齿轮故障诊断

1、1 机械设备故障诊断技术机械设备故障诊断技术 -齿轮故障诊断齿轮故障诊断北京科技大学 机械工程学院黎 敏 阳建宏2022-5-22 齿轮传动的特点齿轮传动的特点 齿轮的分类齿轮的分类 齿轮的啮合过程齿轮的啮合过程齿轮故障诊断齿轮故障诊断l齿轮传动的基本知识齿轮传动的基本知识l齿轮振动的机理齿轮振动的机理l齿轮的故障诊断技术齿轮的故障诊断技术l实测案例分析实测案例分析3齿轮传动的基本知识齿轮传动的基本知识l概述概述齿轮故障诊断齿轮故障诊断概述概述n 在现代机械中，要求齿轮在在现代机械中，要求齿轮在高速高速、重载重载等工况下工作，等工况下工作，又要求齿轮传动具有高平稳性、高可靠性又要求齿轮传动具有

2、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%左右左右 从从1956年至年至1986年，在美国导致人员伤亡或飞机损坏的直升机年，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，约占重大飞行事故中，齿轮箱是最主要的故障源，约占22%，为了，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，维修费用达到了直升机飞行成本的了直升机飞行成本的30%4l齿轮传动的特点齿轮传动的特点齿轮故障诊断齿轮故障诊断概述概述n 作用：作用：传递扭矩、改

3、变转速传递扭矩、改变转速n 优点：优点：结构紧凑、传动比精确、传动效率高结构紧凑、传动比精确、传动效率高n 缺点：缺点：制造、安装精度要求较高；不适于中心距较大的两轴制造、安装精度要求较高；不适于中心距较大的两轴间传动间传动 ；使用维护费用较高；精度低时、噪音、振动较大；使用维护费用较高；精度低时、噪音、振动较大M1M2N1 个齿N2 个齿N1.M1 = N2.M2 M1 M2 N1 N2 =齿轮传动的基本知识齿轮传动的基本知识5l齿轮传动的分类齿轮传动的分类n按装置形式分 开开 式式：没有防护罩，用于低速非重要场合 半开式半开式：有简单的防护罩，常用于农业机械、建筑机械 闭闭 式式：装在封闭

4、严密的箱体内，常用于汽车、航空齿轮故障诊断齿轮故障诊断概述概述打谷机 齿轮传动的基本知识齿轮传动的基本知识减速机 6直齿齿面的形成直齿齿面的形成斜齿齿面的形成斜齿齿面的形成直直 齿：齿： 啮合过程不够稳定，啮合刚度变化啮合过程不够稳定，啮合刚度变化斜斜 齿齿 ：可以更好的完成齿和齿之间的传动，它的缺点：可以更好的完成齿和齿之间的传动，它的缺点 是会在轴上产生一个轴向扭力是会在轴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。人字齿：可以消除轴向的扭力，但是装配更困难。齿轮故障诊断齿轮故障诊断概述概述齿轮传动的基本知识齿轮传动的基本知识l齿轮传动的分类齿轮传动的分类n按轮齿的不同类

5、型分7l齿轮传动的分类齿轮传动的分类n按工作轴的相对位置分齿轮故障诊断齿轮故障诊断概述概述齿轮传动的基本知识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 8l齿轮的啮合过程齿轮的啮合过程-啮合点位置的变化啮合点位置的变化齿轮传动的基本知识齿轮传动的基本知识主动轮从动轮主动轮的齿根与主动轮的齿根与从动轮的齿顶接触从动轮的齿顶接触啮合开始啮合开始主动轮的节点与主动轮的节点与从动轮的节点接触从动轮的节点接触啮合中间啮合中间主动轮的齿顶与主动轮的齿顶与从动轮的齿根接触从动轮的齿根接触啮合结束啮合结束主动轮从动轮9l齿轮的啮合过程齿轮的啮合过程-啮合齿数的变化啮合齿数的变化齿轮传动的

6、基本知识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212 啮合的轮齿对数越多，传动越平稳，每个轮齿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所承受的载荷越小10 齿轮的力学模型分析齿轮的力学模型分析 幅值调制与频率调制幅值调制与频率调制齿轮振动的其他成分齿轮振动的其他成分齿轮故障诊断齿轮故障诊断l齿轮传动基本知识齿轮传动基本知识l齿轮的振动机理齿轮的振动机理l齿轮的故障诊断技术齿轮的故障诊断技术l实测案例分析实测案例分析 齿轮传动的特点齿轮传动的特点 齿轮的分类齿轮的分类 齿轮的啮合过程齿轮的啮合过程11212/ )()()(riMMtextkxcxm

7、齿轮的力学模型分析齿轮的力学模型分析齿轮故障诊断齿轮故障诊断齿轮的振动机理齿轮的振动机理齿轮副力学模型振动方程为：齿面摩擦力齿面摩擦力在啮合线上齿在啮合线上齿轮的相对位移轮的相对位移啮合刚度啮合刚度啮合阻尼啮合阻尼当量质量当量质量2121mmmmm)()(21teete1e齿轮受载后的平均静弹性变形齿轮受载后的平均静弹性变形)(2te由齿轮误差和故障造成两个齿轮间的相对位移由齿轮误差和故障造成两个齿轮间的相对位移12212/ )()()(riMMtextkxcxm 齿轮的力学模型分析齿轮的力学模型分析齿轮故障诊断齿轮故障诊断齿轮的振动机理齿轮的振动机理)()(21teete0)()(textk

8、xcxm )()()()(21tetketkxtkxcxm 若考虑齿面摩擦力为若考虑齿面摩擦力为0 0 齿轮的振动为齿轮的振动为自激振动自激振动 为常规振动，由材料静变形引起的振动为常规振动，由材料静变形引起的振动 取决于齿轮故障情况取决于齿轮故障情况1)( etk)()(2tetk齿轮的振动主要是由齿轮的振动主要是由 的周期变化引起的。的周期变化引起的。)(tk齿面受载变化直齿轮 斜齿轮13齿轮的力学模型分析齿轮的力学模型分析齿轮故障诊断齿轮故障诊断齿轮的振动机理齿轮的振动机理 从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的啮合刚度就变化

9、一次。啮合刚度就变化一次。 因此因此齿轮啮合刚度的变化频率齿轮啮合刚度的变化频率-啮合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60602211nZnZ啮合频率21214带点蚀故障的齿带点蚀故障的齿1 1旋转一周，与齿旋转一周，与齿2 2啮合一次，产生一次冲击啮合一次，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：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的力学模型分析齿轮故障诊断齿轮故障诊断齿轮的振动机理齿轮的振动机理15上节课内容复习上节课内容复习什么是转频？什么是转频？60转速转

10、频 转频表示每秒钟转过的圈数。转频表示每秒钟转过的圈数。例如：发生一个断齿，转速例如：发生一个断齿，转速850r/min, 转频转频 f =14.2Hz1秒钟有秒钟有14个冲击个冲击16 齿轮的力学模型分析齿轮的力学模型分析 幅值调制与频率调制幅值调制与频率调制齿轮振动的其他成分齿轮振动的其他成分齿轮故障诊断齿轮故障诊断l齿轮传动基本知识齿轮传动基本知识l齿轮的振动机理齿轮的振动机理l齿轮的故障诊断技术齿轮的故障诊断技术l实测案例分析实测案例分析17信号调制信号调制n 信号调制可以分为：幅值调制、频率调制信号调制可以分为：幅值调制、频率调制tAtA幅值调制幅值调制频率调制频率调制n原因原因1：

11、齿轮载荷不均匀、齿距不均匀及故障齿轮载荷不均匀、齿距不均匀及故障造成的造成的载荷载荷波动，会对振动幅值产生影响波动，会对振动幅值产生影响n 原因原因2：同时也产生扭矩波动，使齿轮同时也产生扭矩波动，使齿轮转速转速发发生变化，从而影响频率结构生变化，从而影响频率结构18信号调制信号调制-调幅调幅n齿轮啮合过程中，啮合频率及其各次谐波视为齿轮啮合过程中，啮合频率及其各次谐波视为载波载波n齿面点蚀、剥落引起的振动齿面点蚀、剥落引起的振动(周期出现周期出现)信号，视为信号，视为调制波调制波n两者同时存在时，则会产生调制效应两者同时存在时，则会产生调制效应 时域上表现为时域上表现为 相乘相乘 频域上表现

12、为频域上表现为 卷积卷积)(tgm)()()(tgtgtysm)()()(fGfGfYsm)(tgs)(tgm)(tgs)(ty)(fGm)(fGs)(fYQuestion?载波：调制波：合成信号：啮合频率啮合频率转频转频19信号调制信号调制-调幅调幅n例：例： 齿轮啮合振动信号：齿轮啮合振动信号： 齿轮点蚀引起的振动信号齿轮点蚀引起的振动信号: 调幅后的振动信号为：调幅后的振动信号为：)2sin()(tfAtgmm)2cos()2sin()()()(t fBtfAtgtgtysmsmtfBtgss2cos)(调幅后的振动信号在频域表示为：调幅后的振动信号在频域表示为：)(21)(21)()(

13、smsmmfffABfffABffAfyfAsmff smff sfmf2mf3mf20信号调制信号调制-调幅调幅)()()()(21tetketkxtkxcxm 齿轮振动的方程为：齿轮振动的方程为：为载波信号，它包含有齿轮啮合频率及其倍频成分为载波信号，它包含有齿轮啮合频率及其倍频成分)(tk为调制信号，反映齿轮的误差和故障情况为调制信号，反映齿轮的误差和故障情况)(2te时域频域)(tk)(2te)()(2tetk)( fk)(2fe)()(2fefkmfsmff smff 21信号调制信号调制-调幅调幅n局部缺陷局部缺陷：齿轮每转一周产生一个脉冲激励，齿轮的啮合频：齿轮每转一周产生一个脉

14、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。两侧有大量的边频带，其幅值较低，且分布均匀而平坦。n分布缺陷：分布缺陷：指比较均匀分布的缺陷，它相当于时域包络线较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。一簇幅值较高、起伏较大、分布较窄的边频带。局部缺陷，冲击历局部缺陷，冲击历程短，频域分布宽程短，频域分布宽分布缺陷，冲击历分

15、布缺陷，冲击历程长，频域分布窄程长，频域分布窄22n对于齿轮传动，对于齿轮传动，任何导致产生幅值调制的因素也同时会导任何导致产生幅值调制的因素也同时会导致频率调制致频率调制。两种调制总是同时存在的。两种调制总是同时存在的。n对于质量较小的齿轮副，频率调制现象尤为突出对于质量较小的齿轮副，频率调制现象尤为突出n调频的振动信号包含有多个频率分量，并以啮合频率为中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心，以调制频率为间隔形成多对的调制边带信号调制信号调制-调频调频23信号调制信号调制-交叉调制交叉调制n谐振能量对不同调制振动的影响谐振能量对不同调制振

16、动的影响 在很多情况下，齿轮或在很多情况下，齿轮或齿轮箱在承载运行中，由于齿轮箱在承载运行中，由于其它激振力而引起了齿轮、其它激振力而引起了齿轮、轴或轴承内、外圈滚动体等轴或轴承内、外圈滚动体等零件的零件的谐振。谐振。【固有频率固有频率】类型类型载波信号载波信号调制信号调制信号故障较轻，如轻微的轴弯曲或面积故障较轻，如轻微的轴弯曲或面积小、数量少的齿面点蚀小、数量少的齿面点蚀齿轮的啮合频率齿轮的啮合频率轴频轴频故障较严重、激振能量较大时故障较严重、激振能量较大时轴承轴承 、轴、齿轮等、轴、齿轮等零件零件本身的谐振频率本身的谐振频率轴频轴频故障非常严重、激励能量非常大时故障非常严重、激励能量非常

17、大时箱体箱体谐振频率谐振频率轴频轴频24n调频和调幅的共同点调频和调幅的共同点 载波频率相等载波频率相等 边带频率对应相等边带频率对应相等 边带对称于载波频率边带对称于载波频率n齿轮振动信号调制特点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对称分布信号调制信号调制-小结小结1GMF2GMF3GMFfAtA1GMF25 齿轮的力学模型分析齿轮的力学模型分析 幅值调制与频率调制幅值调制与频率调制齿轮振动的其他成分齿轮振动的其他成分齿轮故障诊断齿轮故障

18、诊断l齿轮传动基本知识齿轮传动基本知识l齿轮的振动机理齿轮的振动机理l齿轮的故障诊断技术齿轮的故障诊断技术l实测案例分析实测案例分析26l隐含成分隐含成分(Ghost Components)n产生原因：产生原因：由于加工过程中带来的周期性缺陷。例如由于加工过程中带来的周期性缺陷。例如由由滚齿机滚齿机工作台的分度涡轮蜗杆及齿轮的误差引起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齿轮振动的其他成分-隐含成分隐含成分n特点：特点：它不受载荷变化的影响，由几何误差引起；它一般对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，隐含应于某个分度涡轮

19、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成分及各次谐波成分逐渐下降运行一个月后运行一个月后隐含成分下降隐含成分下降新齿轮运行一个月后27 齿轮的力学模型分析齿轮的力学模型分析 幅值调制与频率调制幅值调制与频率调制齿轮振动的其他成分齿轮振动的其他成分齿轮故障诊断齿轮故障诊断l齿轮传动基本知识齿轮传动基本知识l齿轮的振动机理齿轮的振动机理l齿轮的故障诊断技术齿轮的故障诊断技术l实测案例分析实测案例分析28齿轮故障诊断齿轮故障诊断l齿轮传动基本知识齿轮传动基本知识l齿轮的振动机理齿轮的振动机理l齿轮的故障诊断技术齿轮的故障诊断技术l实测案例分析实测案例分析 简易诊断简易诊断 精

20、密诊断精密诊断 其他常用的信号分析方法其他常用的信号分析方法29振动信号的测量振动信号的测量l测点选择测点选择n传感器的安装位置不同，所得到的测定值会有较大差异传感器的安装位置不同，所得到的测定值会有较大差异n对各测点做出标记，以保证每次测量的部位不变对各测点做出标记，以保证每次测量的部位不变n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衰减n一般应尽可能地沿水平、垂直和轴向三个方向进行测定一般应尽可能地沿水平、垂直和轴向三个方向进行测定HV30振动信号的测量振动信号的测量l传感器的选择传感器的选择n一般应将所测的振动按频带分级一

21、般应将所测的振动按频带分级n实际测量中，在同一测点为通常选用实际测量中，在同一测点为通常选用加速度传感器加速度传感器，再通过，再通过积分电路转换成所需的测量参数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对高频段一般选用加速度传感器31l传感器的安装方法传感器的安装方法n安安 全全 性：性：安装位置必须保证在进行数据采集时的工作安全安装位置必须保证在进行数据采集时的工作安全n最短路径：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在振源和传感器之间必须要有一个良好的机械传

22、输路径，应该选择振源和传感器间的最短路径输路径，应该选择振源和传感器间的最短路径n防防 共共 振：振：不能将传感器安装到自身会受到机器振动激励的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部件上，如：风扇罩、联轴器防护盖等部件l采样参数设定采样参数设定n已知齿轮齿数，建议频率范围已知齿轮齿数，建议频率范围Fmax 设定为设定为3.25GMFn齿轮齿数未知，频率范围齿轮齿数未知，频率范围Fmax 设定为设定为每根轴的转速的每根轴的转速的200倍倍n注意频率分辨率注意频率分辨率l测定周期测定周期n设备正常时保持一定周期；在振动增大时，缩短监测周期设备正常时保持

23、一定周期；在振动增大时，缩短监测周期齿轮故障诊断齿轮故障诊断振动测量与简易诊断振动测量与简易诊断振动信号的测量振动信号的测量32齿轮的简易诊断齿轮的简易诊断l简易诊断方法简易诊断方法n目的：目的：迅速判断齿轮是否处于正常工作状态迅速判断齿轮是否处于正常工作状态n手段：手段：利用齿轮的振动强度来进行诊断利用齿轮的振动强度来进行诊断齿轮故障诊断齿轮故障诊断振动测量与简易诊断振动测量与简易诊断绝对值判定法绝对值判定法：利用齿轮箱上同一测点部位测得的振：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幅值直接作为评价运行状态的指标相对值判断法：相对值判断法：将在齿轮箱同一部位测点在不同时

24、刻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测得的振幅与正常状态下的振幅相比较2 . 12 . 112003010nZP齿轮的振动峰值为齿轮的振动峰值为P，转速为转速为n (r/min)，齿数为，齿数为Z报警值：报警值：危险值：危险值：2 . 12 . 112003040nZP33齿轮的简易诊断齿轮的简易诊断l简易诊断方法简易诊断方法n目的：目的：迅速判断齿轮是否处于正常工作状态迅速判断齿轮是否处于正常工作状态n手段：手段：利用齿轮的振动强度来进行诊断利用齿轮的振动强度来进行诊断齿轮故障诊断齿轮故障诊断振动测量与简易诊断振动测量与简易诊断绝对值判定法绝对值判定法：利用齿

25、轮箱上同一测点部位测得的振：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幅值直接作为评价运行状态的指标相对值判断法：相对值判断法：将在齿轮箱同一部位测点在不同时刻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测得的振幅与正常状态下的振幅相比较34齿轮的简易诊断齿轮的简易诊断l常用的特征值计算方法常用的特征值计算方法齿轮故障诊断齿轮故障诊断振动测量与简易诊断振动测量与简易诊断NiirmsNiixNXxNX12111均方根值平均值4maxmaxmaxValue) (KurtosisFactor) (ClearanceFactor) (ImpulseFactor

26、)(Crest )Factor Shape(rmsrffrmsfrmsfXKXXCLXXIXXCXXS峭度指标裕度指标脉冲指标峰值指标波形指标无量纲参数作为诊断标无量纲参数作为诊断标准，其特点是对故障信准，其特点是对故障信息敏感，而对信号的幅息敏感，而对信号的幅值大小不敏感值大小不敏感最常用的衡量指标，能反最常用的衡量指标，能反映出设备的振动水平映出设备的振动水平35齿轮的简易诊断齿轮的简易诊断l测定参数法测定参数法齿轮故障诊断齿轮故障诊断振动测量与简易诊断振动测量与简易诊断波形指标波形指标峰值指标峰值指标脉冲指标脉冲指标裕度指标裕度指标峭度指标峭度指标齿轮正常齿轮正常1.301.302 24

27、.6114.6116.0016.0017.1887.1884.114.115 5齿轮断齿齿轮断齿1.471.472 29.5299.52914.0214.024 417.78217.78210.20610.206齿轮发生断齿故障，其振动信号中有明显的冲击脉齿轮发生断齿故障，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36齿轮的简易诊断齿轮的简易诊断l简易诊断实例简易诊断实例齿轮故障诊断齿轮故障诊断振动测量与简易诊断振动测量与简易诊断在在4个轴承座上分别用加速度传感器测量其振动均方根值个轴承座上分别用加速度传感器测量其

28、振动均方根值4 4个轴承的振动值个轴承的振动值差异很小，且都差异很小，且都已超标，则表明已超标，则表明齿轮出现了异常齿轮出现了异常轴承故障轴承故障正常正常37齿轮故障诊断齿轮故障诊断l齿轮传动基本知识齿轮传动基本知识l齿轮的振动机理齿轮的振动机理l齿轮的故障诊断技术齿轮的故障诊断技术l实测案例分析实测案例分析 简易诊断简易诊断 计算特征值计算特征值 精密诊断精密诊断 频谱分析频谱分析 其他常用的信号分析方法其他常用的信号分析方法38如何判断齿轮是否存在故障？如何判断齿轮是否存在故障？l啮合频率及其谐波成分啮合频率及其谐波成分l边频成分边频成分n幅值是否升高？幅值是否升高？-故障严重程度故障严重

29、程度n与主频的差值？与主频的差值？-确定出现故障的齿轮确定出现故障的齿轮n如何分布？如何分布？-局部故障或均布故障局部故障或均布故障 n 幅值是否升高？幅值是否升高？1GMF2GMF3GMFfAmfsmff smff sfsftA正常故障 齿轮啮合频率往往对齿的负载非常敏感。齿轮啮合频率往往对齿的负载非常敏感。齿轮啮合频率的幅值高未必一定指示有故齿轮啮合频率的幅值高未必一定指示有故障，尤其是当边频幅值较小情况障，尤其是当边频幅值较小情况39u振动主要由齿轮自身振动主要由齿轮自身刚度变化引起刚度变化引起u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时域波形为周期性的衰减波形，低频信号具有

30、近似正弦波的啮合波形啮合波形u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 高速轴转频高速轴转频低速轴转频低速轴转频正常齿轮的信号特征正常齿轮的信号特征40l齿轮磨损齿轮磨损l齿根裂纹齿根裂纹l齿轮断齿齿轮断齿l齿轮偏心齿轮偏心l齿轮不对中齿轮不对中常见故障的特征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？故障具有的频谱特征？41l产生故障的原因：产生故障的原因：n长期在高负荷下工作长期在高负荷下工作n在在润滑油中夹杂有磨粒润滑油中夹杂有磨粒时发生，或润滑油不足、油质不清洁

31、时发生，或润滑油不足、油质不清洁常见故障的特征常见故障的特征-齿轮磨损齿轮磨损磨损增大，齿侧间隙变大，振动变大磨损增大，齿侧间隙变大，振动变大42n齿轮磨损的主要特征是齿轮磨损的主要特征是激起齿轮的固有频率激起齿轮的固有频率 (Fn)，并在齿，并在齿轮固有频率两侧伴有磨损齿的转速频率边带轮固有频率两侧伴有磨损齿的转速频率边带n2GMF或或3GMF(尤其是尤其是3GMF)幅值经常很高幅值经常很高n磨损明显时，磨损明显时，边带的幅值高、边带数增多边带的幅值高、边带数增多。边带比啮合频边带比啮合频率能更好地反映出齿轮磨损状态率能更好地反映出齿轮磨损状态常见故障的特征常见故障的特征-齿轮磨损齿轮磨损l

32、 故障特征：故障特征：43n在运行过程中承受载荷的轮齿，如同在运行过程中承受载荷的轮齿，如同悬臂梁悬臂梁，其根，其根部受到脉冲循环的部受到脉冲循环的弯曲应力弯曲应力作用作用n当周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根当周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根部产生裂纹部产生裂纹常见故障的特征常见故障的特征-齿根裂纹齿根裂纹l 产生故障的原因：产生故障的原因：44n时域特征：时域特征：以齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲以齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲n频率特征：频率特征：以旋转频率以旋转频率 n*fr 为主要频域特征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 常见故障的特征常见故障的特

33、征-齿根裂纹齿根裂纹l 故障特征：故障特征：45n当当齿根裂纹逐步扩展齿根裂纹逐步扩展，当无法承受传动载荷时就会发生，当无法承受传动载荷时就会发生断齿现象。断齿现象。n齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质不均匀也可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。能引起断齿。n断齿是齿轮最严重的故障。断齿是齿轮最严重的故障。常见故障的特征常见故障的特征-齿轮断齿齿轮断齿l 产生故障的原因：产生故障的原因：46Question: 齿轮断齿属于局部故障还是均布故障？齿轮断齿属于局部故障还是均布故障？常见故障的特征常见故障的特征-齿轮断齿齿轮断齿局部缺陷，冲击历局部缺陷，冲击历程短，频域

34、分布宽程短，频域分布宽分布缺陷，冲击历分布缺陷，冲击历程长，频域分布窄程长，频域分布窄47齿轮故障的诊断与分析方法齿轮故障的诊断与分析方法 l 故障特征：故障特征：常见故障的特征常见故障的特征-齿轮断齿齿轮断齿n以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮所在轴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；转频及其倍频为调制频率，调制边频带宽而高；n以以齿轮各阶固有频率齿轮各阶固有频率及其谐波为载波频率，故障齿轮所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；在轴转频及其倍频为调制频率，调制边频带宽而高；48n由于由于加工

35、误差加工误差引起齿轮的中心与旋转轴中心不重合引起齿轮的中心与旋转轴中心不重合常见故障的特征常见故障的特征-齿轮偏心齿轮偏心齿轮故障的诊断与分析方法齿轮故障的诊断与分析方法 l 产生故障的原因：产生故障的原因：49齿轮故障的诊断与分析方法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 常见故障的特征常见故障的特征-齿轮偏心齿轮偏心n时域特征时域特征：由于偏心的影响，波形被调制，产生调幅振动由于偏心的影响，波形被调制，产生调幅振动n频域特征：频域特征：以齿轮旋转频率为特征的附加脉冲幅值增大，以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齿轮

36、一转为周期的载荷波动，调制频率为齿轮的转频l 故障特征：故障特征：故障轴的转故障轴的转频出现倍频频出现倍频50常见故障的特征常见故障的特征-齿轮不对中齿轮不对中l 产生故障的原因：产生故障的原因：n由于齿轮和轴由于齿轮和轴装配不当装配不当造成的齿轮和轴的中心不共线造成的齿轮和轴的中心不共线n不对中故障会使齿轮产生局部接触，导致部分轮齿承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受较大的负荷51常见故障的特征常见故障的特征-齿轮不对中齿轮不对中l 故障特征：故障特征：n以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转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

37、；频及其倍频为调制频率；n调制频率的调制频率的2倍频幅值最大倍频幅值最大；n齿轮啮合频率及其谐波幅值增大；齿轮啮合频率及其谐波幅值增大；n由于齿轮不对中，齿轮啮合频率及其谐波频率的左侧由于齿轮不对中，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。和右侧的边带频率的幅值不等，引起不均匀磨损。52齿轮故障的诊断与分析方法齿轮故障的诊断与分析方法 常见故障的特征常见故障的特征-小结小结频域频域频域频域正正常常磨磨损损不不对对中中裂裂纹纹偏偏心心断断齿齿是否有故障？是否有故障？ 关注啮合频率的倍频、边频幅值的变化关注啮合频率的倍频、边频幅值的变化哪个齿轮发生故障？哪个齿轮发

38、生故障？ 关注边频与主频的差值关注边频与主频的差值 53 简易诊断简易诊断 计算特征值计算特征值 精密诊断精密诊断 频谱分析频谱分析 其他常用的信号分析方法其他常用的信号分析方法齿轮故障诊断齿轮故障诊断l齿轮传动基本知识齿轮传动基本知识l齿轮的振动机理齿轮的振动机理l齿轮的故障诊断技术齿轮的故障诊断技术l实测案例分析实测案例分析54常用信号处理方法常用信号处理方法n时域分析方法时域分析方法 时域波形时域波形 调制解调调制解调 相位解调相位解调 时域同步平均：时域同步平均：利用键相信号进行周期截断利用键相信号进行周期截断n频域分析方法频域分析方法 功率谱功率谱 相位谱相位谱 细化谱细化谱：进行局

39、部的高分辨率分析：进行局部的高分辨率分析 倒频谱倒频谱：看频域中的周期成分：看频域中的周期成分55齿轮故障诊断齿轮故障诊断l齿轮传动基本知识齿轮传动基本知识l齿轮的振动机理齿轮的振动机理l齿轮的故障诊断技术齿轮的故障诊断技术l实测案例分析实测案例分析 简易诊断简易诊断 计算特征值计算特征值 精密诊断精密诊断 频谱分析频谱分析 其他常用的信号分析方法其他常用的信号分析方法56齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 u无缝厂减速机齿轮箱故障诊断分析无缝厂减速机齿轮箱故障诊断分析u高炉上料主皮带减速机高炉上料主皮带减速机故障诊断分析故障诊断分析u鼓风机齿轮箱故障诊断鼓风机齿轮箱故障诊断u冷轧卷取机减速箱故

40、障诊断分析冷轧卷取机减速箱故障诊断分析齿轮故障诊断齿轮故障诊断关注啮合频率的倍频、边频关注啮合频率的倍频、边频关注齿轮故障、轴松动、不对中关注齿轮故障、轴松动、不对中关注齿数未知情况关注齿数未知情况关注共振频率进行诊断关注共振频率进行诊断57说明齿轮说明齿轮磨损比较严重，部分齿面有缺陷磨损比较严重，部分齿面有缺陷齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用1测点4测点1测点2测点3轧辊电机Z1Z2Z3Z5Z6Z4l 电机转速电机转速630 rpm，Z1=22，Z2=20l轴转频轴转频l轴转频轴转频Hzf5 .10606301HzZZffZfZf55.112112221158测点4测点1测点2测点3轧辊电

41、机轧机主传动系统传动简图与测点布置图锥齿轮齿数Z1=22；Z2=20Z1Z2Z3Z5Z6Z4齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用1l 电机转速电机转速630 rpml轴转频轴转频l轴转频轴转频l 啮合频率啮合频率Hzw5 .10606301HzZZwwZwZw55.1121122211HzZwZwGMF231221159齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用1测点4测点1测点2测点3轧辊电机Z1Z2Z3Z5Z6Z4啮合频率啮合频率l轴转频轴转频l轴转频轴转频l 啮合频率啮合频率Hzw5 .101Hzw55.112HzGMF23160

42、齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用1测点4测点1测点2测点3轧辊电机Z1Z2Z3Z5Z6Z4l轴转频轴转频l轴转频轴转频l 啮合频率啮合频率Hzw5 .101Hzw55.112HzGMF231说明轴说明轴的齿轮存在故障的齿轮存在故障61齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 说明轴说明轴有松动现象存在有松动现象存在齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用1测点4测点1测点2测点3轧辊电机Z1Z2Z3Z5Z6Z4l轴转频轴转频l轴转频轴转频l 啮合频率啮合频率Hzw5 .101Hzw55.112HzGMF23162齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 u 诊断结论：诊断结论：l

43、齿轮齿轮啮合处于故障状态，部分齿面磨损严重，个别齿有局部缺陷啮合处于故障状态，部分齿面磨损严重，个别齿有局部缺陷l轴轴有松动现象，轴承磨损间隙变大，部分部件有损坏有松动现象，轴承磨损间隙变大，部分部件有损坏齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用1现场验证：共有现场验证：共有8 8个齿存在严重的齿面剥落现象个齿存在严重的齿面剥落现象63齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 u无缝厂减速机齿轮箱故障诊断分析无缝厂减速机齿轮箱故障诊断分析u高炉上料主皮带减速机高炉上料主皮带减速机故障诊断分析故障诊断分析u鼓风机齿轮箱故障诊断鼓风机齿轮箱故障诊断u冷轧卷取机减速箱故障诊断分析冷轧卷取机减速箱故障诊断分析齿轮故

44、障诊断齿轮故障诊断关注啮合频率的倍频、边频关注啮合频率的倍频、边频关注齿轮故障、轴松动、不对中关注齿轮故障、轴松动、不对中关注齿数未知情况关注齿数未知情况关注共振频率进行诊断关注共振频率进行诊断64l 电机转速：电机转速：1488 r/min 齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用2l Z1=19、 Z2=68 Z3=19、 Z4=91 Z5=23、 Z6=67 l轴转频轴转频l轴转频轴转频l 轴转频轴转频 l 轴转频轴转频Hzw8 .241Hzw93. 62Hzw49. 04Hzw45. 13HzGMF2 .4711l轴与轴与轴啮合频率轴啮合频率l轴与轴与轴啮合频率轴啮合频率l轴与轴与轴啮合频率

45、轴啮合频率 HzGMF67.1312 HzGMF35.33365齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用2测点测点3测点测点4垂垂直（直（V V）水平（水平（H）轴向（轴向（A）垂直（垂直（V）水平（水平（H）轴向（轴向（A）2007-11-271.952.053.512.823.423.442008-01-024.154.065.576.875.576.30测点测点5测点测点6垂直（垂直（V）水平（水平（H）轴向（轴向（A）垂直（垂直（V）水平（水平（H）轴向（轴向（A）2007-11-272.182.724.073.112.613.772008-01-023.494.866.265.445.36

46、6.28测点测点7测点测点8垂直（垂直（V）水平（水平（H）轴向（轴向（A）垂直（垂直（V）水平（水平（H）轴向（轴向（A）2007-11-271.582.152.783.712.302.772008-01-023.006.305.553.985.055.46测点测点9测点测点10垂直（垂直（V）水平（水平（H）轴向（轴向（A）垂直（垂直（V）水平（水平（H）轴向（轴向（A）2007-11-271.491.992.642.773.612.632008-01-023.304.993.842.093.663.8366齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用23、4号测点5、6号测点7、8号测点9、10号

47、测点67测点测点3 V测点测点4 V偏载现象严重，并伴有转频的冲击成分偏载现象严重，并伴有转频的冲击成分齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用268测点测点3 V测点测点4 V2008.01.022008.01.022007.11. 272007.11. 27自由能量增大，轴自由能量增大，轴可能存在故障可能存在故障齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用269测点测点3 A测点测点4 A齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用2l轴转频l轴转频l 轴转频 l 轴转频Hzw8 .241Hzw93. 62Hzw49. 04Hzw45. 13齿轮啮合频率被齿轮啮合频率被 50.1Hz转频调制转频调制齿轮啮合频率被齿

48、轮啮合频率被 50.1Hz转频调制转频调制2倍转频70测点测点3 V测点测点4 V齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用2转频的二倍频较大，转频的二倍频较大，存在不对中故障存在不对中故障71测点测点3 V测点测点4 V出现转频高次谐波，存在轴松动现象出现转频高次谐波，存在轴松动现象齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用2l轴转频l轴转频l 轴转频 l 轴转频Hzw8 .241Hzw93. 62Hzw49. 04Hzw45. 1372u 诊断结论：诊断结论：l 减速机减速机轴轴存在明显的不对中、松动现象、并且偏载严重存在明显的不对中、松动现象、并且偏载严重l 轴轴齿轮齿轮存在局部缺陷，如点蚀或剥落故障存

49、在局部缺陷，如点蚀或剥落故障l 轴轴轴承轴承存在内圈磨损故障存在内圈磨损故障u 生产验证：生产验证：由于电机与减速机轴由于电机与减速机轴的联轴器的联轴器不对中不对中，造成了减，造成了减速机的振动，引起轴承和齿轮的故障速机的振动，引起轴承和齿轮的故障齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用273齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 u无缝厂减速机齿轮箱故障诊断分析无缝厂减速机齿轮箱故障诊断分析u高炉上料主皮带减速机高炉上料主皮带减速机故障诊断分析故障诊断分析u鼓风机齿轮箱故障诊断鼓风机齿轮箱故障诊断u冷轧卷取机减速箱故障诊断分析冷轧卷取机减速箱故障诊断分析齿轮故障诊断齿轮故障诊断关注啮合频率的倍频、边频关

50、注啮合频率的倍频、边频关注齿轮故障、轴松动、不对中关注齿轮故障、轴松动、不对中关注齿数未知情况关注齿数未知情况关注共振频率进行诊断关注共振频率进行诊断74齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用3l 电机转速电机转速1480 rpml轴转频轴转频l轴转频轴转频l 啮合频率啮合频率Hzw67.246014801HzZZwwZwZw48.6121122211HzZwZwGMF3996221175齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用3l 简易诊断简易诊断测点测点1测点测点2测点测点3测点测点4测点测点5测点测点6测点测点7测点测点8垂直垂直

51、mm/s1.981.985.164.5710.8013.212.712.15水平水平mm/s2.863.014.344.697.219.182.812.80轴向轴向mm/s6.156.114.914.674.754.753.292.73振动速度有效值振动速度有效值参照国际标准参照国际标准ISO2372ISO2372，齿轮，齿轮箱的各测点振动有效值较大，箱的各测点振动有效值较大，在设备状态评价等级在设备状态评价等级B B（允许）（允许）C C（较差）之间（较差）之间76齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用3l 简易诊断简易诊断齿轮箱的振动比电机、齿轮箱的振动比电机

52、、鼓风机的振动大鼓风机的振动大测点测点1测点测点2测点测点3测点测点4测点测点5测点测点6测点测点7测点测点8垂直垂直mm/s1.981.985.164.5710.8013.212.712.15水平水平mm/s2.863.014.344.697.219.182.812.80轴向轴向mm/s6.156.114.914.674.754.753.292.73振动速度有效值振动速度有效值77齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用3l 精密诊断精密诊断振动能量大，含有共振频率，振动能量大，含有共振频率，说明齿轮箱存在较严重故障说明齿轮箱存在较严重故障3、4、5、6号测点水平

53、方向振动频谱图比较号测点水平方向振动频谱图比较78齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用3l 精密诊断精密诊断6号测点振动频谱图号测点振动频谱图啮合频率啮合频率齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 l 电机转速电机转速1480 rpml轴转频轴转频l轴转频轴转频l 啮合频率啮合频率Hzw67.246014801HzZZwwZwZw48.6121122211HzZwZwGMF39962211频率相差24.6Hz79齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 齿轮故障诊断齿轮故障诊断-应用应用3l 精密诊断精密诊断6号测点振动频谱图号测点振动频谱图共振频率共振频率齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断案例 l 电机转速电机转速1480 rpml轴转频轴转频l轴转频轴转频l 啮合频率啮合频率Hzw67.246014801HzZZwwZwZw48.6121122211HzZwZwGMF3996221180