故障诊断6齿轮箱监测与诊断

0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1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。6.2.2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（不同周、不对中）及齿轮的不平衡等异常现象。26.2.3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3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。5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6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。7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和转速齿数和重叠系数等有关的参数振动。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：8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。9齿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（n＝1,2,…），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（m＝1，2，…），其频谱如图2所示。10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引起，工作载荷对其影响小；11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。12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；13齿轮的振动诊断原理14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，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(2πfct+φ)调制信号为βsin(2πfzt)则频率调制后的信号为f(t)=Asin［2πfct+βsin(2πfzt)+φ］：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：15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。1617186.4、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196.4.2边频带分析法

边频带成分包含有丰富的齿轮故障信息，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，确定其调制信号频率，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20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fg

±nfr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fg和调制信号频率fr；二是比较各次测量中边频带幅值的变化趋势。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21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226.4.3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23

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24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257、齿轮故障诊断案例实例一：齿轮箱诊断试验267、齿轮故障诊断案例实例一：齿轮箱诊断试验图1n=1440r/min(24Hz)时，三个测量加速信号277、齿轮故障诊断案例实例一：齿轮箱诊断试验图2n=1440r/min(24Hz)时，通道1测量加速信号幅值谱287、齿轮故障诊断案例实例一：齿轮箱诊断试验图3n=1440(24Hz)r/min时297、齿轮故障诊断案例实例一：齿轮箱诊断试验图4=3264r/min(54.4)Hz时，三个通道测量信号307、齿轮故障诊断案例实例一：齿轮箱诊断试验图5=3264r/min(54.4)Hz时，三个通道测量信号的幅值谱317、齿轮故障诊断案例实例一：齿轮箱诊断试验图6n=3264(54.4)r/min时327、齿轮故障诊断案例实例二：

某大型炼胶机高精度重载荷硬齿面齿轮齿轮减速箱，电动机功率为2×400kW，实测转速n＝732rpm，传动示意图如图1所示，各轴转频及齿轮各级啮合频率计算如表1所示。图1

炼胶机齿轮箱传动示意图337、齿轮故障诊断案例实例二：

某大型炼胶机高精度重载荷硬齿面齿轮齿轮减速箱，电动机功率为2×400kW，实测转速n＝732rpm，传动示意图如图1所示，各轴转频及齿轮各级啮合频率计算如表1所示。347、齿轮故障诊断案例实例二：357、齿轮故障诊断案例实例二：可判断轴5上的齿轮8(齿数Z8=28)存在早期故障。停机检修时，发现该齿轮的第3齿和第11齿存在轻微齿根裂纹367、齿轮故障诊断案例实例三：张家口宣龙高速线材公司2006年9月，发现精轧22#轧机辊箱振动增大。图1是传动系统图。图1高线精轧机传动系统图Z5/Z6379月14日的频谱图调出这一期间的在线监测与故障诊断系统的趋势图和频谱图。在9月14日的频谱图上明显看到Z5/Z6的啮合频率谱线。见图2。图29月14日的振动频谱图38特征频率表特征频率表1（22#轧机转速为1047r/min，谱图数据）由特征频率表可见，22架辊箱的Z5/Z6啮合频率（1072.6Hz）幅值在9月14日为1.71m/s2，其两侧有较宽的边频带，间隔为35.085Hz，与锥箱II轴的转频（34.603Hz）基本一致。序号故障信号频率(Hz)计算特征频率(Hz)振幅绝对误差（Hz）相对误差%可信度%故障部位及性质分析11037.5981037.5931.2810.0050100Z5/Z6啮合频率－锥箱II轴转频21072.6831071.7731.7110.910.085100Z5/Z6啮合频率31105.9571105.9530.9460.0040100Z5/Z6啮合频率＋锥箱II轴转频42143.5552143.5461.9620.00901002倍Z5/Z6啮合频率39诊断结论：从图2的频谱图上可看出，22#辊箱Z5/Z6啮合频率幅值比较突出且有上升趋势，在其两侧有边频出现，边频间隔分别为35.085Hz，与锥箱II轴的转频（34.603Hz）基本一致，说明22锥箱

II轴上的齿轮存在故障隐患。从图2的时域波形中可以看出有轻微的周期性冲击信号，冲击周期为0.028S，相应频率为(1/0.028=35.71Hz)，正好为22架锥箱II轴的转频(36.85Hz)一致，这表明问题就出在22架锥箱II轴的齿轮上。建议厂方立即对22架锥箱II轴上的齿轮Z5（31齿）进行检查。40事后复核

厂方于2006年11月份对拆卸下的精轧22架进行检查，发现锥箱II轴上Z5(31齿)齿轮打齿（见图3和图4），与诊断分析结论相符。当时厂方曾进一步问过：估计是什么性质的故障，能否继续生产？因为除了初期（9月14日及以后几天）边频带较宽，后期边频带有所收窄，加上振幅并不很高。所以判定为出现较严重的斑剥。在工程上，齿轮出现点蚀、斑剥，厂方都会选择继续使用。整个10月都看着振幅缓慢上升，直到11月份，换轧钢品种，才停产打开。因为是斜齿轮的缘故，所以振幅没有像直齿轮那样强烈。图3图4412006年4月，宣化钢铁公司棒材厂10#轧机齿轮箱的振动有点异常。查看在线监测故障诊断系统的4月23日的频谱图（图5）和特征频率表。图510#轧机200604231200输出端频域图形实例四：HBIS（河北钢铁集团）宣化钢铁集团有限责任公司42特征频率表

特征频率表2

分析：时域图形有冲击现象，但是图5的频域图形中轴频并不高，Z3/Z4齿轮的啮合频率出现了多次谐波，其3倍频达到了7.80m/s2。边频窄，判断为齿轮点蚀。序号故障信号频率（Hz）计算特征频率（Hz）振幅绝对误差(Hz)相对误差%可信度%故障部位及性质分析1236.3233.51.722.81.2090Z3/Z4啮合频率2472.74670.465.7