设备故障诊断方法6齿轮箱监测与诊断课件

1、设备故障诊断方法6齿轮箱监测与诊断课件设备故障诊断方法6齿轮箱监测与诊断课件2教学内容第六章 齿轮箱的监测与诊断6.1 齿轮副的特点6.2 齿轮和齿轮箱的失效形式和原因6.3 齿轮的振动诊断原理6.4 齿轮和齿轮箱的监测和诊断方法6.5 齿轮箱故障的振动诊断实例6.6 其他分析方法简介4教学内容第六章 齿轮箱的监测与诊断6.1 齿轮副的特点6.3教学内容 重点与难点 齿轮箱失效的基本形式及其失效原因分析；齿轮箱的简易诊断； 学习目标 掌握齿轮箱的故障特征频率的计算及其频谱特征；了解齿轮箱的失效形式、原因，及其故障频率特征；齿轮箱的其他监测诊断方法，如复包络谱分析法、时序平均法等。学会用时域分析

2、法、简易诊断法和精密诊断法，如频谱分析法及倒频谱分析法等，分析齿轮箱的各种故障，其产生各故障的原因。齿轮箱的振动监测、故障频率特征与精密诊断；5教学内容 重点与难点 齿轮箱失效的基本形式及其失效原因分析465齿轮故障机理6.1、齿轮故障机理认识齿轮及齿轮箱的工作特征7齿轮故障机理6.1、齿轮故障机理认识齿轮及齿轮箱的工作特征6齿轮和齿轮箱的失效形式和原因6.2.1 制造引起的缺陷6.2、齿轮和齿轮箱的失效形式和原因 齿轮箱的各类零件中， 失效比例分别为：齿轮60%，轴承19%，轴10%，箱体7%，紧固件3%；油封1%。 制造缺陷包括偏心、周节误差、基节误差、齿形误差等典型误差，见图6-5。6.

3、2.2 装配误差引起的缺陷 由于装配技术和装配方法等原因，通常在装配齿轮时造成“一端接触”和齿轮轴的直线性偏差（不同轴、不对中）及齿轮的不平衡等异常现象。8齿轮和齿轮箱的失效形式和原因6.2.1 制造引起的缺陷6.76.2.3 运行中产生的故障故障类型和失效比例 损伤发生的概率如下：齿的断裂41%;齿面疲劳31%；齿面磨损10%；齿面划痕10%；其他故障8%。齿轮和齿轮箱的失效形式和原因96.2.3 运行中产生的故障故障类型和失效比例 损伤发8故障原因和特点齿的断裂齿面磨损或划痕：粘着磨损；磨粒磨损与划痕；腐蚀磨损；烧伤；齿面胶合。齿面疲劳（点蚀与剥落）齿面塑性变形齿轮和齿轮箱的失效形式和原因

4、10故障原因和特点齿的断裂齿面磨损或划痕：粘着磨损；磨粒磨损9问题：1、掌握齿轮的结构，并用自己理解的齿轮结构把齿轮表示出来（在图中标注基圆，分度圆，齿顶齿根圆等），写出齿轮的参数？2、齿轮箱失效的基本形式及其失效原因分析？11问题：10齿轮的振动诊断原理6.3、齿轮的振动诊断原理 由于制造、安装及轮齿刚度等问题，齿轮运行中会产生振动。温度、润滑油中磨损物的含量及形态、齿轮箱的振动及辐射的噪声、齿轮传动轴的扭转振动和扭矩、齿轮齿根应力分布等从各个角度反映故障的信息。6.3.1 啮合齿轮副的振动分析直齿轮的啮合刚度式中 fz为啮合频率，fz=Zfr,Z为齿轮齿数，fr为齿轮旋转频率。12齿轮的振

5、动诊断原理6.3、齿轮的振动诊断原理 11齿轮系的传动误差式中 fe为传动误差的基频。齿轮的振动诊断原理13齿轮系的传动误差式中 fe为传动误差的基频。齿轮的振动诊12齿轮的振动诊断原理齿轮系的传动频率组成模型 当基础激励不为零时会出现多组频率，sfz-rfe和sfz+rfe称为啮合频率fz的边频。 把齿轮视为刚体仅考虑轮齿、轴的弹性，将齿轮视为弹性圆盘。如果将转轴视为弹性体，还会产生很多固有频率，并产生相应的共振。14齿轮的振动诊断原理齿轮系的传动频率组成模型 当基础激13齿轮的振动诊断原理6.3.2 齿轮诊断的特征频率 齿轮传动中啮合刚度的周期性变化引起与振动频率、转速、齿数和重叠系数等有

6、关的参数振动。基于齿形误差的随机激励，可能引起齿形弹性系统的共振，当齿形出现故障时，振动加剧并产生新的频率成分齿轮的特征频率。1）轴的转动频率及其频谱轴的转动频率：谐频：2）啮合频率及其频谱定轴转动齿轮啮合频率：有固定齿圈行星轮系啮合频率：15齿轮的振动诊断原理6.3.2 齿轮诊断的特征频率 14齿轮的振动诊断原理振动频率随转速变化而变化；齿轮以啮合频率振动的特点振动展开为傅里叶级数后，一般存在啮合频率的基频；当啮合频率或其高阶谐频接近或等于齿轮的某阶固有频率时，齿轮产生强烈振动；由于齿轮的固有频率一般较高，但是振幅小、噪声大。16齿轮的振动诊断原理振动频率随转速变化而变化；齿轮以啮合频15齿

7、轮的振动诊断原理正常齿轮的振动特点(1)时域特征正常齿轮由于刚度的影响，其波形为周期性的衰减波形。其低频信号具有近似正弦波的啮合波形，如图1所示。(2)频域特征正常齿轮的信号反映在功率上，有啮合频率及其谐波分量，即有nfc（n1,2,），且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小；同时，在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波mfr（m1，2，），其频谱如图2所示。17齿轮的振动诊断原理正常齿轮的振动特点(1)时域特征16齿轮的振动诊断原理3）隐含成分隐含成分（鬼线）：分布在啮合频率附近的，由加工过程中滚齿机给齿轮带来的周期性缺陷。隐含成分的特点由周期性缺陷引起，振动频谱存在高阶；隐含成分由几何误差

8、引起，工作载荷对其影响小；18齿轮的振动诊断原理3）隐含成分隐含成分（鬼线）：分布在啮17齿轮的振动诊断原理4）边频带边频带：啮合频率或高阶谐频附近存在的等间距频率成分。主要原因是振动信号的调制。19齿轮的振动诊断原理4）边频带边频带：啮合频率或高阶谐频附18齿轮的振动诊断原理齿轮啮合振动信号齿轮偏心啮合时的振动信号 偏心啮合时两齿轮的中心距 幅值调制；20齿轮的振动诊断原理齿轮啮合振动信号齿轮偏心啮合时的振动信19齿轮的振动诊断原理21齿轮的振动诊断原理20齿轮的振动诊断原理频率调制和相位调制； 齿轮载荷不均匀、齿距不均匀及故障造成的载荷波动，除了对振动幅值产生影响外，同时也必然产生扭矩波动

9、，使齿轮转速产生波动。这种波动表现在振动上即为频率调制（也可以认为是相位调制）。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 。 若载波信号为Asin(2fct+)调制信号为sin(2fzt)则频率调制后的信号为f(t)=Asin2fct+sin(2fzt)+ ：用贝塞尔（Besser）函数展开，得到调频信号的特性：调频的振动信号包含有无限多个频率分量，并以啮合频率 fc为中心，以调制频率 fz为间隔形成无限多对的调制边带 ：22齿轮的振动诊断原理频率调制和相位调制； 齿轮载荷不均21齿轮的振动诊断原理幅值调制与频率调制或相位调制同时存在的综合频谱。 23齿轮的振动诊断原理幅值

10、调制与频率调制或相位调制同时存在的22问题：1、齿轮的特征频率计算公式是什么？ 2、描述调制现象和边频带产生的原因？答、1提示：啮合频率，边频带频率。 2提示：不同故障会产生不同的调制形式，那些能引起幅值变化的产生幅值调制，能引起频率或相位变化的产生频率调制。 幅值调制是由于传动系统转矩的周期性变化引起的，例如齿面上载荷波动、齿距的周期性变化、轮齿负载的灵敏度不同、齿轮基圆或节圆足以与旋转中心之间的偏心等因素，均可产生扭矩的周期性变化，这些因素反映在轮齿上是周期性的啮合力变化，时而加载，时而卸载，形成幅值调制。此外，轮齿表面的局部性缺陷（如裂纹、断齿、剥落等）和均布性缺陷（如点蚀、划痕等）也会

11、产生幅值调制效应。经幅值调制后的信号中，除了原有的啮合频率 fm 之外，还增加了一对啮合频率与旋转频率的和频（ fm + f r）与差频fm - f r ）。在频率域上，它们是以 fm 为中心，以fr为间隔距离，以幅值为AB/2对称地分布于 fm 的两侧，称为边频带，简称边带。 齿轮的转速波动、因加工中分度误差而导致齿距不均匀、轮齿产生周期性的周节误差、齿轮轴偏心引起啮合速率的变化、周期性转矩（负荷）变化引起的速度变化等因素均可引起频率调制现象。还有齿面压力波动，在产生调幅现象的同时，也会造成扭矩波动，导致角速度变化而形成频率调制。在频谱图上以载波频率f m为中心，以调制频率f r为间隔，形成

12、对称分布的无限多对调制边频带。 边频带是齿轮振动的一种特征频率，啮合的异常状况反映到边频带，会造成边频带的分布和形态都发生改变，边频带包含了齿轮故障的丰富信息。24问题：1、齿轮的特征频率计算公式是什么？答、1提示：啮合236.4、齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法6.4.1 功率谱分析法 齿轮箱的运转会产生振动和噪声，故障的系统会加剧振动和噪声通过分析振动和噪声信息可以发现潜在故障。 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。齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法256.4、齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法6.4.1 功率谱分246.4.2 边频带分析法 边频带成分包含有丰富的齿轮故

13、障信息，可对感兴趣的频段进行频率细化分析，以准确测定边带间隔，确定其调制信息频率，从而确定产生故障的根源。齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法266.4.2 边频带分析法 边频带成分包含有丰富的齿25边频带分析方法当边频间隔为旋转频率fr时，可能为齿轮偏心、齿距的缓慢的周期变化及载荷的周期波动等缺陷存在，齿轮每旋转一周，这些缺陷就重复作用一次，即这些缺陷的重复频率与该齿轮的旋转频率fr一致； 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 f g n f r的频率关系，确定是否为一组边频带。如果是边频带，则可知道啮合频率 f g和调制信号频率 f r；二是比较各次测量中边频带幅值的变化趋势

14、。齿轮的点蚀等分布故障会在频谱上形成边频带，但其边频阶数少而集中在啮合频率及其谐频的两侧；齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法27边频带分析方法当边频间隔为旋转频率fr时，可能为齿轮偏心26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，在啮合频率其及谐频两侧产生一系列边带。其特点是边带阶数多而谱线分散，由于高阶边频的互相叠加而使边频带族形状各异；齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法28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276.4.3 倒频谱分析法 有数对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图，由于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

15、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，因此可解决上述问题。齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法296.4.3 倒频谱分析法 有数对齿轮啮合的齿轮箱振动28 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敏感，以及对于幅值和频率调制的相位关系不敏感，分析时可以不看某测点振动的大小（可能由于传输途径而被过分放大），这种不敏感反面有利于监测故障信号的有无。齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法30 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29齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法6.5.1 声音诊断法6.5、其它分析方法 振动和噪声联系密切，振动反映低频，噪声反映高频。低频振动通过传感器直接测量，高频振源信号通过噪声分析a、b正常齿轮噪声幅值谱和功率谱；c、d严重磨损齿轮噪声幅值谱和功率谱31齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法6.5.1 声音诊断法6.530