【齿轮箱振动机理与特征分析3800字】

齿轮箱振动机理与特征分析目录TOC\o"1-3"\h\u11856齿轮箱振动机理与特征分析 1317601.1齿轮箱振动的产生和传递 174961.1.1振动的产生 198951.1.2振动的传递 2241001.2振动信号的特征分析 3114671.1.1时域统计特征参数 3209081.1.2频域统计特征参数 481851.3齿轮箱的主要故障类别 5286571.3.1齿轮的主要故障形式 6149441.3.2轴承的主要故障形式 8110721.3.3齿轮箱故障信号及分析 9对于齿轮箱来说，掌握齿轮箱的振动机理和失效模式，能够更加方便的进行相关动力学建模仿真相关的工作与故障信号采集的研究。对于齿轮箱传动系统来说，准确的信号采集是后续信号处理与模式识别的先决条件和保证。齿轮箱的各种状态信息的变化能够反映其是否失效或异常，比如振动信号、噪声信号、电流信号与温度等，它们各自对应的故障机理，其中振动及其特征信息是反映齿轮箱系统状态及其变化规律的主要信号[35]。1.1齿轮箱振动的产生和传递1.1.1振动的产生理想条件下的齿轮传动并没有声息，引起振动的因素主要是加工装配、制造和装配结构不正确等不可避免的误差因素[36,37]。误差类型不一样，往往得到不同的振动信号。正常运行状态下的齿轮主要是啮合振动，因为齿轮副的啮合刚度的变化具有周期性特点，因此造成齿的弯曲量同样产生变化。即使在平稳负荷的条件下，齿轮传动产生碰撞也会产生振动，但当出现故障时，齿轮的碰撞会加大，造成啮合过程的波动性加大，继而产生冲击和振动。若可以检测到这种变化，就可获得齿轮的故障信息。而轴承振动的原因除了因为轴承自身结构特点、生产装配误差外，还包括生产设备上其他零件振动或施力带来的影响。当轴承发生故障时，不同部件的损伤部位与其他部件撞击以及载荷的共同作用下产生异常冲击，因为中间轴呈现周期性的特点，因此中间轴产生的冲击力也出现了周期性，在该冲击力的驱动下，轴承也会出现周期性振动。因此，轴承运行过程中产生的振动信号包含多种类型的信号成分，成为后续进行故障诊断的重要依据。1.1.2振动的传递齿轮箱体振动信号中包括齿轮啮合振动、轴承振动与机械系统中其余部件振动的响应，除了包含有正常信号，还有故障信号的存在。振动信号按照齿轮、轴、轴承与箱体的途径进行齿轮箱内外的传递。齿轮箱外部采集的振动信号与齿轮内部产生激励的关系并不是简单的线性映射，且箱内部件的振动更是存在相互耦合，信号和传递路径持续地发生混叠复合，并把复合后的信号传递到齿轮箱外。如下图1.81所示：图1.1齿轮箱体内外平面简图若将传感器直接安装在齿轮、轴承与轴等振动源上，振动信号通常存在准确性与稳定性问题，因此传感器一般安装在箱体上，文献[38]通过验证，选择与振动源间隔较小的轴承座为最佳位置。由于混叠信号的复杂性、传感器的精度问题以及测试方法的误差，源振动信号或多或少难免遭受影响[39]。PDMcFadden[40]等人对齿轮进行信号测取，分别将齿轮的振动作为输入信号，测量点处齿轮箱的振动作为输出信号，将齿轮箱当作一个多输入单输出线性系统。则齿轮箱上采集到的信号如下式：（2-1）式中：L为齿轮数，M为信号传递路径数量，P(t)为时刻t的时域信号，为第s个输入信号经第n条路径所获得的脉冲响应，为第s个齿轮的运动信号，r(t)为噪声。上式说明t时刻在齿轮箱体上采集到的振动信号是在一系列混叠、卷积等复杂情况的作用下形成的，其中源信号是由箱体内部激励所引起的振动通过齿轮啮合，通过各种传递路径所得。齿轮箱内部各部件会产生激励，因此齿轮箱体采集到的信号包括丰富的箱体内部激励的信息，包括正常信息与故障信息。1.2振动信号的特征分析1.1.1时域统计特征参数时域特征因其简单易得，常被应用于故障诊断方面。时域统计方法主要包含波形观察与时域数值计算。主要包括均方根值、峭度指标等特征，具体统计指标如表1.1时域特征参数公式所示：表1.1时域特征参数公式特征名称公式时域特征公式均值方差均方根值方根幅值峰值峰峰值偏斜度峭度波形指标峰值指标脉冲指标裕度指标偏度指标峭度指标表中横向计算前八个指标为有量纲时域参数，后六个为无量纲时域参数。时域指标就是通过对某些特征量进行统计学的分析统计来表现信号特点，例如方差可反应信号的波动程度、均值可反应信号的总体趋势；正常运行状况下，振动信号符合正态分布，若齿轮箱发生某种故障，信号可能就会偏离正态分布，偏斜度与峭度均可反映信号的相对正态化偏移程度；对设备的电腐蚀情况比较敏感的参数为波形指标；峭度指标和脉冲指标可以反映信号的幅值分布和信号的反映幅值大小。实验中齿轮与轴承的部分故障信息可以通过时域指标表征出来，然而单一的时域分析很难全面表征齿轮箱运行状态，因而通常将多种时域特征相结合进行设备的故障诊断。1.1.2频域统计特征参数相较于在时间域内进行分析，频域分析方法优势更明显。信号的时域分析有时会出现某些时域参数相同的情况，然而这不代表信号本身完全相同。因为信号除却随时间变化外，还与频率以及相位等息息相关。傅里叶变换在时频转换方面表现很好，信号从时域转换到频域主要通过傅里叶变换，然后根据频域信号反映出的频域特征进行统计分析。傅里叶变换公式：（2-2）常用频域特征参数如表1.2所示，其中代表频率，代表频域信号的功率谱:表1.2频域特征参数公式特征名称公式特征名称公式频域幅值平均值重心频率均方频谱频率方差均方根频率频率集中度频率幅值方差上表中的频域特征，频域幅值平均值可以反映振动能量的大小；重心频率、均方频谱与频率方差能够反映主频带的位置；均方根频率、频率集中度与频率幅值方差可反映频谱的集中/离散程度。1.3齿轮箱的主要故障类别旋转机械齿轮箱中部件众多，部件失效时发生的故障往往会相互作用、相互影响，所以对其不同失效形式进行分析意义重大。齿轮箱的故障多发生在齿轮或滚动轴承上，因此，本文对齿轮箱故障的研究主要集中在齿轮和轴承上。图2-3、图2-4分别为齿轮箱结构图、齿轮与轴承结构图。图1.3齿轮箱结构图图1.4齿轮及轴承结构图1.3.1齿轮的主要故障形式齿轮由于某种原因无法正常运行或是其运行参数超出最大允许的误差的现象，称之为齿轮故障。齿轮在运行过程中，操作不善、安装不规范、热处理工艺或自身制造误差等都是导致齿轮发生故障的的潜在因素。据统计，齿轮箱部件中发生故障最为频繁的就是齿轮。传动齿轮在运转时，轮齿不间断的进入与退出啮合状态，导致齿轮产生相应的振动。简单的振动原理解析：将齿轮传动系统看作由有重量的宽状物与弹簧及阻尼构成的振动系统。把齿轮看作弹簧并把齿轮体看作质量，齿轮所承受的负荷力视为外力，进而引起齿轮产生圆周方向的振动。图1.5为齿轮啮合的简化物理学模型，齿轮的相互啮合产生的动态方程为：（2-3）式中：x为沿啮合线上齿轮的相对位移；C和k(t)分别为齿轮的啮合阻尼系数和啮合刚度；M为齿轮副的等效质量，；为齿轮正常啮合的振动；为齿轮不正常啮合引起的振动。图1.5齿轮啮合力学模型由上式可得，振动信号的方程由确定，齿轮在不同运行状态下的误差函数不同。齿轮在不同工况下测取的振动信号进行采集与分析，就可以实时掌握齿轮运行情况。齿轮的特征频率计算方法如下：齿轮的啮合频率：（2-4）行星齿轮的啮合频率：（2-5）其中n为轴转速，为行星轮架转速，z与均为齿轮齿数目。齿轮正常运行时，测取到的振动信号总会含有啮合频率与谐波。而不同的运行状态会使得振动信号随之改变。因此，可通过对振动信号的分析来对齿轮的故障类型进行判断。齿轮的常见失效形式如下所示。（1）断齿：齿轮难以承受载荷而发生断裂的状况。该故障产生的原因一是长时间使用，承载的应力过高超出齿轮的最高弯曲疲劳限度，导致轮齿因疲劳折断；二是齿轮因突然承受严重的冲击而超过应力极限导致的冲击断齿。（2）点蚀：齿轮传动过程中，轮齿不断相互碰撞，会出现相对滚动与滑动，当齿轮脉动循环的剪应力或接触应力超过齿面可承受的范围时，齿面就会产生细微裂纹，裂纹不断向四周蔓延会导致齿面出现小块金属剥落使得齿面损坏，称为点蚀。（3）磨损：齿轮表面在啮合过程中因摩擦损伤、齿轮之间夹入金属微粒等因素导致其材料逐渐消耗的现象为磨损。一旦开始脱落，磨损就会成倍放大，这种情况必须及时处理。1.3.2轴承的主要故障形式轴承主要有内圈、外圈、滚动体以及保持架组成，其基本结构如图1.4所示。轴承在工作状态下，因各种条件驱动产生振动信号，从来源上划分为内因与外因，如图1.6所示。图1.5轴承振动机理工厂环境恶劣，异物灰尘、电火花、过载等都会对轴承造成一定程度的损坏，即使出厂时符合标准的轴承，使用一段时间后，也可能会有所消耗而出现问题。轴承主要的故障形式有如下五种：疲劳、磨损、腐蚀故障、断裂、胶合。根据损伤位置的不同，轴承的初期故障主要归类为内圈故障、外圈故障和滚动体故障。当轴承出现故障时，故障诊断信号包含在其振动信号中，不同的轴承故障类型具有不一样的特征频率。因此通过采集其中的振动信号并进行处理，从处理后的信号中提取故障特征信息并计算出故障频率，就可以诊断出轴承故障类型。滚动体经过各零件产生的故障振动信号频率有：外圈故障特征频率：(2-6)内圈故障特征频率：(2-7)外圈故障特征频率：(2-8)式中，为中间轴旋转频率；d为滚动体直径；D为轴承直径；为接触角。1.3.3齿轮箱故障信号及分析图1.6齿轮四种不同状态的时域图图1.7轴承四种不同状态的时域图通常由传感器所采集的故障振动信号主要由故障冲击成分、噪