齿轮箱的故障类型及振动机理改

齿轮箱的故障类型及振动机理改第2章齿轮箱的故障和振动信号2.1齿轮箱故障的主要形式齿轮箱系统是包含齿轮、轴承、传动轴及箱体等结构的复杂系统。其中主要故障发生在齿轮、轴承和传动轴上。在齿轮箱的诊断中，一般只给出是否产生故障及产生故障的位置，根据振动信号的特点，一般常见的典型故障形式有齿轮失效、轴和轴系失效、箱体共振和轴承疲劳脱落和点蚀等几种【5】。在这些常见故障中，齿轮和滚动轴承的故障约占齿轮箱故障的80%［4］。因此，分析齿轮和滚动轴承的故障类型和振动机理对识别齿轮箱的故障类型具有重要意义。2.1.1齿轮故障类型及振动机理（1） 齿轮的故障类型齿轮的故障类型大致可分为以下两种类型：1） 由制造错误和装配错误引起的故障。具体故障包括齿轮偏心、齿距偏差、齿形误差、轴错位、齿面接触等故障。齿轮制造过程中产生的主要缺陷是偏心、节距偏差和齿形误差。齿轮装配不当也会降低齿轮的工作性能。当齿轮的这些误差严重时，会引起齿轮传动的快速和慢速旋转，啮合时产生冲击，并引起较大的振动和噪声［5］。2） 运行中产生的故障齿轮除上述故障外，其在本身运行过程中也会形成许多常见的故障，例如断齿、齿根疲劳裂纹、齿面磨损、点蚀剥落、严重交合等等。齿轮预定寿命内不影响使用的磨损成文正常磨损，如果因使用不当、用材不当、接触面存在硬颗粒以及润滑油不足等原因引发早期磨损，将导致齿轮形变、重量损失、齿厚变薄、噪声增大等后果，甚至会导致齿轮失效。其中若润滑油不足，还会导致齿面胶合，胶合一旦发生，齿面状况变差，功耗增大，从而使得振动信号变强。（2） 齿轮的振动机理一对啮合齿轮可视为一个具有质量、弹簧和阻尼的振动系统，其力学模型如图2-1所示。图2-1齿轮对的力学模型振动方程为［4］：mrx+cx+ktx=kte1+kte2（t）2-1其中x是齿轮沿作用线k（T）的相对位移一一齿轮的啮合刚度Mr——齿轮副的等效质量mr=m1?m2/（m1+m2）E1加载后齿轮的平均静态弹性变形E1加载后齿轮的平均静态弹性变形e2（t）――齿轮的误差和异常造成的两个齿轮间的相对位移（亦称故障函数）从方程2-1可以看出，齿轮在理想状态下也有振动，没有异常，其振动来自两个方面。第一个方面是kte1，它与齿轮的误差和故障无关，称为常规啮合振动。另一方面，它是kte2（T），取决于齿轮的啮合刚度和故障函数。这一部分可以更好地解释齿轮信号中存在的频率转换及其与故障的关系。2.1.2滚动轴承故障类型及振动机理（1） 故障类型齿轮箱滚动轴承在工作时，外圈与轴承座或机壳联接且固定；内圈与传动轴相联接，随轴一起转动。在实际的诊断中，如果不考虑轴承加工和装配误差，则主要为运行故障这一内部因素所引起的振动。滚动轴承在运行过程中出现的故障按其振动信号特征的不同可以分为【6】：1） 由于滚道和滚动体的相对运动以及灰尘、异物会导致表面磨损，润滑不良会加剧磨损。因此，轴承间隙将增加，表面粗糙度将增加，轴承操作精度将降低。因此，齿轮箱的运动精度也会降低，这反映在振动级和噪声的增加上。2） 表面损伤当轴承元件表面有损伤时，损伤点受力会产生突变的冲击脉冲力，该脉冲力是以宽带信号，覆盖轴承系统的高频固有振动频率而引起谐振。这就是损伤类故障引起的振动信号的基本特点。轴承元件的工作表面损伤点在运行中反复撞击与之相接触的其他元件表面而引起低频振动成分，其频率与转速和轴承的几何尺寸有关，这一频率成为故障特征频率。（2） 振动机构滚动轴承由内圈、外圈、滚动体、保持架等部件组成。滚动体是滚动轴承的核心部件，它将相对运动表面之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦。滚动轴承的结构示意图如图2-2所示。在图中，D是轴承中径，D是滚动体直径，R1是内圈滚道半径，？？是接触角，Z是滚动元件的数量，FR是内圈的旋转频率，通常是轴的旋转频率，f？？是外圈的旋转频率，sC是滚动体的旋转角速度，sB是滚动体的旋转速度。图2-2滚动轴承结构图轴承产生的振动是随机的，包括滚动体的传递振动，其主要频率分量是滚动轴承的特征频率。由于低频段的频谱能量较低，往往淹没在噪声中，无法用于诊断。中频段主要包括轴承元件表面损伤引起的轴承元件自振频率。对该频段的振动信号进行分析，可以更好地诊断轴承的局部损伤故障。通过对高频信号的分析，也可以诊断轴承的相应故障。2.2齿轮箱振动信号的时域分析与频域分析在各种齿轮箱故障分析与诊断方法中，基于振动检测的齿轮箱故障诊断方法具有测量简单、实时性强的优点。通过测量齿轮箱运行过程中产生的振动信号，作为故障诊断的重要信息源，是理想的齿轮箱运行监测工具［5］。目前，振动诊断的研究方法可分为时域分析和频域分析。2.2.1时域分析时域分析方法就是根据信号的时间历程记录波形，分析信号的组成和特征量。对于离散的时序数据，常用的有量纲幅域参数有：峰值、均值和均方根值【8,9】。峰值：xmax=max?|xi|2-2均值：x=nni=1|xi|2-3均方根值:xrms=nni=1xi2-4十一均值和均方根值都是描述动态信号强度的指标。幅值的平方具有能量的含义，因此均值表示了单位时间内的平均功率。无量纲振幅域参数为：峰值指数、边缘指数和峰度指数。峰值指数：CF=xmaxxrms2-5xmax裕度指数：CLF=峰度指数：kV=21n|x|ini=11nx4ni=1ix4rms2-62-7峰值指标表示信号的变化范围，是信号强度的一种描述。裕度和峭度对信号的冲击较敏感，可以用作齿轮箱的故障诊断，如因齿轮裂纹、滚动轴承故障等在时域波形中就可能引起相当大的脉冲。2.2.2频域分析工程中测量的信号通常是时域信号。然而，故障的发生和发展往往会导致信号频率结构的变化。为了通过测量信号了解和观察物体的动态行为，通常需要频域信息。将时域信号转换为频域进行分析的方法称为频域分析。其目的是通过傅里叶变换将复杂的时程波形分解为多个单次谐波分量，从而得到信号的频率结构和各次谐波的幅相信息。常见的频域分析包括频谱分析、精细频谱分析和调制频谱分析［7］。(1)频谱分析频谱分析中常用的是自功率谱。自功率谱的定义为：将时域信号x(t)进行傅里叶变换的：xf=?8x(t)e?j2nftdt2-8其自功率谱为：sxxf=x?fx（f）2-9地点：x?F是X（F）的共轭络合物。自功率谱亦可以从自相关函数进行傅里叶积分得到。（2） 细化频谱分析细化分析技术是近年来在FFT方法的基础上发展起来的一种新技术。这是一种提高频谱某些有限部分分辨率的方法，即“局部放大”方法，它可以使一些重要的感兴趣频带获得高分辨率。有很多细化分析方法，比如chirpoZ变换、Yip-zoom变换和相位补偿zoom-FFT[10],但目前广泛使用的是复调制细化方法及其改进算法。（3） 解调谱分析在实际齿轮箱系统中，复杂的幅值调制与频率调制是同时存在的，频谱上出现不同程度的调制边带。在工程实际中常用复包络分析方法及其改进算法来对齿轮箱的振动信号进行解调分析。复包络分析方法是利用希尔伯特（hilbert）变换对齿轮啮合振动信号解调而获得调幅和调相信号，然后求出调幅和调相信号的频谱图，再根据频谱确定齿