齿轮及齿轮箱诊断标准课件

齿轮及齿轮箱诊断2023/6/12一、齿轮及齿轮箱的振动信号特点

齿轮箱正常运转时，一般其振动信号是平稳信号，振动信号为各轴的转频和啮合频率。当发生故障时，其振动信号频率成份和幅值将发生变化，一般具有以下特征：信号是稳态的对应仅仅是幅值的变化，振动能量的变化。主要是针对齿轮均匀磨损的情况。信号是周期平稳信号出现有规律的冲击或调制现象。主要是针对齿轮的点蚀、疲劳剥落、齿形误差、安装误差、轴弯曲、不平衡、不对中、滚动轴承剥落等。信号是非周期性信号信号中出现无规律的冲击或调制现象。主要是齿轮或轴承严重故障时。2023/6/12二、多种多样的信号处理方法2.1时域诊断峰值指标脉冲指标峭度KURT-3()vt-v

4s1nSt~CRESTvpeakvRMSvpeakvr2023/6/122.2、同周期相加平均时域信号由于相位不同，不同时刻的信号是不能作平均的。如果保证起始相位相同，采样频率和采样点数相同，转速稳定，是可以作平均的。随着平均次数的增加，所在轴的转频及其倍频，啮合频率及其倍频被保留，其它轴的信号和噪声被消除，从而获得与被测齿轮有关的信号。如果转速不稳，采用锁相技术进行平均。从时域平均信号中可以辅助判断一些故障（双轴）。时域平均信号不能用来诊断滚动轴承的故障。2023/6/122.3、频谱分析频谱分析是诊断齿轮箱的最常用的最有效方法。推荐采用加汉宁窗的幅值谱或功率谱。比较和趋势分析2023/6/122.4、倒频谱分析倒频谱用来诊断调制信号。但同解调分析相比，准确性较差。2.5、细化谱分析细化谱用来诊断调制信号。但幅值和相位信息误差较大。2023/6/122.6、传递函数传递函数分析的目的是研究系统的固有频率，通过力和响应，研究两者随频率变化的比例来估计系统的固有频率。相干分析适用来检验传递函数测试结果的可靠性。相干函数分析100。797.65Hz468.75Hz860.35Hz传递函数分析2023/6/12三、齿轮及齿轮箱的诊断技术3.1、调制

幅值调制

频率调制（相位调制）

调频调幅2023/6/12tAtA调幅调频2023/6/123.2、减速箱的四种调制现象齿轮啮合频率调制现象齿轮箱固有频率调制现象齿轮固有频率调制现象滚动轴承外环固有频率调制现象2023/6/123.3、不同调制现象的分析方法齿轮啮合频率的调制分析方法

采用频谱和解调谱相结合的双谱分析法频谱分析：齿轮的啮合频率，确定故障的齿轮幅解调谱分析：调制频率，确定故障轴辅助方法：时域波形，啮合频率幅值的趋势分析，提高诊断准确度。2023/6/12齿轮固有频率调制分析方法采用解调谱、细化谱、频谱相结合的三谱分析法频谱分析：齿轮的啮合频率，确定故障的齿轮幅解调谱、细化谱分析：调制频率，确定故障轴难点：齿轮的固有频率不知道（事先可以测出或计算出齿轮的固有频率）注意：一般固有频率被激起，频率成份少，只有极少的谱峰2023/6/12齿轮箱体固有频率调制分析方法采用时域波形分析、频谱分析、解调谱分析、趋势分析相结合的时频分析法时域波形：周期性的冲击信号，一个大的冲击信号有多个小的冲击信号构成。频域：以箱体、齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮或轴所在轴转频及其倍频为调制频率。趋势：振动能量较正常工况下有较大幅度提高。2023/6/12轴承外环固有频率调制分析方法采用频谱、解调谱、细化谱三谱分析法频域：主要依靠轴承外环的固有频率和轴承部件的通过频率来分析。难点：振动能量低，往往被其它振动信号覆盖。2023/6/123.4、齿轮箱频率特点轴频及其高次谐波；齿轮啮合频率及其高次谐波；以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率边频带；以齿轮固有频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的边频带；以齿轮箱固有频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的边频带；以外环的各阶固有频率为载波频率，产生剥落元件的通过频率为调制频率；隐含成份和交叉成份。2023/6/12四、齿轮箱故障的主要形式1、齿形误差2、齿形均匀磨损3、轴不对中4、断齿5、箱体共振6、轴轻度弯曲7、轴严重弯曲8、轴不平衡9、轴向窜动10、轴承疲劳剥落和点蚀2023/6/12时域波形：周期性的冲击信号，一个大的冲击信号有多个小的冲击信号构成。推荐采用加汉宁窗的幅值谱或功率谱。项目频段1频段2频段3频段4频段5频段610、轴承疲劳剥落和点蚀以箱体、齿轮固有频率和齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮或轴所在轴转频及其倍频为调制频率；Pp=10(z/30)1.严重的齿形误差，激起齿轮的固有频率，出现以齿轮固有频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制；2x(n/1200)1.振动能量（有效值和峭度值）有一定程度的增加，特别是轴向振动能量有较大的增加。Pp=40(z/30)1.轴承外环固有频率调制分析方法出现有规律的冲击或调制现象。项目频段1频段2频段3频段4频段5频段625xGMF2.2000年10月20日，机组振动超标。频段截止频率1.滚动轴承外环固有频率调制现象以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率边频带；2、设置Fmax=200xrpm4.1、齿形误差的主要特征以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制；一般的齿形误差产生的调制边频带窄，以一阶边频调制为主，且边频带的幅值较小；严重的齿形误差，激起齿轮的固有频率，出现以齿轮固有频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制；振动能量（有效值和峭度）有一定程度的增大。2023/6/121f02f03f01GMF2GMF齿形误差引起的特征频谱fA2023/6/124.2、齿轮均匀磨损齿轮的啮合频率及其谐波的幅值明显增大；如果不均匀磨损，会产生以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率，但幅值小。1GMF2GMF3GMFfA2023/6/124.3、轴不对中以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率；调制频率的2倍频幅值最大；齿轮啮合频率及其谐波幅值增大；振动能量（有效值和峭度）有一定程度的增大。2023/6/12注意用速度频谱或位移频谱2023/6/124.4、箱体共振薄板结构齿轮箱的一阶固有频率为主导地位，其他频率成分很低；振动能量有很大的增加。箱体共振调制以箱体、齿轮固有频率和齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮或轴所在轴转频及其倍频为调制频率；齿轮啮合频率及其谐波幅值明显增大；振动能量有很大的增加2023/6/121f01fg2f01GMF2GMF2fg2023/6/124.5、断齿以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率，调制边频带宽而高；以齿轮各阶固有频率及其谐波为载波频率，故障齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率，调制边频带宽而高；振动能量有很大的增加。2023/6/121fg1GMF2GMF2fg2023/6/124.6、轴轻度弯曲以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制，但调制边频带窄且稀；如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对齿轮啮合调制；振动能量（有效值和峭度值）有一定程度的增加，特别是轴向振动能量有较大的增加。2023/6/12由于外环松动且质量轻，轴承元素故障时，振动能量通过滚动体传到外环上，激起外环固有频率。以外环的各阶固有频率为载波频率，产生剥落元件的通过频率为调制频率；5、如果转速为1400-1700r/min,将Fmax设为60Xrpm；随着平均次数的增加，所在轴的转频及其倍频，啮合频率及其倍频被保留，其它轴的信号和噪声被消除，从而获得与被测齿轮有关的信号。以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率；2、对于齿轮箱，须在同一测点进行频率量程为3.25xGMF2.85Hz是低速轴的转频。或固有频率美国国家标准协会标准（ANST）三、齿轮及齿轮箱的诊断技术98mm/s或1.Fmax为频谱量程。如果转速为800-1099r/min,将Fmax设为100Xrpm；且外环在工作中一直受到滚动体对其较大的压力，当轴承有故障并运行一段时间后，外环与轴承座之间基本完全松动，外环固有频率与自由状态下测得或计算的频率基本相同。频段截止频率0.主要是增速机振动超标。在齿轮箱轴系中，一般滚动轴承内环与轴多为紧密的过盈配合，即轴与内环牢固的连为一体，要激起固有频率需要较大能量，且内环固有频率与自由状态下测得或计算的频率完全不同。趋势：振动能量较正常工况下有较大幅度提高。1f1GMF2GMF轴轻度弯曲特征频谱2023/6/124.7、轴严重弯曲以齿轮啮合频率及其谐波、齿轮固有频率、箱体固有频率为载波频率，齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制，但边频带较宽，解调谱上出现轴的转频和多阶高次谐波；如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对齿轮啮合调制；振动能量（有效值和峭度值）有一定程度的增加，特别是轴向振动能量有较大的增加。2023/6/12轴严重弯曲特征频谱1f01fg2f01GMF2GMF2fg2023/6/124.8、轴向窜动有故障轴上齿数多的齿轮啮合频率的幅值大幅度增加；振动能量有较大的增加。1GMF2023/6/124.9、轴有严重的不平衡以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制，但边频带较少而稀，解调谱上出现轴的转频；有故障轴的转频成份有较大的增加；振动能量（有效值和峭度值）有一定程度的增加，特别是轴向振动能量有较大的增加。2023/6/121GMF1f2023/6/124.10、轴承疲劳剥落和点蚀在齿轮箱轴系中，一般滚动轴承内环与轴多为紧密的过盈配合，即轴与内环牢固的连为一体，要激起固有频率需要较大能量，且内环固有频率与自由状态下测得或计算的频率完全不同。外环与箱体轴承座也是过盈配合，但同内环比较，要松得多。且外环在工作中一直受到滚动体对其较大的压力，当轴承有故障并运行一段时间后，外环与轴承座之间基本完全松动，外环固有频率与自由状态下测得或计算的频率基本相同。由于外环松动且质量轻，轴承元素故障时，振动能量通过滚动体传到外环上，激起外环固有频率。齿轮箱中轴承故障的载波频率一般为外环的各阶固有频率，调制频率为产生剥落元件的通过频率。2023/6/121fo2fo3foF(I,o,……)2023/6/12五、检测标准5.1、齿轮装置的振动峰值判定标准齿轮的振动峰值为Pp,转速为n(r/min),吃数为z,g为重力加速度。注意量级：Pp=10(z/30)1.2x(n/1200)1.2危险量级：Pp=40(z/30)1.2x(n/1200)1.22023/6/125.2、齿轮装置的振动均值判定标准齿轮的振动均值为Pa,转速为n(r/min),吃数为z,g为重力加速度。注意量级：Pa=1.1(z/30)2.2x(n/1200)2.2危险量级：Pa=4.1(z/30)2.2x(n/1200)2.22023/6/1275xGMF1.1、无叶片的普通滚子轴承设备，如交流电机、直流电机、减速箱等采用解调谱、细化谱、频谱相结合的三谱分析法7155.频谱分析是诊断齿轮箱的最常用的最有效方法。验证：揭盖检查发现小齿轮齿性误差较大，形成频率调制。75xGMF1.难点：振动能量低，往往被其它振动信号覆盖。频段截止频率1.56.频谱分析是诊断齿轮箱的最常用的最有效方法。2x(n/1200)2.载荷的微小变化形成幅值调制。1、在不知道齿数的情况下使用，知道齿数用C表。或1.5xrpm2-2.严重的齿形误差，激起齿轮的固有频率，出现以齿轮固有频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制；齿轮箱中轴承故障的载波频率一般为外环的各阶固有频率，调制频率为产生剥落元件的通过频率。却在213Hz处出现高的幅值。5.3、频段判定标准美国国家标准协会标准（ANST）假定转速为600—60000r/min采集信号尽可能靠近轴承座设备上没有安装隔振装置（有隔振装置，报警值提高30%--50%）齿轮箱的报警值要比被驱动的机器高出25%2023/6/12ANST设备状态报警类型和等级分类表

机器类型良好一般报警1（警告）报警2(危险）离心式，带或不带外部齿轮箱0-5.085.08-7.627.6211.43离心-整体式齿轮（轴向）0-5.085.08-7.627.6211.43离心-整体式齿轮（径向）0-3.813.81-6.356.359.525齿轮箱输入轴0-3.813.81-5.7155.7158.89齿轮箱输出轴0-2.2862.286-3.813.815.715mm/s2023/6/12项目频段1频段2频段3频段4频段5频段6频段起始频率1%Fmax1.2xrpm2.2xrpm3.2xrpm12.2xrpm50%Fmax

频段截止频率1.2xrpm2.2xrpm3.2xrpm12.2xrpm50%Fmax100%Fmax

频段报警90%报警总值30%报警总值25%报警总值20%报警总值15%报警总值10%报警总值或1.98mm/s或1.41mm/s或1.27mm/s频段描述次同步到1xrpm1.5-2xrpm2.5-3xrpm轴承缺陷频率基频轴承缺陷低阶谐波轴承缺陷高阶谐波或固有频率1、无叶片的普通滚子轴承设备，如交流电机、直流电机、减速箱等2、设置Fmax=50xrpm（如果转速《1700r/min,或轴承为圆锥滚子轴承、球面滚子轴承另取值，rpm为转速）3、从ANST设备状态分析标准中得到报警速度宗旨。Fmax为频谱量程。4、如果为轴承为圆锥滚子轴承、球面滚子轴承，Fmax为60Xrpm.5、如果转速为1400-1700r/min,将Fmax设为60Xrpm；如果转速为1100-1399r/min,将Fmax设为80Xrpm；如果转速为800-1099r/min,将Fmax设为100Xrpm；如果转速为600-799r/min,将Fmax设为120Xrpm；ANST设备频段报警表A速度总值（峰值）mm/s2023/6/12项目频段1频段2频段3频段4频段5频段6频段起始频率0.2xrpm0.8xrpm1.8xrpm2.8xrpm3.6xrpm10.2xrpm频段截止频率0.8xrpm1.8xrpm2.8xrpm3.8xrpm10.2xrpm100%Fmax

频段报警20%报警总值90%报警总值30%报警总值25%报警总值20%报警总值15%报警总值或1.41mm/s频段描述次同步到1xrpm1-1.5xrpm2-2.5xrpm3-3.5xrpm4-10xrpm10.5xrpm-Fmax

1、无叶片的普通滑动轴承设备，如交流电机、直流电机、减速箱等2、设置Fmax=20xrpmANST设备频段报警表B速度总值（峰值）mm/s2023/6/12项目频段1频段2频段3频段4频段5频段6频段起始频率0.25xGMF0.75xGMF1.25xGMF1.75xGMF2.25xGMF50%Fmax

频段截止频率0.75xGMF1.25xGMF1.75xGMF2.25xGMF2.75xGMF100%Fmax

频段报警25%报警总值70%报警总值25%报警总值50%报警总值25%报警总值40%报警总值

频段描述0.5xGMF和边带GMF和边带1.5xGMF和边带2xGMF和边带2.5xGMF和边带3xGMF和边带1、设置Fmax=3.25xGMF2、对于齿轮箱，须在同一测点进行频率量程为3.25XGMF的高频测量，同时需要一个正常频率量程的测量（如A\B表中所述）。也就是说进行两次不同量程的测量。在许多情况下，由于Fmax很高，传感器要求粘结和螺栓连接。频线设为1600—3200线。ANST设备频段报警表C速度总值（峰值）mm/s2023/6/12项目频段1频段2频段3频段4频段5频段6频段起始频率20xrpm50xrpm80xrpm110xrpm140xrpm170xrpm频段截止频率50xrpm80xrpm110xrpm140xrpm170xrpm100%Fmax

频段报警60%报警总值60%报警总值50%报警总值50%报警总值40%报警总值40%报警总值

频段描述20-50xrpm50-80xrpm80-110xrpm110-140xrpm140-170xrpm170xrpm-Fmax

1、在不知道齿数的情况下使用，知道齿数用C表。2、在许多情况下，由于Fmax很高，传感器要求粘结和螺栓连接。频线设为3200线。2、设置Fmax=200xrpmANST设备频段报警表D速度总值（峰值）mm/s2023/6/12六、案例分析某电厂水轮机发电组，齿轮箱振动异常。输入轴转速182r/min输出轴转速750r/min大齿轮齿数99小齿轮齿数24发电机增速机水轮机Z=24Z=99180r/min750r/min例12023/6/1212.512.512.512.5299.8433266.75Hz331.25Hz0.1mm/s齿轮箱细化谱2023/6/12分析啮合频率：

(750/60)x24=300Hz从细化谱图上可以看出，299.84Hz的幅值较高，且被12.5Hz频率调制。调制频率3Hz幅值小，不明显。说明故障齿轮应为高速轴（输出轴）小齿轮。验证：揭盖检查发现小齿轮齿性误差较大，形成频率调制。载荷的微小变化形成幅值调制。2023/6/12例2首钢小型场一台减速机，大修后运行振动值很大。电机驱动，可调速；工作转速500r/min；功率970kW；小齿轮齿数50；大齿轮齿数148。1243电机减速机501482023/6/12随着平均次数的增加，所在轴的转频及其倍频，啮合频率及其倍频被保留，其它轴的信号和噪声被消除，从而获得与被测齿轮有关的信号。从时域平均信号中可以辅助判断一些故障（双轴）。84Hz的幅值较高，且被12.Pp=40(z/30)1.98mm/s或1.美国国家标准协会标准（ANST）2、减速箱的四种调制现象5-2xrpm2.10、轴承疲劳剥落和点蚀在齿轮箱轴系中，一般滚动轴承内环与轴多为紧密的过盈配合，即轴与内环牢固的连为一体，要激起固有频率需要较大能量，且内环固有频率与自由状态下测得或计算的频率完全不同。说明低速轴大齿轮存在严重故障。如果不均匀磨损，会产生以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率，但幅值小。频域：以箱体、齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮或轴所在轴转频及其倍频为调制频率。8xrpm10.Pp=40(z/30)1.频段起始频率1%Fmax1.推荐采用加汉宁窗的幅值谱或功率谱。当发生故障时，其振动信号频率成份和幅值将发生变化，一般具有以下特征：验证：揭盖检查发现小齿轮齿性误差较大，形成频率调制。频段截止频率0.测试数据测点1234振动值（水平）5.515.49.512.3振动值（轴向）7.813.68.314.8电机转速为150r/minmm/s213Hz213Hz07002002300.850.852023/6/12分析齿轮啮合频率：148x0.85=125.8Hz在测点2的频谱图上没有发现啮合频率。却在213Hz处出现高的幅值。对213Hz进行细化分析，发现213Hz附近存在0.85Hz的边频带。而0.85Hz是低速轴的转频。为了验证213Hz的出处。进行升速试验，当转速升到500r/min的时候，测点2的频谱图中213Hz频率仍然存在。说明213Hz是齿轮的固有频率。说明低速轴大齿轮存在严重故障。验证：揭盖检查发现大齿轮齿面凹凸不平，大齿轮有3个齿顶承台阶状凸起，说明大齿轮齿顶顶撞小齿轮齿根的现象。2023/6/12例3某公司有4台煤气鼓风机，其中2、3鼓风机组传动形式完全相同，均为电动机和增速机驱动。鼓风机为两级增压。电机：1495r/min，1250kW风机：4230r/min电动机减速机风机1234567831912023/6/12症状描述2000年10月20日，机组振动超标。主要是增速机振动超标。从2000年8月至10月振值逐渐升高。

MM/S测点V(垂直径向)H(水平径向)A(轴向)36.56.27.547.28.0145207.05.26