机械故障诊断—Ch06 齿轮的监测与诊断.ppt

1、Ch6 齿轮的监测与诊断,机械故障诊断Ch6 齿轮的监测与诊断,现代机械对齿轮传动的要求日益提高。例如，既要求齿轮能在高速、重载、特殊介质等恶劣的条件下工作；又要求齿轮装置具有高平稳性、高可靠性、结构紧凑等良好的工作性能；由此引起齿轮故障的因素也相应增多，对齿轮运转状态的监测和诊断研究也提出了新的课题。因而使齿轮故障诊断成为诊断技术应用研究的重要课题之一。,Ch6 齿轮的监测与诊断,机械故障诊断Ch6 齿轮的监测与诊断,5-1 齿轮的失效形式,5-2 齿轮的振动特点,5-3 齿轮的振动诊断技术,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,一 轮齿的损伤 轮齿的损伤往往是齿轮故障的前奏，分析轮齿的损伤形

2、式判定轮齿的损伤程度，了解轮齿损伤的原因，是齿轮故障诊断中的重要工作。 在齿轮的使用中，有多种轮齿的损伤形式，某些损伤形式(如轮齿折断)一旦发生齿轮只能停止运转，否则机器可能发生严重事故，判定这种损伤形式是容易的。 而另一些轮齿损伤形式，如磨损、撕裂、点蚀等，由于损伤有个较长的发展过程，判定这种损伤形式必须有一定的判据。因而只有分析其发生原因与发展过程，才能充分采集和利用故障信息，从而获得正确的诊断结论。,6-1齿轮的失效形式,根据轮齿损伤的部位和损伤机理，将轮齿损伤分为三大类：,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,2 轮齿折断,3 组合损伤,齿面磨损、齿面粘着撕伤、齿面疲劳、齿面塑性变形、齿

3、面烧伤,1 齿面损伤,轮齿裂纹、过载折断、 疲劳折断,腐蚀磨损、轮齿塑性变形、严重磨损断齿、气蚀损伤、电蚀损伤,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,二 齿轮装置故障原因 齿轮装置由齿轮、旋转机构、润滑系统、箱体等组成。齿轮是构成齿轮装置的重要零件。所以，在制造中如存在偏心、周节误差、齿形误差等微小差错，在装配中如存在齿轮一端接触、两齿轮轴不平行等装配不良，均可能造成齿轮故障。但是，在齿轮装置的故障中，因上述各种轮齿损伤而引起的故障最为普遍。当轮齿部分发生表面的、整体的、组合的损伤后，均会严重降低传动质量，甚至使齿轮丧失工作能力而产生严重故障。 另外齿轮轮体损坏、旋转机构缺陷、润滑系统性能下降、

4、齿轮箱体质量差等也是齿轮装置故障的常见原因，为便于查找齿轮装置故障和分析其故障原因，将齿轮装置常见的故障现象和故障原因归纳于下表。,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,表 齿轮装置故障原因分析,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,对各种齿轮装置的不同部位，在不同条件下，出现不同故障迹象，发生不同类型的故障，均可利用上表来对其故障作初步分析。通常由表左侧向右侧逐项依次分析，以便将故障的复杂情况简化和缩小诊断目标，从而可选用最有效的检测参数，对其故障进行精确诊断。,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,三 齿轮装置故障诊断参数 由表可见，在齿轮装置运转状态下，伴随着其内部故障的发生与发展必然产生振动

5、加剧、噪声异常、温度升高、严重漏油、磨损加剧、能耗增大等一种或几种故障迹象。这些随着故障严重程度不同而变化的参数，一般均可作为故障检测参数。但实践表明，不同检测参数的有效性并不相同。相较而言，最有效的检测参数是振动，其次是噪声。,1 齿面损伤失效 轮齿表面和次表面发生的各种损伤统称为齿面损伤。严重的齿面损伤，将引起故障或造成齿轮失效。 1 齿面磨损,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,齿轮在啮合中，轮齿接触表面上材料摩擦损失的现象，称齿面磨损。具有一定粗糙度的新工作齿面，在啮合初期，由于齿廓间滚动、滑动速度不合适，润滑油的粘度不够等原因，不能形成液体润滑油膜，致使齿面的凸峰接触，在较大压强作用

6、下，凸峰被磨平而使实际接触面变大，于是油膜形成条件改善，磨损速度相应减慢。 这种磨损速度缓慢、又难于避免的齿面磨损称为正常磨损。初期磨损后的齿廓光亮平滑，没有宏观擦痕。正常磨损对齿轮的预期使用寿命、啮合性能均无不良影响。,磨粒磨损,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,起磨粒作用的细小颗粒，可能是装配前未彻底清除的污物、铸造时留下的型砂或铁末、润滑剂或周围环境中的杂质和灰尘、或齿面及轴承等摩擦表面磨损的产物。 磨粒磨损速度较正常磨损快，齿面沿滑动速度方向有互相平行的磨粒划痕见上图。,由于外界细小颗粒物质进入轮齿啮合区而引起的磨损称为磨粒磨损。,干涉磨损,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,齿不正

7、常或过早的接触啮合在齿根圆角处形成严重的载荷集中，而产生局部剧烈磨损或严重塑性变形；在强迫啮合过程中，齿顶也会被滚圆而严重损伤。这种因啮合干涉引起的磨损称为干涉磨损。其特征是轮齿根部被啃出沟，与其接触啮合的轮齿顶端被碾挤变形。轻微干涉引起的齿面磨损，除增加运转噪声外无其他严重后果；严重干涉则因齿形严重破坏而导致该对齿轮传动失效。,由于轮齿参数设计不合理，制造时齿形误差较大安装中心距过小或使用中变形较大等原因，造成轮,刮伤,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,其特征是齿面沿滑动速度方向分布较深的刻痕。刮伤后因温度升高将产生尖细的噪声，磨损速度加快，齿面遭到明显破坏，见图。如及时排除刮伤原因，可免

8、遭破坏性损伤。,由于轮齿表面上的毛刺、凸起部分、嵌入齿面的异物或其他较大磨粒等，引起的齿面损伤称为刮伤。,槽痕,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,“犁”出较深沟槽，称为槽痕。 其特征是齿侧表面沿滑动速度方向呈现的条状纹痕，且从齿顶到齿根的整个啮合区均可能出现，见图。扩展性槽痕损伤还会导致齿面剧烈磨损。,由于小的异物杂质或齿面上的凸起，在局部重载作用下被压进齿面，然后在相对滑动摩擦中将齿面,2 齿面粘着撕伤,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,由于轮齿表面粗糙度过大、啮合侧隙过小、啮合干涉、或齿形误差过大及润滑不良或因槽痕及其他齿面损伤等原因可能导致齿面粘着撕伤的发生，即在齿面沿滑动速度方向撕

9、扯出深度、宽度不同的带状沟纹，并引起啮合噪声。 通常在重载低速齿轮传动中，产生冷粘着撕伤；在高速齿轮传动中，产生热粘着撕伤，前者的沟纹较清晰，后者伴有烧伤变色。,3 齿面疲劳,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,齿轮在啮合中，在超过材料耐久极限的交变接触应力的反复作用下由于滚动和滑动摩擦的存在，致使轮齿表层产生疲劳裂纹，进而扩展成表层金属小块脱落的损伤形式称为齿面疲劳。 新的轮齿表面由于局部凸起，实际接触面积小，单位面积上的接触应力过高，很容易由疲劳裂纹扩展脱落为麻坑形成早期点蚀。其特征是麻坑比较小而浅，麻点数目不多，分布范围不大，一般发生在节线附近且靠近齿根部。,机械故障诊断6-1 齿轮的失

10、效形式,如齿面硬度较高，局部凸起不易磨平或接触应力过高时，早期点蚀的小麻坑可能扩大，数目逐渐增加并连成大麻坑，而形成扩展性点蚀。其特征是麻坑大而深，并沿节线全长扩展，分布范围较大。早期点蚀与扩展性点蚀对比见下图。扩展性点蚀将使齿形破坏，动负荷增大，传动平稳性降低、噪声加大，甚至迅速失效。,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,早期点蚀 扩展性点蚀,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,对于整体淬火钢或渗碳淬火钢齿面会偶然发生剥落损伤。当硬齿面的轮齿在重载作用下，由于材料缺陷或热处理造成的过大内应力，使轮齿表层或次表层材料以相当大的颗粒成片从齿面剥离，形成一般疲劳剥落损伤。,机械故障诊断6-1 齿轮

11、的失效形式,另外，剥落也可能由点蚀麻坑之间的金属脱落，小麻坑连接为大块凹坑而形成。剥落的特征是剥离的金属颗粒较大或呈碎片，形成的凹坑大而深，且断面较整齐。,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,一般剥落多出现在轮齿顶棱附近其分布范围较小；点蚀发展成的剥落多发生在节线附近分布范围较广，两种剥落损伤的比较见下图。,4 齿面塑性变形,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,在过大的接触应力作用下，齿面因材料屈服而发生塑性流动，引起齿面塑性变形。这种损伤通常发生于较软齿面，也可能发生于淬火等硬化处理的齿面。 由于齿面碎裂颗粒或外界异物进入啮合部位，在啮合压力作用下，可将齿面局部压出塑性变形的凹痕。或由于润滑

12、不充分、过载或振动而导致的“爬行”，从而引起齿面材料屈服，在齿面上沿垂直于滑动速度方向产生波纹状变形。压痕与波纹损伤见下图。,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,在过载或因啮合不良引起的冲击负荷作用下，由于啮合齿面相对滑动时的摩擦作用，致使齿面材料屈服流动而造成的齿面变形，称为碾击塑变。这种损伤的特征是，齿顶边缘或齿顶末端被挤出飞边，齿顶被碾圆变形，主动齿面节线附近出现沟谷，从动齿面出现蜂棱，见下图。,5 齿面烧伤,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,由于外部热源、过负载、过高速、齿侧隙过小或润滑不良而引起的严重摩擦，导致轮齿局部温度过高，也可能由于不适当的磨削工艺，致使局部温升过高而造成轮齿

13、烧伤。通常，当啮合区温度超过退火温度时，轮齿温度显著降低，齿面呈现退火色。烧伤严重时，可引起各种由于过高温升使硬度降低而造成的其他轮齿损伤。,2 轮齿折断 轮齿折断可以是局部齿、单个齿、多个齿发生折断的损伤形式。根据折断产生的机理，分为疲劳折断和过载折断，而轮齿上由于各种原因造成的裂纹是折断损伤的前兆。,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,1 轮齿裂纹,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,由于齿轮材料在治炼、铸造过程中混入的夹渣或其他非金属夹杂物；或因锻造过程的缺陷引起材料的局部细微开裂，称为材料毛坯裂纹，其微观表现为材料局部晶体不连续。 因热处理工艺不合理而造成过大的内应力时，可能产生相变转

14、化不协调裂纹。这种在硬化处理过程中形成的微型纹，其可见部位通常在齿的两端，在断面变化较大的圆角处产生径向裂纹；齿顶部产生横越齿顶的裂纹，见下图。,1 轮齿裂纹,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,不适当的磨削工艺、热处理工艺或两者都起作用而造成的局部过高温升，会引起磨削裂纹。其特征是具有某种规律的花纹，如右图所示的网状裂纹，有时呈条纹状，但这种裂纹宏观不易看出，需用无损检测法或在轮齿受载后才能显示出来，见下图。,1 轮齿裂纹,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,由于传动设计计算与配置不当、各种形式的超载或存在毛坯缺陷和制造缺陷，致使轮齿在超过了疲劳极限的条件下工作而逐渐形成疲劳裂纹。它是一种线

15、条状微裂纹，常出现在承载齿廓的齿根部，并沿齿根向齿宽方向延伸，或由齿端沿倾斜于齿廓的方向发展，见下图。,2 过载折断,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,过载折断是由于意外的严重过载造成的轮齿折断。齿轮安装不对中，使载荷集中于轮齿一端，较大异物落入啮合区，或轴承损伤、轴偏角过大而使轮齿啮合失常，设计或制造中的差错等，都是过载折断直接原因。,2 过载折断,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,过载折断的断面相应于材料延性的不同而分为脆性断裂和延性断裂。 脆性断裂常发生于材质较硬、较脆的轮齿上，断裂面呈现粗糙不平、多龟裂细纹，断开前无塑性变形； 延性断裂则发生于延性较好的材料，断裂面呈现平坦的微隆起

16、，断开前有塑性交形。 两种断口外观均无疲劳裂纹扩展的征兆，见下图。,3 疲劳折断,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,疲劳折断是由于在交变应力作用下，应力过高、材料及热处理等因素造成的。因各种因素引起的疲劳裂纹在交变应力作用下逐渐扩展，直到轮齿剩余的横截面不能承受全部载荷时，就发生突然断裂。 因此，疲劳折断断面上呈现两个相邻的断裂带，即疲劳裂纹扩展形成的疲劳断裂带，突然折断形成的脆性断裂带。前者呈细粒状、较平滑，其上可观察到疲劳源及一系列等高线，后者则呈现粗糙不平的脆性断裂状态，见下图。,3 组合损伤 造成轮齿损伤的原因错综复杂，一种损伤常常是另一种损伤的先兆或继续发展的结果。因此使用中轮齿损

17、伤往往不是单一的基本损伤形式而是两种或多种损伤形式的组合并呈现各种复杂的情况。,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,1 腐蚀磨损,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,腐蚀磨损是轮齿在相吻合的摩擦过程中，金属与周围介质发生化学、电化学反应而造成的轮齿损伤，是轮齿上化学腐蚀与机械磨损的组合损伤形式。 当润滑油中的杂质通过水、酸或化学添加剂与过饱和水化合，可促使其与轮齿金属材料发生化学和电化学反应，并侵蚀齿面；又由于啮合摩擦以及润滑油的冲刷，齿廓的锈蚀被磨损，这种组合损伤称为化学腐蚀磨损。其特征是在工作齿面上沿滑动速度方向呈现匀而细的密痕。,1 腐蚀磨损,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,当两金属

18、齿面间压力很高又相互压紧时，其表面的凸起部分相粘着，粘着结点受到小振幅的摆振所剪切，剪切处表面被氧化，将齿面侵蚀。这种微振磨损和侵蚀的反复作用，便形成齿廓的微振腐蚀磨损。同时其磨损产物还会进一步引起磨粒磨损。当振幅足够大时，振动应力也可能导致轮齿疲劳损伤。微振腐蚀磨损的特征是沿齿廓接触线方向产生难以搽除的粉粒状擦痕和凹痕，见图。,2 轮齿塑性变形,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,对于硬化处理的轮齿，特别是因润滑失常而造成的剧烈温升，将使轮齿的硬度和强度严重降低，在啮合过程中便产生轮齿整体严重塑性变形的损伤。对于塑性材质的轮齿，如强度过低和载荷过重等特殊情况下也可能引起轮齿严重塑性变形。这种

19、损伤是整个或部分轮齿产生丧失齿形的塑性变形，如图所示。对于表面硬化处理的齿轮，齿面还常伴有变色现象。,3 严重磨损断齿,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,轮齿在发生严重磨损等损伤后，其强度逐渐降低，当达到强度极限后，便发生严重磨损断齿。在发生轮齿最终断裂之前，往往已发生严重磨损、点蚀、剥落等其他损伤。这种断齿的形式可能是整齿、局部或齿角断，见图。,4 气蚀损伤,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,当高速传动的喷油射线射入具有一定几何形状的齿面时，可形成涡流低压区，当其压力低于润滑油的蒸发压力时，则润滑油中的溶解气体、水分等析出形成气泡。气泡进入啮合区时，如工作压力大于气泡内压，气泡被压溃而破

20、裂，并产生很大的瞬时冲击力及局部高温。 在气泡的形成和溃裂的反复作用下将使齿面产生疲劳冲蚀麻点。此外，在气蚀情况下，润滑油的添加剂与齿廓产生化学与电化学反应也会加速齿廓的气蚀损伤。,5 电蚀损伤,机械故障诊断6-1 齿轮的失效形式,由于电气设备等传导来的漏电流，在传动齿轮的啮合齿廓间形成电压，在轮齿的瞬间高速啮合和脱开时，使齿廓啮合处产生火花放电并侵蚀齿顶，即形成电蚀损伤。这种损伤的特征是，在齿廓上呈现大量的小“电弧坑点”，有时也可能出现稍大的“烧穿坑点”坑点的边缘呈现退火色。,一 齿轮的振动机理 1 齿轮装置的振动机理 齿轮可看成是以轮齿为弹簧、以齿轮本体为质量的振动系统。,机械故障诊断6-

21、2 齿轮的振动特点,6-2 齿轮的振动特点,由于齿轮刚度周期性变化、齿轮装配误差或扭矩变化等外因引起的激振力的作用，齿轮将会产生圆周方向的扭转振动。又由于轴、轴承、轴承座的变形或齿向误差等原因，圆周方向的扭转振动便会导致径向和轴向振动，从而形成轴承座的扭曲振动。,2 理论与实测都表明，齿轮的圆周方向、径向、轴向振动的基本频率数是一致的。 由于齿轮在以轮齿为蝉簧、齿轮体为质量的振动系统中，以齿轮刚度变化和齿轮误差为激振力而在圆周方向产生振动，此振动同时反映为齿面动载荷变化部分并产生轴和轴承挠曲振动，从而反映成齿轮径向振动。 其次，轴向振动是由于轴向力作用而产生的，齿面动载荷作用于轴承时，因轴向轴

22、承的摩擦力而产生轴向力。由于齿轮结构上两面有差异因而轴向力作用下便产生轴向振动。,机械故障诊断6-2 齿轮的振动特点,3 对于闭式传动，振动可通过轴承和轴承座传到齿轮箱体，使箱体侧壁产生振动并激发周围的空气振动而产生噪声。对于开式传动，则三个方向的齿轮振动直接激发空气振动而产生噪声。,机械故障诊断6-2 齿轮的振动特点,二 齿轮振动特征参数 1 齿轮及轴的转动频率fr 一对齿轮啮合作用时，产生最原始的作用频率为转频，其值是齿轮旋转速度的函数，即 ，,机械故障诊断6-2 齿轮的振动特点,式中fr齿轮旋转频率(Hz)； n齿轮旋转速度(rmin)。,2 齿轮的啮合频率fz,机械故障诊断6-2 齿轮

23、的振动特点,这种一对齿轮在相互啮合过程中，齿与齿之间的连续冲击作用将使齿轮产生频率等于啮合频率的受迫振动，并产生冲击噪声。引起这种振动和噪声的主要原因是，相互啮合的一对齿轮，其轮齿的弹性刚度会发生周期性的变化。齿轮啮合系数一般在l2之间，说明有时只有一对齿啮合，而有时两对齿啮合，其啮合对数随时在变化。当两对齿啮合时，轮齿的合成刚度相当于弹簧并联，明显大于一对齿啮合时的刚度，因而造成齿轮在整个啮合过程中，齿轮刚度产生周期性的大幅度变化，即一对轮齿啮合区与两对轮齿啮合区之间，轮齿弹性刚度有一个大的阶梯差。轮齿弹性刚度的变化使得的弯曲量也随之变化，便造成轮齿在进出啮合区时发生互相碰撞、引起齿轮产生频

24、率等于啮合额率的振动和噪声。,任何一对齿轮副，啮合频率为啮合周期的倒数。 对于定轴齿轮传动，齿轮啮合频率大小等于转频乘上齿轮的齿数，即,机械故障诊断6-2 齿轮的振动特点,对于有固定齿圈的行星轮系，其啮合频率为,可见一对相啮合的齿轮，其啮合频率是相同的。在试验过程中，精确测定齿轮的转速对计算啮合频率是十分必要的。,因齿轮受到外界持续传动力的作用，产生频率为齿轮固有颇率的瞬态自由振动，并带来噪声。由试验可知，齿轮振动时，将出现不同振动形态的多个固有频率，因而测量齿轮固有频率时，要与振型同时测定，用敲击法、共振法、或激光全息照相法可测得齿轮的基本固有频率和高阶固有频率。测量时，高阶固有频率的振动多

25、数在很短时间内就消失，只剩下基本固有频率振动。,机械故障诊断6-2 齿轮的振动特点,3 齿轮的固有频率,齿轮在正常和异常状态下都将产生固有频率振动，根据齿轮振动形态的变化，就能对齿轮作出故障判断。所以，对齿轮进行故障诊断时，必须分析固有振动频率。 齿轮的基本固有频率振动是齿轮的主要振动。一对直齿圆柱齿轮的固有频率为,机械故障诊断6-2 齿轮的振动特点,齿轮的固有频率多为1-10kHz的高频，当这种高频振动传递到齿轮箱等机件时，高频冲击振动已衰减，多数情况下只能测到齿轮的啮合频率。实际的自由振动频率比固有频率稍低。,三 齿轮异常的振动 如前所述，齿轮因作旋转运动或者由于轮齿啮合而产生振动，这种振

26、动无论齿轮处于正常或异常状态时都会发生。但是，随着齿轮所处的状态不同，振动形态就会有变化。利用振动法诊断齿轮装置的故障，正是根据振型的变化来进行的。因此分析齿轮在异常状态下的振动是齿轮振动诊断法的基础。,机械故障诊断6-2 齿轮的振动特点,1 齿轮磨损引起的振动 当齿轮所有的轮齿均匀磨损而使齿隙增大时，或者造成一端接触、裂痕、点蚀、剥落等损伤时，因啮合而产生的冲击振动的振幅与其他振动成分相比是很大的，并且冲击振动的振幅具有几乎相同的振平如图所示。 在此情况下发生的冲击振动频率为1kHz以上的高频。与此同时，正弦波中低频啮合的频率成分也增大。随着磨损的发展轮齿的弹性刚度表现出非线性的特点，相应的

27、振动波形也出现变化，产生啮合频率的2倍、3倍等高次谐波，或出现啮合频率的1/2、1/3倍等分数谐波。,机械故障诊断6-2 齿轮的振动特点,2 齿轮制造缺陷引起的振动 当齿轮存在偏心、周节误差、齿形误差等缺陷时，齿轮便不能平稳地运转或加速、减速，使轮齿与轮齿发生碰撞，使齿面受到很大的动态附加载荷的作用。在这种情况下高频域的振动波形如下图所示，啮合的冲击振动振幅偏移，对有周节误差的齿轮振动波形成为受旋转频率调制的波形，也会产生与啮合额率相对应的齿轮噪声。,机械故障诊断6-2 齿轮的振动特点,所以，对于高频振动的绝对值处理波形包含旋转频率的一次谐波fr和高次谐波nfr(n2，3等)成分、啮合频率fz

28、成分及其边带频率fznfr成分。对于低频域的啮合频率成分也是一样，在振动的原波形中包含旋转频率成分、啮合频率成分以及边带频率成分。,机械故障诊断6-2 齿轮的振动特点,机械故障诊断6-2 齿轮的振动特点,3 齿轮不同轴引起的振动 当齿轮旋转轴是用联细节联接的两根轴组成时，如果两根轴的中心线有偏移、成角或错开等不同轴的情况下，将会发生低频、高频的啮合频率及其边带波。,4 齿轮局部异常引起的振动 当齿轮存在有齿根部大裂纹、局部的齿顶磨损、缺陷造成的轮齿折断、局部的周节误差或齿形误差以及齿轮间隙增加时的转速变动等局部异常时，会在高频域引起振动，见下图。其波形表明只有存在局部异常的轮齿在啮合时才产生较

29、大的冲击振动，经绝对值处理后的波形中含有更多的旋转频率的成分。,机械故障诊断6-2 齿轮的振动特点,6-3 齿轮的振动诊断技术 一 检测参数与检测周期 齿轮的动态特性分析表明，齿轮的振动信号含有齿轮状态的丰富信息。为了获得正确的诊断结论，振动情号的测取将是关键的一步。 如前所述，齿轮所发生的振动中，有1kHz以上的高频固有振动和齿轮的旋转频率或啮合频率相关的低频振动。要利用这种宽频带频率成分的振动进行故障诊断，必须把所测取的振动按频带分类，然后根据各类振动进行诊断。,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,据美国齿轮制造协会推荐，振动频率在l0Hz以下时，将振动的一定位移级作为诊断的判定标准；

30、对于从10Hz到1kHz的振动频带，推荐以一定的速度级为判定标准；对于1kHz以上的振动，则以一定的加进度级为判定标准。 所以，利用振动对齿轮进行诊断时，对于与齿轮的旋转频率或啮合频率相关的低频振动，就利用振动速度作为检测参数；对于与固有振动频率相关的高频振动，则利用振动加速度作为检测参数。 但是，按振动速度、振动加速度分别检测出齿轮的异常种类不同，因此，耍考虑用两种方法同时进行检测，以提高诊断的有效性。,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,为了能及时发现处于初期的异常状况，必须定期进行检测。同时为了不忽略一些周期性异常较显著的部位和发展较迅速的异常状况，应该在既经济又可靠的条件下，将检测

31、周期安排得尽可能短些。,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,二 检测部位与检测方向 实际进行齿轮异常检测时，对于普通减速器，其检测部位选择轴承座盖；对于高速增速器，如轴承座在机箱内部，则选择轴承座附近刚性较好的部位或测量基础的振动。通常要求测定部位的表面应是光滑的，而且为了获得准确的测定值，应保持每次的检测位置不变。,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,由于齿轮发生的异常是各种各样的，随着异常种类的不同，发生最大振动的方向也不同。所以在进行测定时，应尽可能地沿水平、垂直、轴向三个方向进行测定。 由于水平方向和垂直方向发生的振动大致相同，如果由于机械结构或安全方面等原因不能在三个方向上检

32、测时，则可以选取水平方向和铀向，或者垂直方向与轴向这两种方向上检测。对于高频振动，由于振动在所有方向上同样传递，所以，利用高频域的振动进行故障诊断时，只需在最容易测定的一个方向上检测。,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,三 诊断程序和检测类型,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,在齿轮所发生的低频和高频振动中，都包含了对诊断各种故障非常有用的信息。所以在齿轮故障的振动信息测取时，为了不使有用的故障信息遗漏掉，通常按低频域和高频域两类程序进行检测和分析。 如前所述，通常1kHz以下振动按振动速度诊断为宜；而1kHz以上的振动按振动加速度诊断最为合适。但因不宜在同一测量部位安装两种传感器

33、，而加速度传感器又能测定频率范围较宽的振动，且可将其测取的加速度信号通过积分器转换成速度信号，故通常选用加速度传感器。,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,1 低频域振动诊断 低频域振动诊断的主要程序是，由加速度传感器测取的信号经电荷放大器放大后，由积分器将振动加速度信号转换成振动速度信号，然后再采用频域分析、平均响应分析等信号分析方法来识别齿轮异常振动的原因。,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,2 高频域振动诊断 齿轮的固有振动频率成分是以冲击振动的形态发生的，齿轮异常时随之变化。为诊断齿轮异常的原因，利用高频域振动诊断是有效的。 高频域振动诊断的主要过程是，由加速度传感器测取的信

34、号经电荷放大器放大后，再通过1kHz高通滤波器以抽出齿轮的固有振动频率成分，滤掉其他低频成分。 对于识别冲击性振动，不仅要利用信号中包含的频率成分，更重要的是信号中冲击发生的间隔期。因而需将滤波后的信号再进行绝对值处理，并将经过绝对值处理的信号通过频域分析、平均响应分析等信号分析的方法来判别齿轮异常的种类。,四 振动信号特征分析 1 功率谱分析 由于从混有周期波形的随机波形中很难直接识别其中的周期信号，因而根据振动的原始时域波形或设置带域后的时域波形就无法进行故障判断。而利用数字计算机或数据处理机，通过FFT变换将时域信号转换到频域中去进行分析，则能为抽取有用的故障信息提供途径，如随机信号的自

35、功率谱密度函数主要用来建立信号的频率结构，分析其频率组成和相应量大小，便能为齿轮故障判断从频域上提供依据。,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,图为齿轮箱的振动功率谱图。 a为齿轮箱在无负载时的振动功率谱，由图可见，由于齿轮旋转引起的40Hz、80Hz、120Hz为三个主要频率。 b为齿轮箱受55.9Nm负载时的振动功率谱，可见，除了a中出现的三个峰值外，增加了因齿轮啮合引起的的250Hz、280Hz等几个谱峰。 c为齿轮箱受167.8Nm负载时的振动功率谱，此时因齿轮啮合引起的频率250Hz、280Hz的谱蜂明显增大。因此由功率谱图的变化，可以判断

36、齿轮的工作状态是否正常。,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,应用功率谱分析时，频率轴横坐标可采取线性坐标或对数坐标，对数频率坐标(恒百分比带宽)适合故障概括的检测和预报，对噪声的分析与人耳的响应接近，但由于齿轮系统有较多的边频成分，采用线性坐标(恒带宽)会更有效。左图为某齿轮箱的功率谱，分别用两种坐标绘出，无疑使用线性坐标效果要好得多。,功率谱分析作为目前振动监测和故障诊断中应用最广的信号处理技术在齿轮箱的故障诊断中发挥了较大的作用，它对齿轮的大面积磨损、点蚀等均匀故障有比较明显的分析效果，但对齿轮的早期故障和局部故障不敏感，应采用其他分析方法。,2 调制信号（边频带）分析 齿轮振动有时

37、是很复杂的振动，而从一个复杂的齿轮振动功率谱图上，一般很难直观地看出其中的特点和变化。如进行调制信号（边频带）分析则能显示出齿轮振动状态的变化，有利故障判断。,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,要提取边频带信息，在频谱分析时必须有足够高的频率分辨率。当边频带谱线的间隔小于频率分辨率时，或谱线间隔不均匀，都阻碍边频带的分析，这时应对感兴趣的频段进行频率细化分析，以准确测定边频带间隔。,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,边频带分析一般从两方面入手：一是利用边频带的频率对称性，找出f土nfr（n1,2,）的频率关系，确定是否为一组边频带。如果是边频

38、带，则可知道啮合频率fz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。,图中以频率fz为中心，每隔fr有一谱线，就形成所谓边带信号。在实际振动功率谱测量中，边带信号近似为峰值间距ffr周期波形，如图b所示；如果纵座标表示的幅值用对数刻度，则图中波形更近似周期波形，其“周期”为fr。,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,根据边频带呈现的形式和间隔，有可能得到以下信息： 1当边频间隔为旋转频率fr时，可能为齿轮偏心、齿距的缓慢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，即这些缺陷的作用频率与该齿轮的旋转频率

39、fr一致。 2 齿轮的点蚀等分布故障会在频谱上形成类似1的边频带，但其边频阶数少而集中在啮合频率及其谐频的两侧。 3 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族形状各异。严重的局部故障还会使旋转频率fr及其谐波成分增高。,利用调制信号分析还可以识别齿轮的异常振源。 例如，小齿轮和大齿轮的旋转频率分别为f1和f2，啮合频率为fz。 经调制信号分析，如有间距为f1的边频带，则可判定缺陷存在于小齿轮。这是因为小齿轮调幅的上限边频带为fzf1、fz2f1和fz3f1，下限边频带为fzf1、fz2f1和fz3f1等。同样的，如果边频带具有间距f2，则判定缺陷存在于大齿轮上。,机械故障诊断6-3 齿轮的振动诊断技术,3 倒频谱分析 由于一般齿轮箱中都有很多转轴和齿轮，因而有很多不同的旋转速度和啮合频率。每个旋转频率都