齿轮故障振动诊断技术

7-3齿轮故障振动诊断技术7.3.1概述齿轮传动在机械设备中应用很广，齿轮损伤是导致设备故障的重要原因，据统计在齿轮箱中齿轮损坏的百分比最大，约占60%。并且齿轮损伤造成的后果也十分严重，所以开展齿轮状态监测与故障诊断具有重大的实际意义。一、齿轮常见故障传动齿轮常见的故障按产生的原因划分有以下几种。（1）齿面磨料磨损润滑油不清洁、磨损产物以及外部的硬颗粒侵入接触齿面都会在齿面滑动方向产生彼此独立的划痕，使齿廓改变，侧隙增大，甚至使齿厚过度减薄，导致断齿。（2）齿面粘着磨损重载、高速传动齿轮的齿面工作区温度很高，如润滑不好，齿面间油膜破坏，一个齿面上的金属会熔焊在另一个齿面上，在齿面滑动方向可看到高低不平的沟槽，使齿轮不能正常工作。（3）齿面疲劳磨损疲劳磨损是由于材料疲劳引起，当齿面的接触应力超过材料允许的疲劳极限时，在表面层将产生疲劳裂纹，裂纹逐渐扩展，就要使齿面金属小块断裂脱落，形成点蚀。严重时点蚀扩大连成一片，形成整块金属剥落，使齿轮不能正常工作，甚至使轮齿折断。晃（烫4沸）难轮齿断裂恒轮齿如同悬单臂梁，根部近应力最大，残且有应力集挣中，在钱变载荷作用拴下应力值超穴过疲劳极限崇时，根部要帖产生疲劳裂火纹，聋裂纹逐渐扩谅大就要产生坝疲劳断裂。扫轮齿工作时征由于披严重过载才或这速度急剧变锣化卵受到冲击载健荷作用，齿喜根危险截面涛的应力值超咽过极限就要舱产生过载断券裂。属传动齿轮的兆常见故障按纲分布特征划誓分有以下两蚊种。匠（究1闯）传分布故障赠齿轮损伤分嘱布在所有轮炊齿的齿面上根，如想磨料磨损付等。蚂（叛2符）络局部故障眉齿轮损伤只爽在一个或几玩个轮齿上，箭如看剥落帜、舍断齿桐等。最二、齿轮监乒测诊断方法潮监测诊断齿剧轮工作状态只的方法大体牧分肤两之大齐类：期第军一类是采集牺运行中的动派态蜡信息（一般察是振动或噪抖声）根据它响们的变化进温行诊断劈；傍第二棕类是对润滑赛油进行分析猪，根据油中父磨损产物的背状况进行诊团断纯。曲在这里携只介绍根据顷振动信号监隶测诊断齿轮还状态的方法乒。冲齿轮振动监总测时，由于煌实际上的种隔种困难，一荣般都把歪传感器幕布置在齿轮赢箱的轴承盖贺上或轴承座甜附近刚性好济的部位，所耻以传感器的孟输出不仅有慕被监测齿轮值特定周期的板振动信息，雕还有许多躬其它齿轮祝等驻零件箩的周期振动退信息和晓随机振动信布息革，而且被监悼测齿轮的振职动信息由于沫传递环节兔多，损失还恒很大（特别揪是高频成分罪）。因此，善齿轮振动监柏测需要完善剖的信号分析每技术才能仍排键除础干扰，得到小被监测齿轮沃的振动信号坦。这一过程均很难由一个贵简单仪器实平现，所以影至今还没有顺专门的齿轮支诊断仪问世罢。抹挽宪泻齿轮振动分爽析离齿轮有误差野、轮誉齿不是刚体遵，即使是栏合格的一对塌新齿轮在啮饰合运行时也谊要产生振动跟，所以研究干齿轮振动机逃理，掌握齿梁轮故障振动构特点具有十如分重要的意祸义。燃一、轮齿刚尺度变化和齿厕轮误差引起吹的振动（齿切轮的基本振脖动）芽1袄．齿轮啮合券的数学模型绢齿轮具有一恐定质量，轮诚齿可看成弹恶簧，一对齿宾轮副可看成分一个振动系大统，其力学元模型如芬图例7可－色2哭0社所示。甚在载荷平稳像、没有阻尼论、没有齿面翠磨擦、轴的贱扭转刚度很工小的条件万下致，毁根据动力学滋基本定律可洽得如下运动丙方程：粪血词销猾誉茶民浴尚杯图庭7-20阴优齿轮袖副力学模型弊对于主药动轮铺甩或坑短刘味岁护扫时①块对于从恨动轮绸芬或拌逆销概给蝇闯避害鹅②误式中：争—组—逗主动轮、从车动唱轮杀对轴线报的转动惯量残；周辩纵即—袜—功主、从动轮雪的基圆半径艳；剖——舅主、从动轮边在啮合线上垦的等效质量步，词；侦—射—窗主、从动轮里的角位移；冬久臣推—柿—煎主、从动轮模角位移换算饱到啮合线上烧的线位移，膛，恩；呜徐亮模嘱旷—桑—凯主动轮的驱侄动力矩逃，讲；档恭烦—球—叫从动轮的阻苏力矩定，稠；煤违痛走—油—碌主动轮上的赚驱动力；完额产笔寿—创—棍齿面法向动朵载荷。舞灿令底违（沿啮合线悼齿轮的相对多位移，不分痒离时为正值写），则叮代入虏（悼1宁）式得稍将抓（尊2仰）式代入上杏式得袄牢椅苏叨祝头③川式中：纷—渔—各布齿轮副等效葱质量，竹独夜若啮合齿醉的霉合成弹簧刚川度（啮合刚读度朽,昨即啮合齿在耐啮合点抵抗忌变形的能翠力疼）江为和；齿轮误差满在啮合线上待引起的相对些位移为圾（与轮齿弯场曲方向相同慕者为正值）节时，则代入③式得抵若考虑与相办对速度成正锯比的阻尼力饿，则上式为尼拥艰较胸赴④蚁式中：升让—舟—冶粒齿轮副的啮晴合阻尼系数次。总上式称为榆齿轮副的数漏学模型陆，它歇表明璃正常齿蛛轮巧的屯振珍动主要由两顺部分组成：暮一部分来辉源于刚度投的周期变化未，与齿轮的发误差无关，厅称为节常规振动装；另一部分咽来源于沟周期变挖化的齿轮误呼差廊，与齿轮的截加工精度有甜关。盒2胜．刚度变化绵引起的振动怠1稼）刚度变化设规律栽在啮合过程绒中，由于啮透合点的位置裕改变；由于煮参加啮合的帮齿数改变，条啮合刚度要散发生改变，咳这种改变每来转动一齿就星要重复一次额，频率为捕还仆匠强助（蜂—朋—腰兵两齿轮的转责速与齿数）评称此为蝶啮合频率证（简称顿啮频仿）停。如图细7险-混21甩所示盈，对于直齿击啮合刚度变跪化陡峭，几兰乎是矩形周融期函数，对美于斜齿啮合酿刚度变化小便，一般近暑似正弦函数铃。愉澡直齿暗闸辟馅奖馋直轰齿咽脂侨症贼徐康青斜齿隆图俊7掉-贸21雹邮亭啮合刚度变惹化曲线渴2虫）刚度变化仰引起的振动暖由差（岛4序）可知在理深想条件下（恨）齿轮的运掉动方程帝为挖跪这是一个单狼自由度线荐性博微沙分方程，其诸稳态墨响应就是齿妄轮的常宣规振动，它选与激振函数挺（周期变化感的啮合刚度杠）有相同的逢频率和变化棋规律。因此失对于直齿齿分轮帅，刚度周期肺变化使齿轮着产生的常规贺振动网除基频（愧）成分外，凯还有丰富的什高次倍频成还分；炸对于斜齿齿倦轮码它的频谱除屿基频（辛）成分外，腰高次倍频成伞分很少。毁3程．齿轮误差亏引起的振动犯1豆）调幅振动剖考虑误差的腾存在适（讽4盛）式是非线歪性微分方程诉，解析分森析腥有一定困难捷，为作简单忍的定性跌分析，将方做程左端的刚佛度项以等效朱值腥取代，则上送式变为俭鼻娇饮寿聚龟飘赖容价铃殖挖阻⑤鞠这也是一个迈单自由度的每线性微分方世程，由于激鲁振函数垂是周期性的壮，所以稳态宋响应是与激蓝振函数有相米同频率和规阅律的振动。因因此，分析颜齿轮误差引蚁起的振动应腹从激振函数骆的分鞋析裕入手。逃若啮合刚度忠的变化为齿轮误差为倘喊摆柜泄饥稠挤纺没（苍败—卸—挤齿轮误差频持率）胶则激振函数惕为拣上式表纪明激振函数载是一个简谐拍函数（载波瞎）的幅值受荒误差信号（只调制波）调颈制的辆调幅简谐函浮数（调幅波讲）宰，频率等于收啮频树，波形如图庙7以－建22异c完)正所示。这样涨的激振函数羽使齿轮产生芝的振动当然顺也是频率等贴于啮频、幅督值受误差调悼制的调幅简唉谐振动。这幅是有误差的传齿轮在时域娘中振动信号治的显著特征晃。埋根据数学积恰化和差公式途得：窗图准7-22非掀幅值调制狱也就是说调袋幅简谐函数首是由二个频车率为（矮）和（嗽）的简谐函僚数合成的。血所以暮调幅简谐振诊动应是两个疤频率为（币）和（药）的简谐振丰动的合成。坊由于在频谱漂图上，这两驻个简谐振动完的谱线对称壳分布于啮频商谱线的两侧驼，故称为迈啮频孕的日边频芬。呆这是有误差关的齿轮在频雅域中振动信剪号的显著特秋征着。溉实际上，啮摇合刚度和齿漏轮误差都不令是单纯的正状弦变化，但务是由于靠它们都可分省解为正弦分勉量之和，所籍以有误差的昼齿轮其振动番信号的频谱卫图，除有常猪规振动的啮载频及其各次调倍频的谱线奉（以下简称岩一系列啮频颂谱线）外，剂显著的特征逃是有对称分收布于一系列鸣啮频谱线两你侧的一系列榆边频谱线组恐成的耽边频带赴。边频带的者形状取决于顾误差的幅值新变化，边频案的间隔取决叔于误差的频晌率，对于齿设轮的犬大周期误差激（齿轮转频湖为基频），催间隔等于转筋频，对于齿松轮的欠小周期误差浊（齿轮的啮栋频为基频）竖，间刻隔弊等于啮频，匙边频带与啮停频及其各次姥倍刷频谱线重合可。垂2箩）调频振动哗齿轮误差除瑞产生幅值受央调制的常规煎振动外，必奴然还引起转总速波动，影株响啮合频率砌，出现频率柏受误差调奉制的现象。疯可以证明由姜误差产生的汤调频振动与慢调幅振动一穿样枝，在谱图上乐也是在一系进列啮频谱线洋两侧产生对厕称的一系列扫边频谱线组库成的边频带村,羡边频的间隔冲等于误差的登频率。枣由于调幅、汪调频是同时弱出现，所以罢有误差的齿完轮在谱图上帮的边频带应哪为两种调制汗单独作用时敬边频成分的友叠加，由于莫边频成分具鸣有不同的相很位，所以叠拆加后边频带堤的对称性就层不再存在了思。雨需要指出的例是如果与齿郊轮刚性连接航的旋转部件逝惯性越惯大截，速度波动乡就越小，调僚频现象也就多越滚不显著。鹿二、齿轮固慨有频率振动蓝由于啮合时全齿间撞击必跟然引起齿轮冈的轴向固有丧频率自由衰泊减振动和扭撇转固有频率篇自由衰减振嘴动础，固有频率简在高频段，趁通常爪在瓶1遇～命10混KHz应内。颤三、齿轮损插伤引起的振吴动（齿轮的嘉故障振动）德有损伤的齿好轮和有误差纵的齿轮一样枯，有相同的迹振动特征：翁在低频段镇产生调制效秋应有边频带为，但幅值明率显增大殿；斤在高频段安有损伤的齿励轮激发的固螺有频率振动让也明显增强梳。齿轮故障访振动的这些说特点是我们顽诊断齿轮故歪障的有利依蝇据碧。盾四、其它振记动成分主要有：苏（情1恨）齿面摩擦治引起的振动授啮合齿面间武的相对盒滑闲动速度，在源节点处要反陵向，所以在腊节识点处齿面间驻的摩擦力要败突然反向，售产悉生霞“哪节线冲字击捐”便，引起齿轮帅振动，枝频率与啮频柏振动的频率湾相同，但幅灿值很小，所艘以它的影响致可不练考虑蚀。夸（玉2虏）转频及其墨低次谐频振蛇动锡齿轮有大周优期误差和局毙部损伤除产慎生调制效应俯出现边频带归外，还要引殊起转频及其锅低次倍频振显动，当然有跪局部损伤的播齿轮幅值明海显增大。邪（胁3来）主动轴驱址动不平稳，馋被动轴阻力返波动等外因缩引起的振动厌。秘勇舞县齿轮振动监磨测诊断技术伟根据上面的赚叙述可知僵有损伤的齿偶轮重，勤在低频段仓有幅值明显葱变大的啮频回及其倍频成刃分、有显著蚀的边频带、芹有幅值明显饰的转频及等其沙低次倍频成共分；歌在高频段怨有幅值明显钻变大的固有时频率成分。愿根据这些特咏点可以诊断尸出齿轮的故懒障侮。因此，诊共断齿轮的故晃障可以在低递频段也可以睡在高频段进因行。夫一、简泳易诊断蚊简易诊断在他时域中进行嚼,致目的是判别仅齿轮是否处副于正常状态瑞。采用的行特征参数摸有量纲的主你要是：振幅者值、均方根辅值、方根幅抢值、平均幅云值、峭度、扎偏度等；无揪量纲的主要碍是：波形系壮数、峰值系句数、脉冲系惹数、裕度系乡数、峭度系姓数等。这些假参数适用于悔不同情况，蓝没有绝对优坦劣之分。肉机械设备中构除齿轮外，再转轴、轴承笔、电动机等辉也要产生振勤动，正确区沫分它们是简何易诊断的关涂键。下面以沈减速箱为例投对狭齿轮级和们滚动轴承的叉振动判别葱加以说明狸。清脂图宾7-23住饮减速箱简图抱绑糠可齿轮有故辅障废赏疲云谎滚动轴承有彼故障犯图黑7-23功差是减速箱简窑图，测振点堪选勤在躺A电、耍B浪、榜C缝、耕D些四个轴承座敢上，若四个愧测振点的振端动值都超出忍规定，且基各本相同，则困说明减速箱宏的齿轮有故爪障，因为傍齿轮故障的赶振动频率较屠低，传递损抵失小债，所以四个卡测振点的振裙动值基本相枝同。若四个液测振点的振唱动值只一个投点连筑C依超出规定，决则说策明览弯C屯处滚动轴承欺有故障。因桌为忽滚动轴承广故障粮的槽振动走频率较高，叉传递损失大拣，所命以愧半C挨处轴承故构障值只拾在眼盏C豆处有较强的侄响应，其它颤测振蒜点是几乎测幻不出来的。乏当然还可利膀用滚动轴承赔特征频率与饺齿轮振动频素率不相同的期特点，适当传选取检测振抹动的频段，吓也能排除轴状承振动馋的干扰。饲二、精密诊昂断颂精密诊断主监要在频域中翠进行，目的映是判别齿轮凶故障的程度仔和部位。挡1轨．频域诊断刺1椅）功率谱啮炭合频率及其险倍频分量分捆析衣齿轮均匀磨桌损产生的作誓用与齿轮小由周期误差相冒同，使常规博振动的幅值精受到调制，窑在谱图上产筑生边频，但帜边频成分与像常