机器振动特征分析(3)齿轮讲解

1、q 齿轮故障 q 皮带传动问题 机器振动特征分析（3） 齿轮振动的特点 啮合频率(齿数X转速) 啮合频率(GMF)不像轴承故障频率那样重要，所有啮合的 齿都产生一定幅值的啮合频率，所有啮合频率都有一定幅 值的齿轮转速的边带。 如果齿轮状态良好，并且彼此良好配合(没有明显的不对 中，齿轮游移或齿轮偏心)，则啮合频率(GMF)及其谐波频 率和那些边带频率的幅值应该很小，尤其是那些边带。 振动分析可检测齿轮的故障 齿的磨损 齿承受过大负载 齿轮偏心或齿隙游移 齿破裂或断齿 齿轮组合状态问题 追逐齿问题 齿轮振动测量位置选择齿轮振动测量位置选择 在每个可接近的轴承座进行振动测量，传感器应该尽可能固定在

2、靠 近轴承承。通常是只能在距轴承有一定距离的地方测量，这种情况 下，应确保框架或内部腹板直接连到轴承座上，在这些地方布置传 感器并尽可能接近。 在三个方向(HVA)进行振动测量，尤其是当齿轮主要在一个方向产生 力，或者由于负载变化，每次监测可能不一样的情况下。 伞齿轮，两级减速齿轮 箱测量典型设置 齿轮振动测量方向和参数设定齿轮振动测量方向和参数设定 l 螺旋，斜齿和伞齿轮，产生明显的轴向振动，最佳的监测 位置往往在轴向。 l 对直齿圆柱齿轮，在径向评定最好，但有时可能会存在明 显的轴向振动，尤其是齿的对准有问题时。 l 频率范围Fmax=3.25 X GMF，经常遇到GMF处没有什么振 动，

3、但在2GMF或3GMF处出现比GMF基频大得多的振动 l 多数PMP中，在每个齿轮位置进行两个频率范围的测量， 用低频范围评定不平衡、不对中、松动和电气故障等，用 另一高频范围评定齿轮的状态 齿轮振动特征频率 齿轮正常振动频谱 已知齿轮的齿数时，建议Fmax设定为3.25XGMF(最低)， 如果不知道齿数，Fmax设定为轴的转速的200倍。 高速齿轮和低速齿轮的转速 啮合频率(GMF)和非常小的 啮合频率的谐波频率 啮合频率(GMF)通常两侧有 高、低速齿轮的转速频率边 带 所有尖峰值都很小，没有激 起齿轮的自然频率。 齿轮磨损故障 激起齿轮的固有频率 (Fn)和在此齿轮共振频率两侧伴有磨损的

4、齿 轮转速边带。 当齿磨损明显时，GMF两侧边带的幅值增高并且数增增多，但GMF 的幅值可能变化也可能不变化。边带是更好的齿磨损指示。虽然 GMF的幅值是可以接受的，但是2XGMF或3XGMF(尤其是3XGMF)的幅 值经常很高。 齿轮承受大的负载 GMF往往对齿的负载非常敏感。GMF幅值高未必一定指示 有故障，尤其是如果边带幅值较小，没有激起齿轮自然 频率的时候。 每次测量分析都应该在系统处于最大负载。 齿轮偏心和齿隙游移 激起齿轮自振频率和啮合频率，也可能在自振频率和啮 合频率两侧产生许多偏心齿轮1X转率的边带。 如果偏心齿轮与啮合的齿轮一起被强制压向齿底下的话， 偏心的齿轮可产生很大的应

5、力和振动。 齿轮不对中 激起第二阶或高阶GMF的谐频。往往只显示小的1XGMF的幅值，但是 2XGMF或3XGMF的幅值较高。 2XGMF两侧常伴有2X转速频率边带。 由于齿不对中，GMF及其谐频的左右两侧边频的幅值不等，由不均匀 磨损引起。 齿轮裂纹或断齿 齿轮1X及齿轮自振频率，齿轮自振频率两侧的齿轮转 速边带高。 不平衡的齿轮也会引起1X转频振动大。时域波形分析 可帮助确定是不平衡还是齿轮的断齿问题 状态良好的齿轮显示平稳的正弦波 （假定轴承没有问题） 裂、破碎或断齿，每次进入和退出 啮合时，产生一个明显的冲击。观 察时域波形，可以确定故障是齿轮 的齿或是滚动轴承故障等冲击事件 造成的。

6、 齿轮组合状态问题 例如：低速齿轮齿数为15，高速齿轮齿数为9。产生三种不 同的磨损图象： 低速齿轮的齿号将接触高速齿轮的齿: 1-10-4-13-7 1-7-4 2-11-5-14-8 2-8-5 3-12-6-15-9 3-9-6 第一种组合为: 低速齿轮1#齿与高速齿轮l#齿啮合。低速齿轮1#齿将只 能与高速齿轮的l#，7#和4#齿啮合。低速齿轮l#齿不可能 与高速齿轮的其他齿啮合。 第二种组合： 低速l#齿与高速2#齿啮合。则低速l#齿将只能与高速 2#。8#和5#齿啮合不可能与其他高速齿啮合。 第三种组合： 低速l#齿与高速3#齿啮合，则低速l#齿将只能与高速 3#，9#和6#齿啮合

7、，不可能与高速齿轮的其他齿啮合。 齿轮组合状态问题 如果这对齿轮开始组装低速1#齿和高速1#齿啮合，下次重新安装时，变为 低速1#齿与高速2#齿啮合。那么将产生一种新的磨损图象。这时，啮合频 率fm很明显，还有13啮合频率分量，原来的磨损图象与新产生的磨损图 象相互作用造成复杂的啮合结果，形成许多和频及差频幅值和频率调制。 齿轮组合状态通过频率：齿轮组合状态通过频率：fa=fm/Na fa=fm/Na 齿轮组合状态中的NA等 于大齿轮齿数和小齿轮 齿数的最大公约数。 齿轮组合状态问题 齿轮组合状态频率(GAPF)可产生齿轮啮合频率的分数倍频率(如果NA 大于1)。这意味着(TpNA)齿轮的齿将

8、接触，产生NA个磨损图象。 如果齿轮有制造缺陷，则将出现齿轮组合状态频率(GAPF)或其谐频。 如果污染颗粒通过齿轮啮合，导致吸入污染颗粒的齿进入和退出，啮 合中或者重新定位齿轮时使啮合的齿损坏，于是在定期监测的频谱中 突然出现齿轮组合状态频率(GAPF)。 追逐齿问题 如果低速齿轮和高速齿轮都有故障，高、低速齿轮的各自的故障同 时进入啮合时，将对振动产生最大的影响，这就是追逐齿频率。 追逐齿频率非常低，一般低于20Hz。常规传感器及频谱仪难以检测， 需要低频检测。 追逐齿故障 大齿轮和小齿轮的故障可能在制造时造成的，或由于错误的处理， 或在现场造成的。 有这种齿故障的齿轮装置通常由于松动发出

9、“轰鸣”声。有故障的 小齿轮的齿和大齿轮的齿两者同时进入啮合时发生最大效应。(在 某些传动中，可能仅每10到20转出现一次)。 追逐齿频率调制啮合频率(GMF)和齿轮转速频率。 磨煤机减速机齿轮磨损 磨煤机减速机齿轮磨损 磨煤机减速机齿轮不对中磨煤机减速机齿轮不对中 磨煤机齿轮啮合问题磨煤机齿轮啮合问题 齿轮故障分析举例齿轮故障分析举例 2级螺杆式空压机传感器测点布置 齿轮故障分析举例 两级螺杆式压缩机。其结构包括一个驱动大齿轮、在低压级和高压级 上的两个从动齿轮、及两对用于齿轮润滑的带动油泵的传动齿轮组成。 齿轮已经磨损了的特征之一是啮合频率成分1XGMF及其谐频幅值增大， 然而，啮合频率成

10、分的幅值有时随着负荷的变化而大幅度变化。 齿轮磨损齿轮负荷增大 齿轮故障分析举例 当GMF幅值增加的同时，GMF周围的边频带数量也增加。这些边频 带间隔是齿轮的转速频率。如图有3个峰，分别是齿轮油泵的啮合频 率OPMF及其谐频2X OPMF和3X OPMF。 注意，只在2X OPMF两侧有4个边带频率成分是存在，其间隔频率近 似为2719 RPM，为油泵驱动轴的转速频率。 齿轮故障分析举例 当齿轮状态良好，相互啮合的两齿轮对中良好，那么，1X GMF 成分的幅值与2X GMF和3X GMF的幅值相比是最高的。 通常在1X GMF两侧也只有一簇边带存在，间隔为每个齿轮的转 速RPM。 如图，齿数

11、为55的齿轮工作转速为1780 RPM，齿数为36的齿轮工 作转速为2719 RPM，为油泵轴的工作转速。该对齿轮的啮合频率 为（GMFop）97900CPM（55X1780RPM）。 处于完好状态的 齿轮啮合 齿轮故障分析举例 而在2X OPMF周围有4个边频带存在，每个边频带都是以油泵的转速频率 2719 RPM相间隔，又由于1X OPMF幅值和3X OPMF的幅值都较低，结论， 油泵齿轮的对中情况可能出现了问题。 解体检查发现，由磨损痕迹可清楚看出，油泵的负荷只是由每个齿轮全 部齿宽的25%到30%传递的。检修修正了齿轮的对中情况，从而大大增加 了油泵的工作寿命。 齿轮不对中 齿轮故障分

12、析举例 在就近的另一台相同结构的压缩机上、相同位置处测量的频谱图进 行比较，可见其2X OPMF（59565 CPM）的幅值是相当低的。 频谱比较和包络报警 齿轮故障分析举例 在齿轮磨损初期，通过啮合频率的3X可检测得到齿轮的磨损问题， 不仅3X GMF幅值的显著增加，同时它周围的边频带的幅值也大幅度 增加，在接下去的检测中，3X GMF周围边频带数量越来越多。 如果有一个以上的齿轮对出现磨损问题，那么在啮合频率两侧就会 有边频带出现，是每个已经磨损齿轮的工作转速。 例如，在高压级齿数为32和齿数为48的配对齿轮出现磨损问题， 那么在高压级两啮合齿轮的啮合频率为366171 CPM（GMFhp

13、）及其 谐频的两侧就会出现具有32个齿的11443 RPM的边频带和具有48个 齿的7629 RPM的边频带。 皮带传动问题 检测皮带轮振动时注意事项 1. 最好按图所示的方向测量皮带轮 径向方的振动。 影响皮带传动机器振动的最主要的三个因素： 皮带轮的对中； 皮带轮同心度； 1. 皮带轮结构和接触方法。 可调整的V-皮带轮由于调整不当会引起过大的振动，造成皮带和 皮带轮过早损坏。由于两皮带轮间不能相互间保持平行，在工作 中，皮带轮每转一圈，皮带一会在皮带轮上部，一会在皮带轮下 部，导致皮带张力不断变化，引起较大的皮带振动，加速皮带和 皮带轮的磨损。 另一个引起振动的重要因素是皮带轮偏心。大多

14、数用于一般皮带 传动的皮带轮，与其它部件相比，都存在一定程度的偏心问题， 结果引起较大的振动，引起皮带在每转中长度和张力的变化。 V型皮带传动装置常被认为是振动问题的原因（？），事实上，皮 带的振动只是因为如不平衡、不对中、机械松动等其它故障的响 应。当存在这些故障时，它们在皮带上引起大的振动，而皮带装 置本身并不是故障的根源。 检测皮带轮振动时注意事项 皮带松动/磨损或不匹配问题 皮带磨损问题振动特征：频谱图中出现皮带振动频率的皮带振动频率的3 3、4 4次谐频，次谐频， 通常通常2 2皮带振动频率占主导。皮带振动频率占主导。此外，皮带磨损有时会抬高亚同步 频率范围内的基线振动值。如果皮带转

15、速频率的某谐频比较靠近驱 动轮转频或被驱动轮转频时，可能会引起振动的不稳定。 皮带转速频率= 3.14x皮带轮RPMx皮带轮节圆直径 皮带长度 皮带转速频率的计算公式： 皮带松动/磨损或不匹配问题 有损伤的皮带在皮带拉紧的方向上出现较大的皮带转速频 率的振动。 其它皮带问题使皮带在皮带轮槽内上、下摆动，皮带张力 不断发生变化引起皮带转速频率的振动增大。 带齿的皮带如果产生松动问题会出现皮带齿数RPM较 大的振动。 多根V-皮带驱动如果每根张力不均匀会出现较高的轴向振 动。 磨损松动或错配的皮带会引起较高的径向振动，特别是在 皮带张紧方向。 皮带/皮带轮不对中问题 皮带传动中主要的振源之一是驱动

16、和被驱动轮之间的 不对中问题，许多皮带振动问题在皮带轮之间采取了 对中措施而使振动得以消除。 皮带/皮带轮不对中的振动特征 皮带不对中常引起轴向方向振动，加速止推轴承的磨损。 皮带或皮带轮不对中一般产生1RPM振动，尤其是在轴向方向占 主导，驱动轮与被驱动轮的振动大小，取决于数据采集点的质量 和框架的刚度。 通常由于皮带轮不对中的存在，在电机侧轴向方向的振动是风机 的转频，而在风机侧轴向振动侧是电机的转频 皮带轮偏心的振动特征 皮带轮偏心或皮带轮不平衡都会引起较大的1RPM频率振动 最大振动幅值通常在两个皮带轮的连线方向，在驱动与被驱动皮 带轮上都有显示 与动不平衡不同，偏心的皮带轮引起的振动

17、是高度定向的，它在 水平和垂直方向的振动相位同相或相差180 由于偏心皮带轮的高度定向振动，所以它不可能通过平衡加配重 的方式得到修正。 皮带共振问题 同自然界任何其它物体一样，皮带也有它自身的 自振频率，其大小取决于它的刚度和质量，以及在工作 中所引起的变形程度。皮带的自振频率的测定，可以简 单地对皮带施加拉伸后释放，然后测量它的响应。 皮带共振的振动特征 如果皮带自振频率非常接近驱动轮或被驱动轮的1 X转 速频率，将产生很大的皮带拍打声，尤其在皮带张力 侧，此拍打声相应于皮带自振频率。 皮带轮转速不仅可激起皮带共振，如果皮带轮转速谐 波频率与其共振频率一致，也会激起共振。 皮带共振频率振动的幅值和相位是不稳定的。 改变皮带张