而减少了随机振动信号引起的一些 毛刺 现象 功率谱分析是目前振动监测和诊断中应用最广的信号处理技术 它对齿轮的大面积磨损 点蚀等均匀故障有比较明显的分析效果 但对齿轮的早期故障和局部故障不敏感 8 3齿轮的故障分析方法 二 边频带分析法 一般从两方面进行边频带分析 一是利用边频带的频率对称性 找出fz nfr n 1 2 3 的频率关系 确定是否为一组边频带 如果是边频带 则可知道啮合频率 Z和调制信号频率 r 二是比较各次测量中边频带幅值的变化趋势 边频带形式和间隔蕴含信息 1 边频间隔为旋转频率 r指示出问题齿轮所在的轴 2 齿轮的点蚀等分布故障的边频带 其边频阶数少而集中在啮合频率及其谐频的两侧 参见图8 6 3 齿轮的剥落 齿根裂纹及部分断齿等局部故障 其特点是边带阶数多而谱线分散 参见图8 7 三 倒频谱分析 倒频谱分析又名二次频谱分析 当对信号经过FFT变换进行频域分析时 如果频谱图上呈现复杂的周期信号难以分辨时 再对周期信号进行一次FFT变换 使周期信号成谱线形式 两次FFT变换 倒频谱在故障检测中的应用 在故障诊断中 故障的特征信息往往只集中在某频段内 根据故障敏感频段内各成分的变化情况 便可知道故障产生的原因和程度 为了提高诊断的准确性和可靠性 需要在该频段内有较高的频率分辨率 倒频谱法在故障检测中的应用就是基于其他分析方法的基础上筛选出故障频段 在对故障段进行分析 从而提高故障检测的精确度 倒频谱分析对周期信号的故障分析尤为突出 所以在轴承 齿轮故障诊断中使用最广泛 2020 3 15 23 可编辑 图8 8是某齿轮箱振动信号的频谱 图8 8a的频率范围为0 20kHz 频率分辨率为50Hz 能观察到啮合频率为4 3kHz及其二次三次谐波 但很难分辨出边频带 图8 8用倒频谱分析齿轮箱振动信号中的边频带功率谱 频率f kHz 倒频谱 周期时间 ms 图8 8b的频率范围为3 5 13 5kHz 频率分辨率为5Hz 能观察到很多边频带 但仍很难分辨出边频带 图8 8c的频率范围进一步细化为7 5 9 5kHz 频率分辨率不变 可分辨出边频带 但还有点乱 若进行倒频谱分析 如图8 8d所示 能很清楚地表明对应于两个齿轮副的旋转频率 85Hz和50Hz 的两个倒频分量 Ai和Bi 倒频谱的另一个主要优点是对于传感器的测点位置或信号传输途径不敏感以及对于幅值和频率调制的相位关系不敏感 这种不敏感 反而有利于监测故障信号的有无 而不看重某测点振幅的大小 四 齿轮故障信号的频域特征 齿轮正常时的频谱 正常齿轮的频谱表示高速齿轮和低速齿轮的转速 齿轮的啮合频率 GMF 和非常小的齿轮啮合频率的谐波频率 齿轮的啮合频率 GMF 通常在它们的两侧有高 低速齿轮的转速频率边带 所有尖峰的幅值都很小 没有激起齿轮的自然频率 已知齿轮的齿数时 建议频率范围Fmax设定为3 25XGMF 最低 如果不知道齿轮的齿数 把频率范围Fmax设定为每根轴的转速的200倍 齿轮磨损故障 齿磨损明显时 齿轮啮合频率 GMF 的幅值增大边带的幅值增大并且在齿轮啮合频率 GMF 两侧出现的边带数增多 2 GMF或3 GMF 尤其是3 GMF 的幅值经常很高 齿轮承受大的负载 齿轮啮合频率 GMF 往往对齿的负载非常敏感 齿轮啮合频率 GMF 的幅值高未必一定指示有故障 尤其是如果边带频率幅值保持较小 没有激起齿轮固有频率的时候 为了频谱分析比较有意义 每次测量分析都应该在系统处于最大负载下运转时进行 齿轮在大负载下的作用下振动频谱的特征 齿轮偏心 1 齿轮偏心激起齿轮自振频率和齿轮啮合频率 它们也可能在齿轮自振频率和齿轮啮合频率两侧产生许多边带 2 产生啮合频率振动边带是因为偏心齿轮的转频调制了齿轮自振频率和齿轮啮合频率 齿轮自振频率和齿轮啮合频率两侧都有偏心的齿轮1X转速频率的边带 齿轮偏心和齿隙游移的频谱 齿轮不对中 齿轮不对中几乎总是激起二阶或高阶齿轮啮合频率 GMF 谐波频率 并且它们都伴有转速边带 往往只显示小的齿轮啮合频率 GMF 的幅值 但是2x GMF 或3 GMF 的幅值较高 同时 2 GMF 两侧常伴有2 转速频率边带 由于齿不对中 齿轮啮合频率 GMF 及其谐波频率的左侧和右侧的边带频率的幅值不等 引起不均匀磨损 指示齿轮不对中的频谱 齿轮的破碎或断齿 存在裂纹 破碎或断齿的齿轮将产生该齿轮1X转频振动及该齿轮自振频率的振动 并且 在齿轮自振频率两侧有齿轮转速的边频带 这个特性与有大的 明显的剥落的齿的齿轮的特性一样 当然 不平衡的齿轮也会引起1X转速频率的大振动 因此 如下图所示的时域波形对确定主要问题是不平衡还是齿轮的断齿问题大有帮助 状态良好的齿轮与有一个断齿齿轮的时域波形的比较 转子不平衡时域的波形 呈现为类似简谐振动的波形 8 4齿轮故障诊断案例 例8 1 宣龙高速线材公司2006年9月 发现精轧22 轧机辊箱振动增大 图8 10是传动系统图 9月14日的频谱图 调出这一期间的在线监测与故障诊断系统的趋势图和频谱图 在9月14日的频谱图上明显看到Z5 Z6的啮合频率谱线 见图8 11 图8 119月14日的振动频谱图 特征频率表 表8 1 22架辊箱转速为1047r min 频谱图数据 由特征频率表可见 22架辊箱的Z5 Z6啮合频率 1072 6Hz 34 603HzX31齿 振幅在9月14日为1 71m s2 其两侧有较宽的边频带 间隔为35 085Hz 与锥箱II轴的转频 34 603Hz 基本一致 诊断结论 从图8 11的频谱图上可看出 22 辊箱Z5 Z6啮合频率幅值比较突出且有上升趋势 在其两侧有边频出现 边频间隔分别为35 085Hz 与锥箱II轴的转频 34 603Hz 基本一致 说明22锥箱II轴上的齿轮存在故障隐患 从图8 11的时域波形中可以看出有轻微的周期性冲击信号 冲击周期为0 028S 相应频率为 1 0 028 35 71Hz 正好为22架锥箱II轴的转频 36 85Hz 一致 这表明问题就出在22架锥箱II轴的齿轮上 建议厂方立即对22架锥箱II轴上的齿轮Z5 31齿 进行检查 事后复核 厂方于2006年11月份对拆卸下的精轧22架进行检查 发现辊箱II轴上Z5 31齿 齿轮的轮齿已破损 见图8 12和图8 13 与诊断分析结论相符 初期 9月14日及以后几天 边频带较宽 后期边频带有所收窄 振幅并不很高 所以判定为出现较严重的斑剥 在工程上 齿轮出现点蚀 斑剥 厂方都会选择继续使用 整个10月都看着振幅缓慢上升 直到11月份 换轧钢品种 才停产检查 因为是斜齿轮的缘故 所以振幅没有像直齿轮那样大 例8 2 2006年4月 宣化钢铁公司棒材厂10 轧机齿轮箱的振动有点异常 查看在线监测故障诊断系统的4月23日的频谱图 图8 14 和特征频率表 图8 1410 轧机200604231200输出端频域图形 特征频率表 特征频率表8 2分析 时域图形有冲击现象 但是图8 14的频域图形中轴频并不高 Z3 Z4齿轮的啮合频率出现了多次谐波 其3倍频达到了7 80m s2 边频窄 判断为齿轮点蚀 例8 3提升机的减速机齿轮故障诊断 2005年2月4日 在对水泥磨提升机的定期检测中 发现减速机的振动及噪声明显增大 在减速机测点5 下图 测得的振动速度有效值VRMS 6 53mm s 已超出允许界限 根据ISO10816 3旋转机械振动烈度标准 报警值为4 5mm s 机组布置如图所示 减速机输入轴转速为1480r min 第一级减速齿轮副的主动齿轮齿数z1 12 被动齿轮齿数z2 48 啮合频率GM1 296Hz 第二级减速齿轮副的啮合频率GM2 104 8Hz 第三级减速齿轮副的啮合频率GM3 26 6Hz 一 频谱分析1 图2是振动速度频谱图 可以看到 在一级减速齿轮副的啮合频率两侧有大量的输入轴转速频率边带 24 6Hz 且幅值较高 表明输入轴上的齿轮出现故障 2 图3的振动尖峰能量gSE图中 存在输入轴转速频率及大量谐频 表明其上的齿轮出现故障 产生冲击和脉冲力 3 时域波形图 图4 中 冲击周期刚好为输入轴转速频率 这是典型的齿轮崩齿或裂纹