齿轮振动故障诊断与分析

机械监测与诊断技术论文齿轮震动故障诊断与分析学院：机械与动力学院姓名：刘聪学号：20121054222015年11月4号齿轮振动故障诊断与分析一．齿轮典型故障介绍(1)磨损磨损包括磨粒磨损、腐蚀磨损和冲击磨损，磨粒磨损是常见的磨损形式，一般是由于齿的工作表面进入了金属微粒、尘埃和沙粒等所引起的齿面擦伤或者齿面材料脱落，是润滑不好的开式传动齿轮的主要故障类型。齿轮磨损后，齿的厚度变薄，齿廓变形，侧隙变大，会造成齿轮动载荷增大，不仅会使振动和噪音加大，而且很可能导致断齿。磨损故障大概占齿轮常见故障比例的10%。(2)点蚀点蚀是减速箱等闭式齿轮传动系统中极其普遍的故障类型，约占齿轮常见故障比例的31%。齿轮受啮合过程产生的循环交变应力会在表面产生微小疲劳裂纹，啮合时润滑油进入该裂纹中后被封口并受挤压产生高压，从而扩大了裂纹，最终导致齿轮表面金属的脱落形成麻点状小坑，这就是点蚀。在齿轮表面硬度低于350HBS的闭式齿轮上，点蚀现象尤为常见。点蚀的出现会加大齿轮表面的局部接触应力，导致点蚀现象的恶化，进而加剧齿轮啮合时的噪声、降低齿轮传动的精度。(3)断齿断齿在齿轮故障类型中是最容易发生的，占齿轮常见故障比例的41%。断齿故障有过载断齿、疲劳断齿和缺陷断齿三种，这里面又以疲劳断齿最为常见，它是由于齿轮工作受到周期性载荷，弯曲应力超过弯曲疲劳极限而在齿根处产生疲劳裂纹，裂纹渐渐扩大，当载荷的循环次数达到一定值时，就会致使轮齿折断。断齿是所有齿轮故障中最严重的类型，经常会导致停工停产。(4)胶合齿轮润滑良好时齿面间会保持一层润滑油膜作用，但是当载荷较大、齿面间压力大、工作转速高、工作表面温度较高时，润滑油膜被破坏，使金属齿面直接接触，相接触的金属材料在高温高压作用下发生粘着，相粘连的齿面由于相对滑动而被撕裂，在相对滑动方向形成划痕。齿面的胶合故障，会加剧齿面的磨损程度和速度，从而使齿轮更加快速地失效。这种故障类型占齿轮常见故障比例的10%。(5)塑性变形软齿面齿轮重载或者突然的重载冲击情况下，齿面容易发生塑性变形。因为重载会大幅加大齿面的摩擦力，这会导致齿轮表面的材料呈现塑性状态，使齿轮表面的金属发生塑性流动，进而造成被动轮齿面中间凸起、主动轮齿面中间凹陷。塑性变形会使齿面偏离渐开线形状，引起齿轮传动比的变化，产生附加动载荷。齿轮塑性变形和化学腐蚀、表面龟裂等其它类型的一些故障，占齿轮常见故障比例的8%。二．齿轮振动类型及特征即便在理想状态下，齿轮传动也会有振动产生，更何况是实际中齿轮的工作环境一般都比较恶劣，再加上齿轮的制造问题、安装问题、故障问题等的影响，因此齿轮传动中的振动根本是无法避免的。1.齿轮振动类型介绍不同的原因引起不同类型的振动，根据振动的来源一般可以把它们归为两类：一类是由齿轮正常啮合传动中交变载荷引起的，包括啮合振动和固有振动；另一类是由齿轮故障或者误差引起的，如齿形误差、磨损、断齿等引起的振动。各种振动都有各自不同的特点，下面简单介绍一下：(1)齿轮的啮合振动齿轮传动时，一对齿轮副中的两个齿轮相互啮合时会产生弹性变形，使刚进入啮合的齿轮发生撞击，从而产生振动，齿轮的啮合振动是无论齿轮状态的正常与否都会存在的，但是振动水平会存在差异。(2)齿轮的固有振动齿轮在啮合过程中产生的周期性冲击载荷的作用下，会激起固有振动，这种振动也是无论齿轮处于正常或者异常状态都会发生的，齿轮的固有振动频率就是产生的振动中的高频分量。齿轮的固有振动会激起共振，而共振现象又会使齿轮的振动处于一个极高的水平，最终就会引起齿轮的断齿故障。因此，一个准确的齿轮的固有频率数值，对于齿轮故障诊断来说具有比较重要的参考价值。(3)齿轮磨损引起的振动齿轮齿面的磨损会使齿隙增大，进而导致齿轮啮合频率及其各次谐波振动分量幅值的增大，但是信号基波幅值增长缓慢，各次谐波分量幅值增长比基波快很多。(4)齿轮局部异常引起的振动齿轮的局部异常是指齿轮发生断齿、根部产生大裂纹等，它会产生激励，进而引起冲击振动，冲击剧烈时，不但会出现啮合频率的调制现象，还会出现固有频率的调制现象。(5)齿轮误差引起的振动齿轮存在误差使齿轮副相互啮合时产生撞击，从而产生振动，撞击频率是啮合频率。以齿轮偏心和周节误差为例，前者会提升齿轮转频振幅，后者则会在齿轮啮合频率及其谐波上产生振动分量，增大它们的振幅。两者都存在时就会出现调制现象，振动的高频部分会出现转频的高次谐波、啮合频率，且产生调制边频带。(6)齿轮不同轴引起的振动齿轮不同轴会导致啮合频率调制现象的出现，并且存在调制边频带，但是它的边频带分布情况和齿轮误差、点蚀、断齿等的不同。上述6种振动类型，很明显(1)、(2)属于分类中的第一种，(4)-(6)属于第二种。正常齿轮中最主要的振动是啮合振动，而对于异常齿轮来说，除啮合振动之外，误差和故障也会使齿轮产生振动，有的甚至是冲击振动。而冲击振动如果比较强烈的话，将会引起共振现象，进而产生更加强烈的振动。这些振动通过一定方式以不同路径在齿轮箱体内外随机传递，其中存在“齿轮-键-轴-轴承-箱体”的路径，一般的齿轮故障模拟试验进行振动信号采集时都是利用这条路径，将传感器放在紧靠轴承这一振源处的箱体上。最后通过一定的手段和方法从齿轮振动信号中提取出正常振动信息和齿轮故障信息，实现齿轮故障诊断的目的。2.故障齿轮振动信号特征(1)齿轮磨损故障齿轮磨损是指均匀磨损，不包括局部齿面磨损。当齿轮发生磨损后，受调制现象影响，齿轮啮合频率及其各次谐波的振动分量与正常齿轮啮合情况的相比会更加突出，位置虽然不会发生改变，但是幅值大小会发生改变，且幅值会随着故障程度增大而变大。试验中测得的齿轮磨损故障的时域波形如图2-1所示。(2)齿轮点蚀故障如图2-2所示，齿轮点蚀故障时，同磨损故障一样都会产生啮合频率的幅值调制现象，有些文章甚至将齿轮的磨损和点蚀故障都归为小周期故障，这也从一定程度上说明了这两种故障的波形具有一定的相似性。但是相比较来说，均匀磨损故障的边带较集中且阶数少，点蚀故障的边带谱线分散且阶数多.(3)齿轮断齿故障不同于以上两种齿轮故障的情况，齿轮发生断齿故障时发生的幅值调制现象是以齿轮轴的旋转频率为载波的，且齿轮断齿相当于在故障点轮齿刚度产生突变，在时域波形图上会产生比较强烈的冲击信号，具有明显的周期性，周期为齿轮轴的旋转周期，图2-3可以清晰地表现出断齿故障的这种振动特征。另外值得一提的是，齿轮断齿程度比较严重时，由于其振动能量比较大、激起振动的能力也会比较强，这样既会导致齿轮啮合频率调制的出现，又会激励起齿轮的固有振动频率，从而发生齿轮的固有频率振动调制现象。（4）齿轮振动有限元分析实际研究表明齿轮发生固有频率调制现象后极易导致齿轮箱发生故障的，所以固有频率在齿轮故障诊断中占据很重要的地位，为此，本文利用三维建模软件Pro/E建立起不同故障类型齿轮的模型，求解齿轮的固有频率和主振型，观察不同故障类型齿轮的差异，从这个角度观察一下齿轮不同故障对振动的影响。利用Pro/E软件建立的正常、磨损、点蚀、断齿四种状态的齿轮模型如图3-1所示。总结以上主要是对齿轮的振动分析，具体可分为以下两个部分。（1）对齿轮的典型故障和齿轮传动啮合时的振动类型分析。（2）利用三维建模软件和有限元分析软件分别对齿轮四种不同状态进行建模和模态分析。参考文献[1]王旭东.船用齿轮箱振动分析及结构噪声预估[D].重庆:重庆大学机械设计及理论学科硕士论文,2006:1-5.[2]马学知.基于虚拟仪器的齿轮故障测试系统[D].长沙:湖南大学电路与系统学科硕士论文,2007:1-3.[3]韩清凯,于晓光.基于振动分析的现代机械故障诊断原理及应用[M].北京:科学出版社,2010:2-3.[4]何正嘉,訾艳阳,孟庆丰,等.机械设备非平稳信号的故障诊断原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2001:1-4.