齿轮故障诊断

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,齿轮故障诊断,*,第六章齿轮故障诊断,一、齿轮传动,齿轮传动是常用的一种传动方式,在旋转机械中其故障约占10%,有各种分析方法来诊断齿轮故障,有各种诊断仪器来帮助诊断故障,新技术还在发展中,1. 齿轮,传动,类型,齿轮传动,平面齿轮传动 空间齿轮传动,直齿轮 斜齿轮 圆锥齿轮 交错轴斜齿轮 蜗轮蜗杆,外啮合 内啮合 齿轮齿条 平行轴斜齿轮 人字齿轮,常用齿轮传动机构,often used gear mechanism,直齿轮传动,spur gear,斜齿轮传动,helical gear,人字齿轮传动,double helical gear,内直齿轮传动,internal gear,直齿锥齿轮传动,bevel,曲齿锥齿轮传动,spiral bevel gear,齿轮齿条传动,rack and gear transmission,外啮合直齿轮,内啮合直齿轮,(1),两轴线平行的圆柱齿轮机构,斜齿圆柱齿轮,人字齿圆柱齿轮,齿轮齿条传动,蜗轮蜗杆传动,两轴相交错的斜齿,圆柱齿轮机构,(2),相交轴齿轮传动,直齿圆锥齿轮传动,(3),交错轴的齿轮机构,由一系列齿轮组成的传动称为齿轮系。,2. 齿轮系,1,2,2,3,4,4,5,定轴轮系,：,当齿轮系转动时，若其中各齿轮的轴线相对于,机架的位置都是固定不动的。,齿轮系分类,(1) 定轴轮系,行星轮系,：,当齿轮系转动时，若其中至少有一个齿轮的,几何轴线绕另一齿轮的固定几何轴线运动,。,H,1,2,3,(2) 行星轮系,复合,轮系,: 既有行星轮系又有定轴轮系或有若干个行星轮系,组合而成的复杂轮系。,1,2,3,4,H,2,(3),复合,轮系,3. 齿轮传动特点,可以传动空间任意轴间的运动与动力,传动准确、平稳、效率高,工作安全、可靠，使用寿命长,齿轮传动机构应用于各行各业动力传递、运动分解、运动合成,轮齿折断,齿面损伤,点蚀,胶合,齿面磨损,塑性变形,过载折断,弯曲疲劳折断,二、齿轮的主要失效形式,轮齿损伤比例,损伤类型,断齿,点蚀,划痕,磨损,其它,比例,(%),41,31,10,10,8,1. 轮齿折断,Fn,现象: 一个齿或多个齿的整体或局部断裂。折断发生在齿根处。,原因：齿根弯曲应力大；齿根应力集中。,措施：材料及热处理,增大模数,增大齿根圆角半径,消除刀痕、喷丸、滚压处理,增大轴及支承刚度,(1) 过载折断,由于短时、过大或受到冲击载荷。无前兆，断裂处呈粗晶粒组织，一般多发生在事故中。,1）折断机理：受到重复载荷后，齿根处产生裂纹，并逐步扩展，当载荷的循环次数达到一定时，致使轮齿折断。,判断：断裂处分为光滑区核晶粒粗糟区。,(3) 提高抗折断措施,增大齿根处的过度圆角，光洁度 ,应力集中,支承及轴的刚度，使轮齿接触线上受载较为均匀,增大轮芯的韧性，抗弯能力,载齿根处施加适当的强化措施，使表面产生残余压应力，不易产生裂纹,(2) 弯曲疲劳折断,(1) 磨损,磨料磨损：,研磨磨损：,外界的硬屑粒进入啮合面，多发生在开式传动。,啮合面间的相互摩擦，由于齿轮啮合时除节点外，其他部分均存在相对滑动。,2) 磨损实例,1) 分类,2. 轮齿表面的失效,4) 措施,开式改闭式传动,加润滑油并常更换,齿面硬度,采用适当的组合材料,3) 原因,：相对滑动,齿面的磨损量与齿面的相对滑动量成正比，由于齿面上不同位置处的相对滑动量不同，所以磨损量也不同。,(1) 磨损,齿面不均匀磨损，使磨损后齿形发生变化，不再满足恒定传动比传动条件，造成传动比不稳定，引起附加动载荷。齿面磨损使齿厚减薄，使齿根的抗弯曲疲劳强度降低，并使齿轮最终表现为齿根减薄后的弯曲疲劳折断。,齿面材料在变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象。,1）点蚀机理,由于交变的接触应力作用产生疲劳裂纹，而当润滑油进入裂纹时，由于是压力油，又会使裂纹扩展，最后形成片状脱落。,2）现象：,点蚀发生的部位一般发生在靠近节线的齿根面上。,(2) 点蚀,(2) 点蚀,节点附近，相对滑动速度小，不利于油膜形成，润滑不良，摩擦力大；,特别是直齿轮，节点附近为单齿啮合区，轮齿受力最大；,两轮齿齿根部，相对速度过大，故向齿根扩展。,3) 原因,4）措施,表面硬度，以轮齿抗点蚀能力；,加润滑油，以,F,f,，,并且油的粘度，不易侵入裂纹；,采用变位齿轮(增大综合曲率半径,)， ,H,；,表面光洁度，,应力集中源。,相啮合的齿面在高速、重载下，使金属从齿面撕落而引起的一种严重粘着磨损现象。,(3) 胶合,1）原因,高速重载齿轮传动，齿面间的压力大，瞬时温度高，润滑差，两齿面会粘在一起，同时，两齿面又存在相对运动，因此粘住的地方被撕裂，形成伤痕。较软的被较硬的撕下；齿面越软，越易发生胶合。,(3) 胶合,2）措施,采用角变位齿轮，降低齿高；以,滑动系数；,采用小模数，以,相对滑动速度；,采用抗胶合好的润滑油、齿轮副材料(相同的材料胶合的可能性大)、专门的添加剂；,光洁度，以,F,f,；,材料的硬度及配对。,齿轮传动时，由于齿轮材料较软，则在过大应力作用下，齿面材料因屈服产生塑性流动，而形成齿面的塑性变形。,(4) 塑性变形,从动轮,主动轮,(4) 塑性变形,2) 措施,齿面硬度，,减小接触应力，,塑变；,油的粘度，以利于油膜形成，改善润滑，,F,f,。,1) 形成机理：重载，齿面软。,主动轮：,F,f,背离节线，齿面产生凹沟；,从动轮：,F,f,朝着节线，齿面产生凸棱。,弯曲折断,点蚀,胶合,磨损,塑性变形,齿轮主要失效形式总结,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,对一般工况下的齿轮传动，其设计准则是：,保证足够的齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断。,保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。,对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应按齿面抗胶合能力的准则进行设计。,由实践得知：,闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主。,闭式硬齿面或开式齿轮传动，以保证齿根弯曲疲劳强度为主。,三、齿轮设计准则,四、齿轮材料及其选择原则,1. 对齿轮材料性能的要求,齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：,齿面硬、芯部韧,。,2.,常用齿轮材料,钢,锻钢,铸钢,碳钢,合金钢,除尺寸过大，或结构复杂者，一般常用。,铸铁,非金属材料,较脆，抗冲击及耐磨性较差，但抗胶合和抗点蚀能力好。常用于工作平稳，速度较低，功率不大的场合。,适用于高速、轻载及精度不高的场合。,用于尺寸较大，结构复杂者。,五、齿轮传动其他影响因素,制造的质量问题,装配的质量问题,安装的质量问题,六、齿轮传动中振动信息,啮合频率及其各次谐波,隐含成分,啮合频率及其它一些高频成分两侧的，由于故障调制效应产生的边频带,旋转轴工作频率及其低次谐频。这是由于某种附加冲击脉冲而引起的冲击振动,齿轮、轴等零件的谐振频率,交叉调制成分,1. 啮合频率及其谐频,啮合频率,f,m,N,齿轮轴转速,Z,齿,轮齿数,两齿轮啮合时产生振动，振动频率称为啮合频率,2. 隐含成分,减速机齿轮箱频谱,(,a),新齿轮振动频谱,(b),运行1月后振动频谱,由齿轮加工机床分度齿轮带来的周期性缺陷，对应于齿轮滚齿机工作台分度蜗轮的啮合频率。,特点：,(1)不受载荷变化的影响；,(2)当齿轮运转一段时间后，由于齿轮均匀磨损，啮合频率及各次谐波的振动分量逐渐增加，而隐含成分及其各次谐波却逐渐下降。,(,鬼线,Ghost Component,),啮合频率成分上升5,dB,隐含成分下降5,dB,反映齿廓磨损情况。,调制现象,幅值调制,频率调制,原理,：,3. 边频带,例如：一个轮齿上的局部缺陷就相当于齿轮每转一周产生一个脉冲激励，齿轮的啮合频率被一个短的周期脉冲所调制，在频谱中表现为在啮合频率两侧有大量的边频带，其幅值较低，且分布均匀而平坦。,(1) 局部缺陷,幅值调制,是指比较均匀分布的缺陷，它相当于时域包络线较宽的脉冲。因此，它在频域中表现为在啮合频率两边产生了一簇幅值较高、起伏较大、分布较窄的边频带。,(2) 均布缺陷,幅值调制,边带现象,调频效应是由于齿距周期性变化、速度变化及不对中引起的。事实上，一个齿轮上的载荷发生波动就会引起速度的波动，所以，常常在调幅的同时也必然会产生频率调制效应，调频的结果，同样引出一簇,边频带,，其间距的含义与调幅时相同。,频率调制,啮合频率,f,m,两侧有一簇边频带，谱线间隔即故障特征频率,f,c,，,它等于齿距一个变化周期的倒数，即,f,c,=1/,t,c,调频效应,齿轮调频信号,(,a),齿距周期性变化产生调频信号,(,b),频谱图,频率调制,齿轮振动信号的共振调制,有故障就有调制出现。,实例：某增速机实测,啮合频率,f,m,=1200Hz (,齿轮固有频率同)，故障为轴频,f,0,。,拆检：齿轮普遍轮齿节线附近有严重剥落。,注,：1200,Hz,之所以有这么高幅值是由于该频率与低速轴齿轮固有频率相同，是啮合频率激发了该齿轮共振。,激励能量对不同调制振动的影响,(1) 由轴弯曲和齿轮本身存在的缺陷和故障均可产生调制现象；,(2) 调制的载波频率有三种：,a),啮合频率及其高次谐波,b),齿轮谐振频率,c),箱体谐振频率,(3) 不同激励能量有不同的调制振动：,a),故障较轻，如轻微的轴弯曲或面积小、数量少的齿面点蚀,啮合频率,为载频，轴频为调制频率；,b),故障较严重、激振能量较大时,齿轮本身的谐振频率,为载波频率；,c),故障非常严重、激励能量非常大时,箱体固有频率,为载波频率。,4. 附加脉冲,实测信号不对称于零线时，可分为对称于零线的调制部分和附加脉冲部分。频谱上附加脉冲部分为回转频率及其谐波，频率较低。,平衡不好、对中不良、机械松动可能造成附加脉冲，与齿轮缺陷无关。,5. 齿轮、轴等零件的谐振频率,在很多情况下，齿轮或齿轮箱在承载运行中，由于其它激振力而引起了齿轮、轴或轴承内、外圈滚动体等零件的谐振。在频谱图上出现某些高峰值，也不对应某些特征频率，则这些频率可能是某零件的谐振频率，因此需在做谱分析前，通过计算获得其谐振频率数值，结合频谱才能做出准确判断。,在齿轮箱振动的频谱中还会出现一些其它的成分，这些频率成分大都是由上述的基本成分互相调制而成的，它表现为一些频率的和频及差额。它们并不独立，只有那些基本成分改变时才会有所改变，一般不用考虑和分析它。但了解这些成分的存在及其含义，有利于我们去观察和分析齿轮的信号，取其特征，舍去一般。,6.交叉调制成分,七、齿轮故障诊断技术,1. 时域波形法,2. 时域参数分析法,峰值,均方根值,脉冲指标,裕度指标,歪度指标,峭度指标,无量纲,指标,峭度为4次矩，数据较突出，是评价信号冲击大小或波形尖峭程度重要指标。,3. 频谱分析法,由于时域信号受各种因素影响较大，波形复杂，难以清晰地判别。因此，对齿轮故障的判断较多地采用频谱分析法,。,4. 平均响应法,齿轮在各种状态下时域平均信号,a),正常齿轮时域平均信号,b),齿轮安装错位,c),齿面严重磨损,d),齿断裂(有突跳),时域平均实例,啮合不良,5. 细化分析,基带分析与细化分析比较,6,功率倒频谱,幅值倒频谱,频 谱,Spectrum,倒频谱,Cepstrum,对数功率的功率谱,倒频率,Quefrency,cf,:,频率,Frequency,. 倒频谱分析法,减速机的频谱与倒频谱,(,a),修理前,40,ms(25Hz),和120,ms (8.3Hz),明显40,ms,成分对应于轴速,是由于小齿轮齿廓受到磨损或齿轮轴不对中引起。,(,b),修理后,修理后消除了缺陷,40,ms,和120,ms,成分明显下降。,(,c),修理4年后,倒频谱无明显变化,表明减速机运行正常。,7. 瞬时频率波动分析,TFF,分析以,Hilbert,变换为基础，可提取调制频率变化曲线。信号中存在频率调制，则瞬时波动频率,TFF(t,),时高时低，围绕其载波频率上下波动。,TFF(t,),只与频率变化有关，与信号幅值无关。,频率解调法：,TFF,某厂,C6132,车床噪声大，即使在较低转速挡250,rpm,时仍有噪声。,分析,:,从时域信号看有冲击信号,从解调谱中看冲击频率为3.47,Hz,及其谐波等于轴轴频，可能有不平衡(可能性小)或轴弯曲(可能性大),轴上齿轮啮合频率的高次谐波,开箱检查,：轴产生弯曲，齿轮轮齿磨损严重。,某水泥厂球磨机齿轮箱诊断,球磨机传动结构图,D,球磨机齿轮箱振动极大,开式齿轮传动的啮合频率为52.5,Hz,电机转速为750,rpm/min，12.5Hz,减速箱体测试,点,频谱图,减速箱输出轴处测点频谱图,球磨机联轴结处轴承座测点频谱图,开式齿轮支撑轴承处测点频谱图,某厂一台,C523,立车发生了半年强烈异常振动，伴有严重噪声。根据实测电机转速为1000,r/min,时各种转频及啮合频率：,各轴转频及啮合频率(,C523,立车传动箱),轴序号,传动,转速(,r/min),转频(,Hz),啮合频率(,Hz),213/475,595.8,9.90,327.7,33/39,504.1,8.40,294.1,35/35,504.1,8.40,151.2,18/44,206.2,3.44,123.7,36/24,309.3,5.16,92.8,18/44,126.5,2.11,52.7,25/32,98.9,1.76,37.6,23/154,14.8,0.29,37.9,共振解调分析法,某变速箱一档被动齿轮断齿后的共振解调频谱图，其啮合频率5,HZ，,也出现了谐波群，并在其低频处，背景能量较高，这也表示了断齿后缺齿处冲击能量较大。,某种电动机振动信号的幅值概率密度函数,某电机对产品的概率密度函数检测,实验时间总共84,Hrs。,在72小时时，峭度系数已达到6，已发生疲劳破坏。到84小时时，到超过320。而,RMS,值及峰值在74小时无明显，在84小时时也还很小。如图为轴承疲劳试验过程。,英国钢铁公司应用其研制的峭度仪监测滚动轴承的实例,平均值=0.0019,有效值=.0587785,歪 度=.0257,峭 度=.0278814,(1),较正常，有冲击。 偏倚不大，峭度3,平均值=0.009,有效值=.0684331,歪 度=2.4553,峭 度=19.5389,(2) 正偏倚，峰凸度大。时域有明显周期，且周期大小有变化。,(3) 明显冲击,一般说来，当在啮合频率处有峰值时，意味着齿轮有问题；当出现啮合频率的高次谐波时，意味着劣化程度加剧；当出现边带，且边带峰值达到一定值时，意味着齿轮故障己很严重，到了失效的边缘。,