齿轮箱状态监测与故障诊断技术

8齿轮箱状态监测与故障诊断技术￭齿轮箱常见故障￭齿轮箱故障的特征频率与边频带￭齿轮箱振动信号分析诊断方法￭齿轮箱故障的噪声诊断齿轮箱状态监测与故障诊断技术￭齿轮箱常见故障由于制造误差、装配不当或在不适当的条件（如载荷、润滑等）下使用，常会发生损伤等故障，常见有四类：（1）齿的断裂有疲劳断裂和过负荷断裂两种疲劳断裂：通常先从受力侧齿根产生龟裂、逐渐向齿端发展而致折断;过负荷断裂：由于转速急剧变化、轴系共振、轴承破损、轴弯曲等原因，使齿轮产生不正常的一端接触，载荷集中到齿面一端引起.齿轮箱状态监测与故障诊断技术（2）齿的磨损由于金属微粒、污物、尘埃和沙粒等进入齿轮而导致材料磨损、齿面局部熔焊随之又撕裂的现象（3）齿面疲劳由于齿面接触应力超过材料允许的疲劳极限。表面层先产生细微裂纹，然后小块剥落，直至整个齿断裂（4）齿面塑性变形如压碎、趋皱齿轮箱状态监测与故障诊断技术齿轮箱失效原因及失效比重失效原因失效比重(%)齿轮箱缺陷设计1240装配9制造8材料7修理4运行缺陷维护2443操作19相邻部件(电动机、联轴器等)缺陷17齿轮箱状态监测与故障诊断技术齿轮箱的失效零件及失效比重失效零件失效比重（%）齿轮60轴承19轴10箱体7紧固件3油封1齿轮箱状态监测与故障诊断技术轮齿损伤形式类别项目形式原因齿面损伤齿面磨损正常磨损、磨粒磨损、干涉磨损、刮伤、槽痕啮合初期、异物侵入、参数设计不合理、安装误差润滑不良等粘着撕伤局部压力过高、法向压力较大、滑动速度过高等齿面疲劳早期点蚀、扩展性点蚀、剥落齿面局部凸起、接触应力过高、内应力过大等齿面塑性变形压痕、碾击塑变、波纹、隆起异物混入、过载、啮合不良、润滑不充分等烧伤局部温度过高轮齿折断轮齿裂纹屑料毛坯裂纹、硬化处理裂纹、磨削型裂纹疲劳裂纹材料、毛坯和热处理缺陷交变应力的作用等齿轮箱状态监测与故障诊断技术类别项目形式原因轮齿折断过载折断严重超载疲劳折断各种因素产生的疲劳裂纹、变应力作用等组合损伤腐蚀磨损化学腐蚀磨损、激振腐蚀磨损润滑油中含杂质、齿面间压力过高、存在微振等轮齿塑性变形润滑失常严重磨损断齿存在磨损、点蚀、剥落等各种损伤气蚀瞬时冲击力、局部高温电蚀存在漏电流轮齿损伤形式齿轮箱状态监测与故障诊断技术齿轮装置故障检测参数的有效性部位故障大类损伤名称振动噪声扭矩油液温度光学齿轮轮齿断裂超载断裂疲劳断裂冲击断裂√√√○○○√√√×××△△△△△△磨损磨料磨损刮痕腐蚀磨损侵蚀剥落√√√√√○○○○○○○○○○○○○○○△△△△△×××××塑性变形波痕碾击变形锤击变形√√√○○○√√√○○○××××××齿面疲劳凹痕凹孔压伤√√√○○○○○○√√√△△△×××齿轮箱状态监测与故障诊断技术部位故障大类损伤名称振动噪声扭矩油液温度光学齿轮轮齿烧伤烧伤√○○○○○组合损伤咬人异物气蚀电蚀√√√△△△○○○○○○△△△×××旋转机构不平衡不对中松动√√√○○○△△△×××××××××润滑系统温度升高严重漏油油质劣化×××××××××××√√△○×××注：√——最有效○——尚有效△——有可能×——不适用齿轮装置故障检测参数的有效性齿轮箱状态监测与故障诊断技术齿轮箱状态监测与故障诊断技术2、齿轮箱故障的特征频率与边频带在生产条件下很难直接检测某一个齿轮的故障信号，一般是在轴承箱体有关部位测量。当齿轮旋转时，无论齿轮发生了异常与否，齿的啮合都会发生冲击啮合振动，其振动波形表现出振幅受到调制的特点,甚至既调幅又调频。各类故障在频域中的表现如下：1）当齿轮均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量保持不变，但幅值大小改变，高次谐波幅值增大较多；2）调幅现象。它是由于齿面载荷波动对幅值的影响造齿轮箱状态监测与故障诊断技术成的，调幅的一个原因是齿轮偏心，此时的调制频率为齿轮的回转频率。当在齿轮上有一个齿存在局部缺陷时，相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲的长度等于齿的啮合周期3）调频现象。在实际情况中，同样的齿面压力的波动，在产生调幅现象的同时，也会引起频率调制现象，其结果是在谱上得到一个调幅与调频综合形成的边频带。齿轮存在偏心时，由于齿面载荷变化引起调幅现象的同时，又由于齿轮转速的不均匀而引起调频现象。齿轮箱状态监测与故障诊断技术4）附加脉冲。实际测得的信号不一定对称于零线，可将信号分解为两部分：即调幅部分和附加脉冲部分。附加脉冲是回转频率的低次谐波。平衡不良、对中不良和机械松动等，均是回转频率的低次谐波振源，但不一定与齿轮缺陷直接有关。附加脉冲的影响一般不会超出低频段，即在啮合频率以下；5）隐含谱线。是功率谱上的一个频率分量，产生的原因为加工过程给一个齿轮所带来的周期性缺陷。随机振动时历曲线齿轮箱状态监测与故障诊断技术齿轮频谱上边频带的形成齿轮箱状态监测与故障诊断技术0()(1cos)sin()mxtAmtt000()sin()sin[()]sin[()]22mmmAmAxtAttt齿轮箱状态监测与故障诊断技术局部缺陷：相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲长度等于齿轮的旋转周期。由此形成的边频带数量多且均匀。分布缺陷：由于分布缺陷所产生的幅值调制较为平缓，由此形成的边频带比较高而且窄。并且，齿轮上的缺陷分布越均匀，频谱上的边频带就越高、越集中。齿轮箱状态监测与故障诊断技术齿轮箱状态监测与故障诊断技术齿轮振动特征频率的计算齿轮及轴的转动频率齿轮的啮合频率有固定齿圈的行星轮系，啮合频率为-任一参考齿轮的齿数;-参考齿轮的转数；-转臂的回转速度，当与参考齿轮转向相反时取正号，否则就取负号。()60rnfHz()60mnfzHz()()60rrcmznnfHzrzrncn齿轮箱状态监测与故障诊断技术3、齿轮箱振动信号分析诊断方法齿轮箱传动系统振动的频谱分析法和转子、滚动轴承的频谱分析在原理上是一致的。齿轮的制造与安装误差、剥落、裂纹等故障会直接成为振动的激励源－－齿轮轴的回转为周期表现为回转频率对啮合频率及其倍频的调制，在谱图上形成以啮合频率为中心、两个等间隔分布的边频带。由于调频和调幅的共同作用，最后形成的频谱表现为以啮合频率及其各次谐波为中心的一系列边频带群。边频带反映了故障源信息，边频带的间隔反映了故障源的频率，幅值的变化表示故障程度。￭齿轮故障诊断实质上是对边频带的识别齿轮箱状态监测与故障诊断技术用于齿轮箱振动信号的分析方法有：￭倒谱分析法￭希尔伯特包络分析法￭时频分析法￭时域模型法￭时域平均法齿轮箱状态监测与故障诊断技术齿轮箱不同部件故障的振动特征部件失效类型振动频率振幅特征振动方向其它转子失衡随增大,有峰值径向受悬臂式载荷时有轴向振动轴弯曲随增大径向最大截面扁平同上径向联轴器对中不良变化不定轴向较大齿轮联轴节振动特征与齿轮相同,但时有峰值配合松同上径向不良同上径向rfrfrnffrf2rrrfff，及n2rf2rrrfff，及n2rrrfff/n，及nrfrnff齿轮箱状态监测与故障诊断技术部件失效类型振动频率振幅特征振动方向其它齿轮齿面损伤损伤齿数随增大径向磨损严重时出现高阶振动,的振动能量明显增大断齿断齿数同上径向滚动轴承内圈剥落变化不定径向轴承的高频振动(10-60）KHz不易传给其它部位外圈剥落同上径向钢球剥落同上径向齿轮箱不同部件故障的振动特征rfrf,rsffrf0.5(1cos)rdnZfD0.5(1cos)rdnZfD22[1()cos]rddnfDD齿轮箱状态监测与故障诊断技术部件失效类型振动频率振幅特征振动方向其它滑动轴承润滑不良变化不定径向油膜涡动突变径向油膜振荡同上径向基础翘曲不平随增大轴向较大刚性不好随增大而减小径向说明:轴的转动频率:轴的临界转动频率:齿轮的固有频率Z:轴承钢球数:d轴承钢球直径:D轴承平均直径:α轴承的接触角:n自然数1,2,3,…齿轮箱不同部件故障的振动特征rf(0.420.48)rfnf2rrrfff，及nrfrfrfrfsfnf齿轮箱状态监测与故障诊断技术常见齿轮故障的振动时域波形及频谱特性齿轮箱状态监测与故障诊断技术常见齿轮故障的振动时域波形及频谱特性齿轮箱状态监测与故障诊断技术齿轮箱故障的小波分析－1齿轮箱状态监测与故障诊断技术上图是电厂磨煤机齿轮箱中有64齿的双曲线从动齿轮之振动速度的时域平均图。从中可以发现在第600采样点处，即对应于角度200度处，振动发生变化，这是由于某一齿面存在碎片剥落所引起。时域内平均是由在一个旋转周期内的采样1024点实现的齿轮箱状态监测与故障诊断技术图为从时域平均中除去齿轮啮合频率及其所有谐波后的残余信号，由碎片剥落引起的振动变化在此图中更为明显齿轮箱状态监测与故障诊断技术图为球磨机齿轮箱上述振动残余信号经过Daubechies4（D4）小波分析后的均方图。较高模式出现在采样点600处，它覆盖了尺度7到11，指出了齿轮箱的损伤之处。齿轮箱状态监测与故障诊断技术图为球磨机齿轮箱上述振动残余信号经Daubechies20（D20）小波分析的均方图。对于从Daubechies4正交小波到Daubechies20正交小波分析上述振动信号时，信号中的主要特征比较一致，不同阶的Daubechies小波具有不同的类型，也就是它们的频带是不同的，因此有细小的区别。齿轮箱状态监测与故障诊断技术齿轮箱故障的小波分析－2图为Wessex直升机疲劳损伤测试中，主回转齿轮箱驱动端螺旋斜齿轮（齿数为22）的振动加速度时域平均。齿轮箱状态监测与故障诊断技术图为除去所有与齿啮合频率及其谐波后的残余信号。可以看出，在采样点750附近，即对应于转角265度附近有一较高的峰值，这表示齿轮齿面有疲劳裂纹。齿轮箱状态监测与故障诊断技术图为直升机齿轮残余信号的D4小波的均方图。可以看出，在采样点750附近，即对应于转角265度附近有一较高的能量。齿轮箱状态监测与故障诊断技术齿轮箱例2#机组齿轮箱参数齿轮齿数转速（rpm）Z11112958Z126127431149.7560nfHz2212.38fHz11225522.0effZfZHz齿轮箱状态监测与故障诊断技术齿轮箱频谱图齿轮箱时域波形位置序号①②③④频率(Hz)211148429725516幅值(mm/s)0.6384.9981.0530.215为箱体振动和齿轮传动发生共振，并且有二次谐波成分322214ppfff齿轮箱状态监测与故障诊断技术位置③和④经过细化后各频率成分值齿轮箱状态监测与故障诊断技术位置编号ABCB’A’频率Hz2547.02761.42975.93180.43394.9幅值mm/s0.1380.1600.3590.1260.052位置编号DEFE’频率Hz5429.25479.05528.95578.7幅值mm/s0.0220.0320.1540.017边频带各相邻峰值间的频率为212Hz，为小齿轮转频。紧靠C左右两侧两个峰值与C的频率差分别为50Hz，为大齿轮转频。齿轮箱状态监测与故障诊断技术例2#机组电动机：转速：1485rpm；功率：1250Kw；3#机组电动机：转速：1492rpm；功率：1250Kw；2#和3#增速机：低速齿轮齿数：91；高速齿轮齿数：31；齿轮形式：人字齿2#和3#机组鼓风机：D570-1.3/0.95-1（两级离心式）；额定转速：4320rpm；风量：1150m3/min。电动机轴承均为滚动轴承；增速机和风机为滑动轴承支撑。图12#和3#鼓风机传动和测点布置示意图齿轮箱状态监测与故障诊断技术表12#机组振动数据（2000年10月20日测试，单位为mm/s）测点V（垂直径向）H（水平径向）A（轴线方向）346.57.26.28.07.5145620227.0125.25.5齿轮箱状态监测与故障诊断技术增速机6#测点振动加速度波形和频谱见图2和图3。可见波形图上出现明显冲击，伴随冲击还存在类似于谐振的波形，冲击间隔为40ms即25Hz，正好为低速轴的转频。啮合频率（24.75Hz*91=2252.25Hz）为主导振动频率，在齿轮啮合频率2252Hz附近（在最大分析