齿轮的振动机理与信号特征及故障诊断.docx

齿轮的振动机理、信号特征及故障诊断齿轮的振动机理与信号特征齿轮传动系统是个弹性的机械系统，由于结构和运动关系的原因，存在着运动和力的非平稔性。图I是齿轮副的运动学分析示意图。图中01是主动轮的轴心，02是被动轮的轴心。假定主动轮以3I作匀角速度运动，A、B分别为两个啮合点，则有0IA>01B,即A点的线速度VA大于B点的线速度VBo而O2<O2B,从理论上有32=VB,，O2B、3=VO2,则a2v33.然而A、B又是被动轮的啮合点，当齿轮副只有一个啮合点时，随若啮合点沿喷合线移动，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，这个弹性变形力随啮合点的位置、轮齿的刚度以及图I齿轮副的运动学分析齿轮岫合的特征频率：啮合频率从这个意义上说：齿轮传动系统的啮合振动是不可避免的。振动的频率就是哦合顿率。也就是齿轮的特征频率，其计算公式如卜;齿轮阶岫合频率%=而Z啮合频率的高次谐波=2,3,4,.n其中：N为齿轮轴的转速（min）;Z为齿轮的齿数。边领带由于传递的扭矩也演若岫合而改变，它作用到转轴上，使转轴发生扭振，而转轴上由丁键槽等非均布结构的存在，轴的各向刚度不同,刚度变动的周期与轴的周转时间一致，激发的扭振振幅也就按转轴的转频变动。这个扭振对齿轮的啮合振动产生了谢制作用，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。边频带也是齿轮振动的特征频率,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。可以说，边领带包含了齿轮故障的丰富信息。此外齿轮制造时所具有的偏心误差、周节误差、齿形误差、装配误差等，都能影响齿轮的振动。所以在监测低精度齿轮的振动时，要号虐这些误差的影响。站在故障诊断的实用立场上看，只要齿轮的振动异常超标，就是有故障，就需要处理或更换。所以大多数情况下，并不需要辨别是哪种误差所引起，只需判定能否继续使用。齿轮的故障分析方法I功率谱分析法功率谱分析可确定齿轮振动信号的频率构成和振动能量在各频率成分上的分布，是一种重要的领域分析方法。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f随机振动信号引起的一些“毛剌”现缴。图2某齿轮箱的功率谱图2为某齿轮箱的功率谱，分别用两种坐标绘出，无疑使用组性坐标效果要好得多。2边频带分析法边频带成分包含有丰富的齿轮故障信息，耍提取边频带信息，在频谱分析时必须有足够育的频率分辨率。当边频带谱线的间隔小于频率分辨率时，或谱线间隔不均匀，都阻碍边频带的分析，必要时应对感兴趣的频段进行频率细化分析（ZoOM分析），以准确测定边频带间隔，见图3。>a1.3,.，!:*1g1.4yc"4)t4.a）幅值谱：b）细化后的边频带图3工程实际应用的频谱图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（n=1.2.3）的频率关系，确定是否为一组边频带。如果是边领带,则可知道啃合频率/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根据边频带呈现的形式和间隔，有可能得到以下信息：当边频间隔为旋转频率/r时,可能为西轮儡心、齿距的缓慢的周期变化及我荷的周期波动等缺陷存在，齿轮每旋转一周，这些缺陷就出更作用一次，即这些缺陷的重发频率与该齿轮的旋转频率相一致。旋转频率/r指示出问题齿轮所在的轴。齿轮的点蚀等分布故障会在频谱上形成类似上述的边频带，但其边频阶数少而集中在啮合频率及其谐频的两侧（见图4）。齿轮的剥落、齿根裂纹及部分断齿等局部故障会产生特有的瞬态调制，在喷介频率其及谐频两测产生系列边带。其特点是边带阶数多而谱线分散，由于高阶边频的互相会加而使边频族形状各异。（见图5）。严重的局部故障还会使旋转图4以城/图5需要指出的是，由于边频带成分具有不稳定性，在实际工作环境中，尤其是几种故障并存时，边频族错综史杂，其变化规律难以用上述的典型情况表述，而且还存在两个轴的旋转频率分混合情况。但边频的总体水平是随着故障的出现而上升的。3倒频谱分析法对丁同时有数对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图，由丁每对齿轮啮合时都将产生边频带，几个边频带交叉分布在一起，仅进行频率细化分析识别边频特征是不够的。由于倒频谱将功率谱中的谐波族变换为倒频谱图中的单根谱线，其位置代表功率谱中相应谐波族（边频带）的频率间隔时间（倒频谱的横坐标表示的是时间间隔，即周期时间），因此可解决上述问题“图6是某齿轮箱振动信号的频谱，图6”的频率范用为0-20kHz,频率间隔为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。Mb1.1.:IWIi?HC.1.rr.ITrx“-rtS5图6倒频谱分析齿轮箱振动信号中的边频带图6b的频率范围为3.513.5kHz,猱率间隔为5Hz,能视察到很多边频带,但仍很难分辨出边频带,图6c的频率范围进一步细化为7.5-9.5kHz,频率间隔不变，可分辨出边须带，但还有点乱。若进行倒频谱分析，如图6d所示，能很清焚地表明对应于两个齿轮副的旋转须率（85HZ和50Hz）的两个倒领分殳Ai和BiK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敬感，以及对于幅值和频率调制的相位关系不敢感。这种不敏感，反而有利于监测故障信号的仃无，而不看垂某测点振幅的大小（可能由于传输途径而被过分放大4齿轮故障信号的领域特征均匀性磨损、齿轮径向间隙过大、不适当的齿轮游隙以及齿轮负荷过大等原因，将增加啮合频率和它的谐波成分幅值，对边频的影响很小。齿轮淋损的特征是，频谱上岫合频率及其谐波幅值都会上升,而高阶谐波的幅值增加较多，如图7所示OQ)X晶女,Ji2i3图7齿面磨损导致幅值上升趋势不均匀的分布故障（例如齿轮偏心、齿距周期性变化及栽荷波动等）将产生幅值调制和频率调制，从而在啃合频率及其谐波两侧形成幅值较高的边频带，边带的间隔频率是齿轮转速频率，该间隔频率是与有缺陷的齿轮相对应的。值得注意的是，对西轮偏心所产生的边带,一般出现的是下边带成分，即（n=1.,2,3,上边带出现的很少。齿面剥落、裂纹以及齿的断裂等局部性故障，将产生周期性冲击脉冲，啮合频率为脉冲频率所谓制，在啮合频率及其谐波两侧形成一系列边带，其特点是边带的阶数多而分散，见图5所示：而点蚀等分布性故障形成的边带，在啮合频率及其谐波两侧分布的边带阶数少而集中，见图4所示。这些边带随着故障的发展,其频谱图形也将发生变化。齿的断裂或裂纹，每当轮齿进入啮合时就产生一个冲击信号，这种冲击可激起齿轮系统的一阶或儿阶自振频率.但是,齿轮固有频率一般都为高频（约在IOkHZ范围内）,这种高频成分传递到齿轮箱时已被大幅度衰减，多数情况下只能在齿轮箱上测到啃合频率和调制的边频。轴承故障的影响，仅有齿轮啮合频率的振幅迅速升高，而边频的分布和幅值并无变化，甚至边频没有发育，则表明是轴承故障.附参考资料：齿轮故障的振动特征一、齿轮诊断的特点齿轮是旋转机械上的重要部件，其运行状态的好坏直接影响到整个机组的正常工作。所以，齿轮一直是现场监测诊断的重点。由于制造、安装、维护和工作环境等多种因素的影响，齿轮机构容易产生种种缺陷，图1列举了齿轮的儿种常见缺陷。通过监测诊断及时发现并排除齿轮的各种故障，确保机器正常运转十分必要。图1齿轮机构的几种常见缺陷（八）齿形加工误差(b)两齿轮轴不平行(c)齿轮堆端接触(d)齿轮磨损诊断齿轮故障有多种方法，其中最经典的方法是振动频谱分析.在对齿轮进行振动测量分析时，应注意下面几点：注意齿轮振动信号在传递途中存在严重衰减。由于齿轮结构布局的特点，测点远离故障源，齿轮的振动信号在传递途中要通过很长的路径。HP：齿轮一轴一轴承一轴承座一测点，在迂回曲折的传递途中，高频信号大多消失。所以在振动测量时，须认真搜索，仔细测量，尽量提高信噪比。结构发杂的齿轮箱，往往同时有几副齿轮对在运行，振源多，在振动频谱中包含有数个齿轮啮合频率及其调制转速频率，谱线密集，难以分辨，给识刈故障带来相当的难度，因此，需要使用分辨率较面的仪器.坚持定期监测，建立标准谱。齿轮早期故障的振动信号相当弱小，加之在传递途中能量损耗较大，给齿轮早期故障诊断增加了难度。所以最好对齿轮坚持定期监测，及早发现故障苗头。为了从领谱的变化中识别齿轮状态，应当建立齿轮在正常状态下的基准谱，以供判断齿轮状态(1只要将测野的齿轮振动信号频谱与基准谱进行比较，很容易发现频率结构的变化，分析谱图中原有频率的消长和新牛.频率的萌生情况，即可判断齿轮状态的变化，再结合其他相关信息即可判断齿轮的状态。Fr1.为输入轴（低速轴）转频：fr2为高速轴（输出轴）转频；fm为齿轮贴合频率二、齿轮振动信号的频率结构齿轮振动信号中包含着多种频率成分，其中主要的有3种：1 .齿轮啮合频率齿轮岫合频率伴随着齿轮的岫合运动而产生，在数值上它等于齿轮的齿数乘以旋转频率，即:=哈式中，fm为齿轮啮合频率（Hz）；fr为齿轮回转频率（Hz）：Z为齿轮齿数:n为齿轮转速（rmin）一对运行中的齿轮，不管处于何种状态，啮合频率总是存在的。且一对互相啃合的齿轮，其啮合频率对其中任何一个齿轮都是相等的。2 .齿轮自振频率凡是有缺陷的齿轮，在运行中将产生高电平脉冲，这通常会激起齿轮的白振频率（亦称固有频率）。自振频率的出现是齿轮失效的一个关键性指标。对于直齿圆柱齿轮，其自振频率按卜式计算：ZfI4式中，fc为齿轮自振频率（Hz）：k为齿轮副的弹簧常数：m为齿轮副的等效质量。其他类型齿轮的自振频率尚无计算方法，一般由试脸测定。齿轮固有频率一般为I-IOkHz,比滚动轴承的固有拣率要低一些，这种包含固有频率的高频振动当经过曲折的途径传到齿轮箱时一般已经衰减了，多数情况只能测到尚轮的曜台频率。3 .齿轮边频带（或称齿轮旁瓣）当齿轮存在故障时，由于载荷波动而产生幅值调制，因转速波动而产生频率调制。由此，在啮合频率或固有频率两旁产生一簇簇边频。其调制信号可因各种不同的缺陷而产生，如齿轮轮齿不均匀睹介，齿恻游隙超差，齿轮偏心较大，轮齿局部缺陷，齿轮载荷变化等.因此，这些齿轮的边领带就成了判断齿轮故障非常有价值的信息。4 .齿轮的其他频率成分齿轮振动信号中，有时还包含其他的频率成分，其中有因转了不平衡、轴不对中、机械松动等，造成的一系列的和频、差频分量，以及与在齿轮加工过程中存在的“鬼线”等.在这些频率中，有的频率成分与齿轮故障没有多大关系，甚至还对识别齿轮故障带来了干扰。所以，须充分了解各种振动信号的频率特性和产生的根源。三、齿轮诊断常用频谱分析方法功率谱分析：这是现场诊断应用最多的一种频谱分析方.法。在理论、实用上都比较成熟。采用功率谱分析，对齿轮大面积磨损、点蚀等故障的诊断效果很好,而对局部故障敏感性较差。细化谱分析：采用细化谱分析的目的是为/提而分辨率，有助丁识别齿轮的边频结构，常常用来作为功率谱的辅助分析手段。倒谱分析：这也是诊断齿轮的常用方法，对识别齿轮边频结构很有效。另外,例谱分析对齿轮信号的传递路径不甚敏感，这为选择测点提供了方便。如果仪器的信噪比较而，采用倒谱分析效果更好。