齿轮故障诊断ppt课件

1、机械设备故障诊断技术 -齿轮故障诊断,北京科技大学 机械工程学院 黎 敏 阳建宏 2021/2/8,齿轮传动的特点 齿轮的分类 齿轮的啮合过程,齿轮故障诊断,齿轮传动的基本知识 齿轮振动的机理 齿轮的故障诊断技术 实测案例分析,齿轮传动的基本知识,概述,齿轮故障诊断概述,在现代机械中，要求齿轮在高速、重载等工况下工作，又要求齿轮传动具有高平稳性、高可靠性,据日本新日铁会社的统计，齿轮故障约占机器总故障次数的10.3%左右 从1956年至1986年，在美国导致人员伤亡或飞机损坏的直升机重大飞行事故中，齿轮箱是最主要的故障源，约占22%，为了防止此类事故的发生而不得不进行频繁地维修，维修费用达到了

2、直升机飞行成本的30,齿轮传动的特点,齿轮故障诊断概述,作用：传递扭矩、改变转速 优点：结构紧凑、传动比精确、传动效率高 缺点：制造、安装精度要求较高；不适于中心距较大的两轴间传动 ；使用维护费用较高；精度低时、噪音、振动较大,N1.M1 = N2.M2,齿轮传动的基本知识,齿轮传动的分类 按装置形式分 开 式：没有防护罩，用于低速非重要场合 半开式：有简单的防护罩，常用于农业机械、建筑机械 闭 式：装在封闭严密的箱体内，常用于汽车、航空,齿轮故障诊断概述,打谷机,齿轮传动的基本知识,减速机,直 齿： 啮合过程不够稳定，啮合刚度变化 斜 齿 ：可以更好的完成齿和齿之间的传动，它的缺点 是会在轴

3、上产生一个轴向扭力 人字齿：可以消除轴向的扭力，但是装配更困难,齿轮故障诊断概述,齿轮传动的基本知识,齿轮传动的分类 按轮齿的不同类型分,齿轮传动的分类 按工作轴的相对位置分,齿轮故障诊断概述,齿轮传动的基本知识,平行轴齿轮传动 相交轴齿轮传动 交错轴齿轮传动,齿轮的啮合过程-啮合点位置的变化,齿轮传动的基本知识,主动轮,从动轮,主动轮的齿根与 从动轮的齿顶接触,啮合开始,主动轮的节点与 从动轮的节点接触,啮合中间,主动轮的齿顶与 从动轮的齿根接触,啮合结束,主动轮,从动轮,齿轮的啮合过程-啮合齿数的变化,齿轮传动的基本知识,齿面受载变化,齿轮刚度变化,齿轮啮合齿数的变化,啮合齿数,2,1,2

4、,啮合的轮齿对数越多，传动越平稳，每个轮齿所承受的载荷越小,齿轮的力学模型分析 幅值调制与频率调制 齿轮振动的其他成分,齿轮故障诊断,齿轮传动基本知识 齿轮的振动机理 齿轮的故障诊断技术 实测案例分析,齿轮传动的特点 齿轮的分类 齿轮的啮合过程,齿轮的力学模型分析,齿轮故障诊断齿轮的振动机理,齿轮副力学模型,振动方程为,齿轮的力学模型分析,齿轮故障诊断齿轮的振动机理,若考虑齿面摩擦力为0,齿轮的振动为自激振动 为常规振动，由材料静变形引起的振动 取决于齿轮故障情况,齿轮的振动主要是由 的周期变化引起的,齿轮的力学模型分析,齿轮故障诊断齿轮的振动机理,从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，

5、齿轮的啮合刚度就变化一次。 因此齿轮啮合刚度的变化频率-啮合频率,齿轮刚度变化,啮合齿数,齿轮啮合齿数的变化,2,1,2,带点蚀故障的齿1旋转一周，与齿2啮合一次，产生一次冲击即：转一圈一次冲击，与转频在数值上是相等的,举例说明带点蚀故障的齿轮的啮合过程,齿轮的力学模型分析,齿轮故障诊断齿轮的振动机理,上节课内容复习,什么是转频,转频表示每秒钟转过的圈数,例如：发生一个断齿，转速850r/min, 转频 f =14.2Hz,1秒钟有14个冲击,齿轮的力学模型分析 幅值调制与频率调制 齿轮振动的其他成分,齿轮故障诊断,齿轮传动基本知识 齿轮的振动机理 齿轮的故障诊断技术 实测案例分析,信号调制,

6、信号调制可以分为：幅值调制、频率调制,幅值调制,频率调制,原因1：齿轮载荷不均匀、齿距不均匀及故障造成的载荷波动，会对振动幅值产生影响 原因2：同时也产生扭矩波动，使齿轮转速发生变化，从而影响频率结构,信号调制-调幅,齿轮啮合过程中，啮合频率及其各次谐波视为载波 齿面点蚀、剥落引起的振动(周期出现)信号，视为调制波 两者同时存在时，则会产生调制效应 时域上表现为 相乘 频域上表现为 卷积,Question,载波,调制波,合成信号,啮合频率,转频,信号调制-调幅,例： 齿轮啮合振动信号： 齿轮点蚀引起的振动信号: 调幅后的振动信号为,调幅后的振动信号在频域表示为,f,A,信号调制-调幅,齿轮振动

7、的方程为,为载波信号，它包含有齿轮啮合频率及其倍频成分,为调制信号，反映齿轮的误差和故障情况,时域,频域,信号调制-调幅,局部缺陷：齿轮每转一周产生一个脉冲激励，齿轮的啮合频率被一个短的周期脉冲所调制，在频谱中表现为在啮合频率两侧有大量的边频带，其幅值较低，且分布均匀而平坦。 分布缺陷：指比较均匀分布的缺陷，它相当于时域包络线较宽的脉冲。因此，它在频域中表现为在啮合频率两边产生了一簇幅值较高、起伏较大、分布较窄的边频带,局部缺陷，冲击历程短，频域分布宽,分布缺陷，冲击历程长，频域分布窄,对于齿轮传动，任何导致产生幅值调制的因素也同时会导致频率调制。两种调制总是同时存在的。 对于质量较小的齿轮副

8、，频率调制现象尤为突出 调频的振动信号包含有多个频率分量，并以啮合频率为中心，以调制频率为间隔形成多对的调制边带,信号调制-调频,信号调制-交叉调制,谐振能量对不同调制振动的影响,在很多情况下，齿轮或齿轮箱在承载运行中，由于其它激振力而引起了齿轮、轴或轴承内、外圈滚动体等零件的谐振。【固有频率,调频和调幅的共同点 载波频率相等 边带频率对应相等 边带对称于载波频率 齿轮振动信号调制特点 实际齿轮系统中，调幅与调频同时存在 两者共同作用时，导致载频两侧的边频成分的幅值非对称分布,信号调制-小结,1GMF,齿轮的力学模型分析 幅值调制与频率调制 齿轮振动的其他成分,齿轮故障诊断,齿轮传动基本知识

9、齿轮的振动机理 齿轮的故障诊断技术 实测案例分析,隐含成分(Ghost Components) 产生原因：由于加工过程中带来的周期性缺陷。例如由滚齿机工作台的分度涡轮蜗杆及齿轮的误差引起,齿轮振动的其他成分-隐含成分,特点：它不受载荷变化的影响，由几何误差引起；它一般对应于某个分度涡轮的整数齿；随齿轮跑合、均匀磨损，隐含成分及各次谐波成分逐渐下降,运行一个月后隐含成分下降,新齿轮,运行一个月后,齿轮的力学模型分析 幅值调制与频率调制 齿轮振动的其他成分,齿轮故障诊断,齿轮传动基本知识 齿轮的振动机理 齿轮的故障诊断技术 实测案例分析,齿轮故障诊断,齿轮传动基本知识 齿轮的振动机理 齿轮的故障诊

10、断技术 实测案例分析,简易诊断 精密诊断 其他常用的信号分析方法,振动信号的测量,测点选择 传感器的安装位置不同，所得到的测定值会有较大差异 对各测点做出标记，以保证每次测量的部位不变 测量部位的表面应是光滑洁净的，避免脏物对振动传递造成衰减 一般应尽可能地沿水平、垂直和轴向三个方向进行测定,H,V,振动信号的测量,传感器的选择 一般应将所测的振动按频带分级 实际测量中，在同一测点为通常选用加速度传感器，再通过积分电路转换成所需的测量参数,对低频段一般选用位移传感器 对中频段一般选用速度传感器 对高频段一般选用加速度传感器,传感器的安装方法 安 全 性：安装位置必须保证在进行数据采集时的工作安

11、全 最短路径：在振源和传感器之间必须要有一个良好的机械传 输路径，应该选择振源和传感器间的最短路径 防 共 振：不能将传感器安装到自身会受到机器振动激励的 部件上，如：风扇罩、联轴器防护盖等部件 采样参数设定 已知齿轮齿数，建议频率范围Fmax 设定为3.25GMF 齿轮齿数未知，频率范围Fmax 设定为每根轴的转速的200倍 注意频率分辨率 测定周期 设备正常时保持一定周期；在振动增大时，缩短监测周期,齿轮故障诊断振动测量与简易诊断,振动信号的测量,齿轮的简易诊断,简易诊断方法 目的：迅速判断齿轮是否处于正常工作状态 手段：利用齿轮的振动强度来进行诊断,齿轮故障诊断振动测量与简易诊断,绝对值

12、判定法：利用齿轮箱上同一测点部位测得的振幅值直接作为评价运行状态的指标 相对值判断法：将在齿轮箱同一部位测点在不同时刻测得的振幅与正常状态下的振幅相比较,齿轮的简易诊断,简易诊断方法 目的：迅速判断齿轮是否处于正常工作状态 手段：利用齿轮的振动强度来进行诊断,齿轮故障诊断振动测量与简易诊断,绝对值判定法：利用齿轮箱上同一测点部位测得的振幅值直接作为评价运行状态的指标 相对值判断法：将在齿轮箱同一部位测点在不同时刻测得的振幅与正常状态下的振幅相比较,齿轮的简易诊断,常用的特征值计算方法,齿轮故障诊断振动测量与简易诊断,无量纲参数作为诊断标准，其特点是对故障信息敏感，而对信号的幅值大小不敏感,最常

13、用的衡量指标，能反映出设备的振动水平,齿轮的简易诊断,测定参数法,齿轮故障诊断振动测量与简易诊断,齿轮发生断齿故障，其振动信号中有明显的冲击脉冲，除波形指标外，各参数指标均有明显上升,正常齿轮,故障齿轮,齿轮的简易诊断,简易诊断实例,齿轮故障诊断振动测量与简易诊断,在4个轴承座上分别用加速度传感器测量其振动均方根值,4个轴承的振动值差异很小，且都已超标，则表明齿轮出现了异常,轴承故障,正常,齿轮故障诊断,齿轮传动基本知识 齿轮的振动机理 齿轮的故障诊断技术 实测案例分析,简易诊断 计算特征值 精密诊断 频谱分析 其他常用的信号分析方法,如何判断齿轮是否存在故障,啮合频率及其谐波成分 边频成分

14、幅值是否升高？-故障严重程度 与主频的差值？-确定出现故障的齿轮 如何分布？-局部故障或均布故障,幅值是否升高,振动主要由齿轮自身刚度变化引起 时域波形为周期性的衰减波形，低频信号具有近似正弦波的啮合波形 频域中存在齿轮啮合频率，但啮合频率的谐波成分幅值较小,正常齿轮的低频振动波形,正常齿轮的频谱图,高速轴转频,低速轴转频,正常齿轮的信号特征,齿轮磨损 齿根裂纹 齿轮断齿 齿轮偏心 齿轮不对中,常见故障的特征,产生故障的原因？故障具有的频谱特征,产生故障的原因： 长期在高负荷下工作 在润滑油中夹杂有磨粒时发生，或润滑油不足、油质不清洁,常见故障的特征-齿轮磨损,磨损增大，齿侧间隙变大，振动变大

15、,齿轮磨损的主要特征是激起齿轮的固有频率 (Fn)，并在齿轮固有频率两侧伴有磨损齿的转速频率边带 2GMF或3GMF(尤其是3GMF)幅值经常很高 磨损明显时，边带的幅值高、边带数增多。边带比啮合频率能更好地反映出齿轮磨损状态,常见故障的特征-齿轮磨损,故障特征,在运行过程中承受载荷的轮齿，如同悬臂梁，其根部受到脉冲循环的弯曲应力作用 当周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根部产生裂纹,常见故障的特征-齿根裂纹,产生故障的原因,时域特征：以齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲 频率特征：以旋转频率 n*fr 为主要频域特征,齿轮局部异常的时域波形,齿轮裂纹的频谱图,常见故障的特征-齿根裂纹,故障特

16、征,当齿根裂纹逐步扩展，当无法承受传动载荷时就会发生断齿现象。 齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质不均匀也可能引起断齿。 断齿是齿轮最严重的故障,常见故障的特征-齿轮断齿,产生故障的原因,Question: 齿轮断齿属于局部故障还是均布故障,常见故障的特征-齿轮断齿,局部缺陷，冲击历程短，频域分布宽,分布缺陷，冲击历程长，频域分布窄,齿轮故障的诊断与分析方法,故障特征,常见故障的特征-齿轮断齿,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,由于加工误差

17、引起齿轮的中心与旋转轴中心不重合,常见故障的特征-齿轮偏心,产生故障的原因,齿轮故障的诊断与分析方法,齿轮偏心的时域波形,齿轮偏心的频谱,常见故障的特征-齿轮偏心,时域特征：由于偏心的影响，波形被调制，产生调幅振动 频域特征：以齿轮旋转频率为特征的附加脉冲幅值增大，以齿轮一转为周期的载荷波动，调制频率为齿轮的转频,故障特征,故障轴的转频出现倍频,常见故障的特征-齿轮不对中,产生故障的原因,由于齿轮和轴装配不当造成的齿轮和轴的中心不共线 不对中故障会使齿轮产生局部接触，导致部分轮齿承受较大的负荷,常见故障的特征-齿轮不对中,故障特征,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

18、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； 由于齿轮不对中，齿轮啮合频率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,齿轮故障的诊断与分析方法,常见故障的特征-小结,是否有故障？ 关注啮合频率的倍频、边频幅值的变化 哪个齿轮发生故障？ 关注边频与主频的差值,简易诊断 计算特征值 精密诊断 频谱分析 其他常用的信号分析方法,齿轮故障诊断,齿轮传动基本知识 齿轮的振动机理 齿轮的故障诊断技术 实测案例分析,常用信号处理方法,时域分析方法 时域波形 调制解调 相位解调 时域同步平均：利用键相信号进行周期截断 频域分析方法 功率谱 相位谱 细化谱：进行局部的高分

19、辨率分析 倒频谱：看频域中的周期成分,齿轮故障诊断,齿轮传动基本知识 齿轮的振动机理 齿轮的故障诊断技术 实测案例分析,齿轮故障诊断案例,无缝厂减速机齿轮箱故障诊断分析 高炉上料主皮带减速机故障诊断分析 鼓风机齿轮箱故障诊断 冷轧卷取机减速箱故障诊断分析,齿轮故障诊断,关注啮合频率的倍频、边频,关注齿轮故障、轴松动、不对中,关注齿数未知情况,关注共振频率进行诊断,说明齿轮磨损比较严重，部分齿面有缺陷,齿轮故障诊断-应用1,电机转速630 rpm，Z1=22，Z2=20 轴转频 轴转频,齿轮故障诊断案例,齿轮故障诊断-应用1,电机转速630 rpm 轴转频 轴转频 啮合频率,齿轮故障诊断案例,齿

20、轮故障诊断-应用1,啮合频率,轴转频 轴转频 啮合频率,齿轮故障诊断案例,齿轮故障诊断-应用1,轴转频 轴转频 啮合频率,说明轴的齿轮存在故障,齿轮故障诊断案例,说明轴有松动现象存在,齿轮故障诊断-应用1,轴转频 轴转频 啮合频率,齿轮故障诊断案例,诊断结论： 齿轮啮合处于故障状态，部分齿面磨损严重，个别齿有局部缺陷 轴有松动现象，轴承磨损间隙变大，部分部件有损坏,齿轮故障诊断-应用1,现场验证：共有8个齿存在严重的齿面剥落现象,齿轮故障诊断案例,无缝厂减速机齿轮箱故障诊断分析 高炉上料主皮带减速机故障诊断分析 鼓风机齿轮箱故障诊断 冷轧卷取机减速箱故障诊断分析,齿轮故障诊断,关注啮合频率的倍

21、频、边频,关注齿轮故障、轴松动、不对中,关注齿数未知情况,关注共振频率进行诊断,电机转速：1488 r/min,齿轮故障诊断-应用2,Z1=19、 Z2=68 Z3=19、 Z4=91 Z5=23、 Z6=67,轴转频 轴转频 轴转频 轴转频,轴与轴啮合频率 轴与轴啮合频率 轴与轴啮合频率,齿轮故障诊断-应用2,齿轮故障诊断-应用2,3、4号测点,5、6号测点,7、8号测点,9、10号测点,测点3 V,测点4 V,偏载现象严重，并伴有转频的冲击成分,齿轮故障诊断-应用2,测点3 V,测点4 V,2008.01.02,2008.01.02,2007.11. 27,2007.11. 27,齿轮故障

22、诊断-应用2,测点3 A,测点4 A,齿轮故障诊断-应用2,轴转频 轴转频 轴转频 轴转频,2倍转频,测点3 V,测点4 V,齿轮故障诊断-应用2,测点3 V,测点4 V,齿轮故障诊断-应用2,轴转频 轴转频 轴转频 轴转频,诊断结论,减速机轴存在明显的不对中、松动现象、并且偏载严重,轴齿轮存在局部缺陷，如点蚀或剥落故障,轴轴承存在内圈磨损故障,齿轮故障诊断-应用2,齿轮故障诊断案例,无缝厂减速机齿轮箱故障诊断分析 高炉上料主皮带减速机故障诊断分析 鼓风机齿轮箱故障诊断 冷轧卷取机减速箱故障诊断分析,齿轮故障诊断,关注啮合频率的倍频、边频,关注齿轮故障、轴松动、不对中,关注齿数未知情况,关注共

23、振频率进行诊断,齿轮故障诊断案例,齿轮故障诊断-应用3,电机转速1480 rpm 轴转频 轴转频 啮合频率,齿轮故障诊断案例,齿轮故障诊断-应用3,简易诊断,振动速度有效值,参照国际标准ISO2372，齿轮箱的各测点振动有效值较大，在设备状态评价等级 B（允许）C（较差）之间,齿轮故障诊断案例,齿轮故障诊断-应用3,简易诊断,齿轮箱的振动比电机、鼓风机的振动大,振动速度有效值,齿轮故障诊断案例,齿轮故障诊断-应用3,精密诊断,振动能量大，含有共振频率，说明齿轮箱存在较严重故障,3、4、5、6号测点水平方向振动频谱图比较,齿轮故障诊断-应用3,精密诊断,6号测点振动频谱图,啮合频率,频率相差24.6Hz,齿轮故障诊断案例,齿轮故障诊断-应用3,精密诊断,6号测点振动频谱图,共振频率,齿轮故障诊断案例,齿轮故障诊断-应用3,齿轮剥落屑 高速齿轮齿面疲劳磨损,诊断结论：齿轮存在故障,