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第八章齿轮箱故障诊断8.1齿轮失效形式齿轮的各种损伤发生概率：齿的断裂41%，齿面疲劳31%，齿面磨损10%，齿面划痕10%，其他故障如塑性变形、化学腐蚀、异物嵌入等8%。图8－1齿根部的应力集中一．齿的断裂齿轮副在啮合传递运动时，主动轮的作用力和从动轮的反作用力都通过接触点分别作用在对方轮齿上，最危险的情况是接触点某一瞬间位于轮齿的齿顶部，此时轮齿如同一个悬臂梁，受载后齿根处产生的弯曲应力为最大，若因突然过载或冲击过载，很容易在齿根处产生过载荷断裂。即使不存在冲击过载的受力工况，当轮齿重复受载后，由于应力集中现象，也易产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿在齿根处产生疲劳断裂。另外，淬火裂纹、磨削裂纹和严重磨损后齿厚过分减薄时在轮齿的任意部位都可能产生断裂。轮齿的断裂是齿轮的最严重的故障，常因此造成设备停机。二．齿面磨损或划痕A）粘着磨损在低速、重载、高温、齿面粗糙度差、供油不足或油粘度太低等情况下，油膜易被破坏而发生粘着磨损。润滑油的粘度高，有利于防止粘着磨损的发生。B）磨粒磨损与划痕含有杂质颗粒以及在开式齿轮传动中的外来砂粒或在摩擦过程中产生的金属磨屑，都可以产生磨粒磨损与划痕。一般齿顶、齿根问好摩擦较节圆部严重，这是因为齿轮啮合过程中节圆处为滚动接触，而齿顶、齿根为滑动接触。C）腐蚀磨损由于润滑油中的一些化学物质如酸、碱或水等污染物与齿面发生化学反应造成金属的腐蚀而导致齿面损伤。D）烧伤烧伤是由于过载、超速或不充分的润滑引起的过分摩擦所产生的局部区域过热，这种温度升高足以引起变色和过时效，会使钢的几微米厚表面层重新淬火，出现白层。损伤的表面容易产生疲劳裂纹。E）齿面胶合大功率软齿面或高速重载的齿轮传动，当润滑条件不良时易产生齿面胶合（咬焊）破坏，即一齿面上的部分材料胶合到另一齿面上而在此齿面上留下坑穴，在后续的啮合传动中，这部分胶合上的多余材料很容易造成其他齿面的擦伤沟痕，形成恶性循环。图8－2齿面点蚀三．齿面疲劳(点蚀、剥落)所谓齿面疲劳主要包括齿面点蚀与剥落。造成点蚀的原因，主要是由于工作表面的交变应力引起的微观疲劳裂纹，润滑油进入裂纹后，由于啮合过程可能先封闭入口然后挤压，微观疲劳裂纹内的润滑油在高压下使裂纹扩展，结果小块金属从齿面上脱落，留下一个小坑，形成点蚀。如果表面的疲劳裂纹扩展得较深、较远或一系列小坑由于坑间材料失效而连接起来，造成大面积或大块金属脱落，这种现象则称为剥落。剥落与严重点蚀只有程度上的区别而无本质上的不同。实验表明，在闭式齿轮传动中，点蚀是最普遍的破坏形式。在开式齿轮传动中，由于润滑不够充分以及进入污物的可能性增多，磨粒磨损总是先于点蚀破坏。四．齿面塑性变形软齿面齿轮传递载荷过大（或在大冲击载荷下）时，易产生齿面塑性变形。在齿面间过大的摩擦力作用下，齿面接触应力会超过材料的抗剪强度，齿面材料进入塑性状态，造成齿面金属的塑性流动，使主动轮节圆附近齿面形成凹沟，从动轮节圆附近齿面形成凸棱，从而破坏了正确的齿形。有时可在某些类型的齿轮的从动齿面上出现“飞边”，严重时挤出的金属充满顶隙，引起剧烈振动，甚至发生断裂。图8－3齿轮副的运动学分析8．2齿轮的振动机理与信号特征齿轮传动系统是一个弹性的机械系统，由于结构和运动关系的原因，存在着运动和力的非平稳性。图8-3是齿轮副的运动学分析示意图。图中O1是主动轮的轴心，O2是被动轮的轴心。假定主动轮以ω1作匀角速度运动，A、B分别为两个啮合点，则有O1AO1B，即A点的线速度VA大于B点的线速度VB。而O2AO2B，从理论上有ω2＝VB/O2B、ω3＝VA/O2A，则ω2ω3。齿轮啮合的特征频率——啮合频率从这个意义上说：齿轮传动系统的啮合振动是不可避免的。振动的频率就是啮合频率。也就是齿轮的特征频率，其计算公式如下：齿轮一阶啮合频率fC0＝(n/60)*z啮合频率的高次谐波fCi＝i×fCDi=2、3、4、…n其中：N——齿轮轴的转速（r/min）z——齿轮的齿数然而A、B又是被动轮的啮合点，当齿轮副只有一个啮合点时，随着啮合点沿啮合线移动，被动轮的角速度存在波动；当有两个啮合点时，因为只能有一个角速度，因而在啮合的轮齿上产生弹性变形，这个弹性变形力随啮合点的位置、轮齿的刚度以及啮合的进入和脱开而变化，是一个随时间变化的力FC（t）。齿轮啮合的特征频率——边频带由于传递的扭矩随着啮合而改变，该扭矩作用到转轴上，使转轴发生扭振。由于在转轴上存在键槽等非均布结构，使得轴的各向刚度不同，因此，刚度变动的周期与轴的周转时间一致，激发的扭振振幅也就按转轴的转动频率变动。这个扭振对齿轮的啮合振动产生了调制作用，从而在齿轮啮合频率的两边产生出以轴频为间隔的边频带。边频带也是齿轮振动的特征频率，啮合的异常状况反映到边频带，造成边频带的分布和形态都发生改变。可以说：边频带包含了齿轮故障的丰富信息。此外齿轮制造时所具有的：偏心误差、周节误差、齿形误差、装配误差等都能影响齿轮的振动。所以在监测低精度齿轮的振动时，要考虑这些误差的影响。从故障诊断的实用方面来看，只要齿轮的振动异常超标，就是有故障，就需要处理或更换。所以大多数情况下，并不需要辨别是哪种误差所引起，只需判定能否继续使用。一．功率谱分析法功率谱分析可确定齿轮振动信号的频率构成和振动能量在各频率成分上的分布，是一种重要的频域分析方法。幅值谱也能进行类似的分析，但由于功率谱是幅值的平方关系，所以功率谱比幅值谱更能突出啮合频率及其谐波等线状谱成分而减少了随机振动信号引起的一些“毛刺”现象。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；但对于齿轮系统由于有较多的边频成分，采用线性坐标（恒带宽）会更有效。8．3齿轮的故障分析方法图8－4某齿轮箱的功率谱图8—4为某齿轮箱的功率谱，分别用线性坐标和对数坐标绘出，无疑使用线性坐标效果要好得多。振幅振幅图8－5工程实际应用的频谱图a)幅值谱b)细化后的边频带二．边频带分析法边频带成分包含有丰富的齿轮故障信息，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，必要时应对感兴趣的频段进行频率细化分析(ZOOM分析)，以准确测定边频带间隔，见图8—5。边频带出现的机理是齿轮啮合频率fz的振动受到了齿轮旋转频率fr的调制而产生，边频带的形状和分布包含了丰富的齿面状况信息。一般从两方面进行边频带分析，一是利用边频带的频率对称性，找出fz±nfr（n=1、2、3…）的频率关系，确定是否为一组边频带。如果是边频带，则可知道啮合频率ƒZ和调制信号频率ƒr。二是比较各次测量中边频带幅值的变化趋势。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ƒr时，可能为齿轮偏心、齿距的缓慢的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，即这些缺陷的重复频率与该齿轮的旋转频率相一致。旋转频率ƒr指示出问题齿轮所在的轴。图8－7图8－62）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(参见图8-6)。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冲击调制，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。(参见图8-7)。严重的局部故障还会使旋转频率ƒr及其谐波成分增高。需要指出的是，由于边频带成分具有不稳定性，在实际工作环境中，尤其是几种故障并存时，边频族错综复杂，其变化规律难以用上述的典型情况表述，而且还存在两个轴的旋转频率ƒri(主动轴ƒr1，被动轴ƒr2）混合情况。但边频的总体水平是随着故障的出现而上升的。例如：齿面磨损、点蚀等表面缺陷，在啮合中不激发瞬时冲击，因而边频带的分布窄，边频带的振幅随磨损程度的增大而增高。断齿、裂齿、大块剥落等在啮合中激发瞬时冲击的缺陷，反映到边频带中就是分布变宽，随着这类缺陷的扩大，边频带在宽度和高度上也增大。三．倒频谱分析法对于同时有数对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图，由于每对齿轮啮合时都将产生边频带，几个边频带交叉分布在一起，仅进行频率细化分析识别边频特征是不够的；由于倒频谱处理算法将功率谱图中的谐波族变换为倒频谱图中的单根谱线，其位置代表功率谱中相应谐波族(边频带)的频率间隔时间(倒频谱的横坐标表示的是时间间隔，即周期时间)，因此可解决上述问题。图8-8是某齿轮箱振动信号的频谱，图8-8a的频率范围为0~20kHz，频率分辨率为50Hz，能观察到啮合频率为4.3kHz及其二次三次谐波，但很难分辨出边频带。图8－8用倒频谱分析齿轮箱振动信号中的边频带功率谱：频率f/kHz；倒频谱：周期时间τ/ms图8—8b的频率范围为3.5～13.5kHz，频率分辨率为5Hz，能观察到很多边频带，但仍很难分辨出边频带。图8—8c的频率范围进一步细化为7.5～9.5kHz，频率分辨率不变，可分辨出边频带，但还有点乱。若进行倒频谱分析，如图8－8d所示，能很清楚地表明对应于两个齿轮副的旋转频率（85Hz和50Hz）的两个倒频分量（Ai和Bi）。倒频谱的另一个主要优点是对于传感器的测点位置或信号传输途径不敏感以及对于幅值和频率调制的相位关系不敏感。这种不敏感，反而有利于监测故障信号的有无，而不看重某测点振幅的大小（可能由于传输途径而被过分放大）。图8－9齿面磨损导致幅值上升趋势四．齿轮故障信号的频域特征①均匀性磨损、齿轮径向间隙过大、不适当的齿轮游隙以及齿轮负荷过大等原因，将增加啮合频率和它的谐波成分振幅，对边频的影响很小。在恒定载荷下，如果发生啮频率和它的谐波成分变化，则意味着齿的磨损、挠曲和齿面误差等原因产生了齿的分离（脱啮）现象。齿轮磨损的特征是，频谱上啮合频率及其谐波幅值都会上升，而高阶谐波的幅值增加较多，如图8-9所示。②不均匀的分布故障（例如齿轮偏心、齿距周期性变化及载荷波动等）将产生振幅调制和频率调制，从而在啮合频率及其谐波两侧形成幅值较高的边频带，边带的间隔频率是齿轮转速频率(fr)，该间隔频率是与有缺陷的齿轮相对应的。值得注意的是，对于齿轮偏心所产生的边带，一般出现的是下边带成分，即fz-nfr（n=1，2，3，…），上边带出现的很少。③齿面剥落、裂纹以及齿的断裂等局部性故障，将产生周期性冲击脉冲，啮合频率为脉冲频率所调制，在啮合频率及其谐波两侧形成一系列边带，其特点是边带的阶数多而分散，见图8—7所示。而点蚀等分布性故障形成的边带，在啮合频率及其谐波两侧分布的边带阶数少而集中，见图8—6所示。这些边带随着故障的发展，其频谱图形也将发生变化。齿轮故障与轴承故障的差异：1)齿的断裂或裂纹故障。每当轮齿进入啮合时就产生一个冲击信号，这种冲击可激起齿轮系统的一阶或几阶自振频率。但是，齿轮固有频率一般都为高频（约在1～10kHz范围内），这种高频成分传递到齿轮箱时已被大幅度衰减，多数情况下只能在齿轮箱上测到啮合频率和调制的边频带。其边频带的形状与分布与前期的正常状态相比，存在明显的变化。2)轴承故障。如果仅有齿轮啮合频率的振幅迅速升高，而边频的分布和振幅并无变化，则表明是轴承故障。8．4齿轮故障诊断案例例8-1：宣龙高速线材公司2006年9月，发现精轧22#轧机辊箱振动增大。图8－10是传动系统图。9月14日的频谱图调出这一期间的在线监测与故障诊断系统的趋势图和频谱图。在9月14日的频谱图上明显看到Z5/Z6的啮合频率谱线。见图8－11。图8－119月14日的振动频谱图特征频率表特征频率表8－1（22#轧机转速为1047r/min，谱图数据）由特征频率表可见，22架辊箱的Z5/Z6啮合频率（1072.6Hz=34.603HzX31齿），振幅在9月14日为1.71m/s2，其两侧有较宽的边频带，间隔为35.085Hz，与锥箱II轴的转频（34.603Hz）基本一致。序号故障信号频率(Hz)计算特征频率(Hz)振幅绝对误差