機械故障診斷學 鐘秉林 第10章旋轉機械的狀態(tài)檢測及故障診斷

1、第10章 旋轉機械的狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷 l 機械振動及其種類l 轉子系統(tǒng)振動故障診斷 機械故障診斷理論與方法第3篇 機械故障診斷技術的工程應用 2021-10-181內容安排l 齒輪箱故障診斷l(xiāng) 滾動軸承的振動信號分析應用篇。工程領域進行理論探索、方法研究和技術開發(fā)的終極終極目標目標是將其有關成果成功地應用于工程實踐，取得直接的經濟效益和社會效益。n旋轉機械故障診斷技術是近些年來國內外開展廣泛研究，發(fā)展比較成熟的故障診斷技術，具有一定的代表性，因此是應用篇的重點部分重點部分。n旋轉機械是指指齒輪箱、離心風機、離心泵、汽輪機、燃氣輪機、發(fā)電機、電動機、離心壓縮機、水輪機、航空發(fā)動機等機械設備，可

2、見，機械設備中大部分都是旋轉機械，它們廣泛應用于應用于電力、石化、冶金、機械、造紙、船舶、航空以及軍事等重要工程領域。一、概述2021-10-182n旋轉機械運行速度一般較高，且往往是關鍵設備，其工況狀態(tài)影響機器設備自身的安全穩(wěn)定、甚至可能導致重大經濟損失、機毀人亡的事故。n隨著科學技術和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，旋轉機械正朝著大型、高速和自動化方向發(fā)展，這對提高安全性和可靠性，發(fā)展先進的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術，提出了迫切要求。n本章以旋轉機械中最基本最基本的轉子系統(tǒng)、齒輪箱和軸承為對象，討論工況監(jiān)視和故障診斷方法。一、概述2021-10-183一、概述2021-10-184n在眾多可用于檢測與診斷的信

3、號中，如振動、溫度、壓力、聲響、位移、變形等，振動信號能夠迅速、直接地反映機械設備的運行狀態(tài)。n據(jù)統(tǒng)計，70%以上的故障都是以振動形式表現(xiàn)出來，用振動方法可以發(fā)現(xiàn)使用中的航空發(fā)動機故障的34%。n關于振動的一些概念：二、振動基礎2021-10-1852.1 機械振動及其種類 機械振動是自然界、工程技術和日常生活中普遍存在的物理現(xiàn)象。各種機械在運動時，由于諸如諸如旋轉件的不平衡、負載的不均勻、結構剛度的各向異性、間隙、潤滑不良、支撐松動等因素，總是伴隨著各式各樣的振動振動。二、振動基礎2021-10-186振動測試的3個基本參數(shù)：幅值、頻率和相位。 幅值 幅值是振動強度大小的標志，它可以 用不同

4、的方法表示，如如單峰值、有效 值、平均值等； 頻率 為周期的倒數(shù)。通過頻譜分析可以確 定主要頻率成分及其幅值大小，從而 可以尋找振源，采取措施； 相位 振動信號的相位信息十分重要，利用 相位關系確定確定共振點、振型測量、旋 轉件動平衡、有源振動控制、降噪等。二、振動基礎2021-10-187機械振動穩(wěn)態(tài)振動能夠用數(shù)學式明確表示的函數(shù)隨機振動需用數(shù)理統(tǒng)計方法來描述周期振動振動以周期T重復出現(xiàn)非周期振動振動無固定的周期平穩(wěn)隨機振動振動統(tǒng)計特性對時間為常數(shù)非平穩(wěn)隨機振動振動統(tǒng)計特性隨時間而變化二、振動基礎2021-10-188n從統(tǒng)計角度，旋轉機械振動可分成：2.2 簡諧振動n 簡諧振動是最基本的周

5、期運動，周期運動都可以用 多個不同頻率的簡諧運動的組合組合來表示。n 簡諧振動的運動規(guī)律可以用簡諧函數(shù)表示：yATtsin()2Af tsin()2Atsin()vdydtAf tcos()2advdtAf ty 222sin()位移速度加速度二、振動基礎2021-10-1892.3 周期振動y ty tnTn( )(), , ,. 0 1 2n 周期振動的定義： （按周期T重復）n 周期函數(shù)可以展開為傅里葉級數(shù)：1010sin(sincos)(nnnnnntnAAtnbtnaaty 旋轉機械的振動過程是一個以周期振動為主導主導的 隨機過程。 二、振動基礎2021-10-18102.4 轉子的

6、臨界轉速 旋轉機械在啟停升降速過程中，往往往往在某個(或某幾個)轉速下出現(xiàn)振動急劇增大的現(xiàn)象，有時有時甚至在工作轉速下振動也比較強烈。其振動原因往往是由于轉子系統(tǒng)處于臨界轉速附近產生共振：二、振動基礎 在無阻尼無阻尼的情況下，轉子的臨界轉速等于等于 其橫向固有頻率； 在有阻尼有阻尼的情況下，轉子的臨界轉速略高略高 于于其橫向固有頻率。 轉子的臨界轉速個數(shù)與轉子的自由度相等相等。 對實際轉子來說，理論上有無窮多個臨界 轉速，但但由于轉子的轉速限制，往往只能只能 遇見數(shù)個臨界轉速。二、振動基礎2021-10-1812nncr 051.050711.nnncrcrnncr 071.剛性轉子準剛性轉子

7、撓性轉子第一階臨界轉速 二、振動基礎2021-10-1813n 根據(jù)轉子的工作轉速n與其第一階臨界轉速ncr1之間的關系，可劃分為劃分為：3.1 旋轉機械振動評定標準 目前最常采用的是通頻振幅通頻振幅來衡量機械運行狀態(tài)的，根據(jù)所使用傳感器的種類分為分為： 軸承振動評定軸承振動評定 利用接觸式傳感器(例如磁電式振動速度傳感器或 壓電式振動加速度傳感器)放置在軸承座上進行測量；三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1814 軸振動值評定軸振動值評定 這可利用非接觸式傳感器(例如電渦流式傳感器) 測量軸相對相對于機殼的振動值或軸的絕對振動值。 評定參數(shù)可用振動位移峰峰值和振動烈度(即均方根 值，

8、它代表了振動能量的大小)來表示。 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1815q 以軸承振動位移峰峰值作評定標準 轉速/rpm 標準/mm優(yōu)良合格15003050 703000203050 水電部汽輪機組振動標準(雙振峰) 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-18162021-10-1816機械部離心鼓風機和壓縮機振動標準標準轉速 /mm300065001000010000-16000主軸主軸軸承50403020齒輪齒輪軸承 404030)min(1 r三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1817IEC汽輪機振動標準)min(1 r標準轉速/ mm10001500300036

9、006000軸承軸承上7550252112軸軸上(靠近軸承)150100504420三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1818三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1819 可以看出轉速低， 則允許的振動值大； 轉速高，允許的振動 值小。三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1820 可以看出轉速低， 則允許的振動值大； 轉速高，允許的振動 值小。在制定上述振動標準時，假設：在制定上述振動標準時，假設： 機組振動為單一頻率的正弦波振動； 軸承振動和轉子振動基本上有一固定的比值，因此因此 可利用軸承振動代表轉子振動； 軸承座在垂直、水平方向上的剛度基本上相等，即即 認為是各向同性

10、的。三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1821實際證明上述假設與事實不盡相符：實際證明上述假設與事實不盡相符： 所測得的振動多數(shù)是由數(shù)種頻率的振動合成的； 轉子振動和軸承座振動的比值，可以是250倍， 它和軸承型式，間隙、軸承座剛度、油膜特性等有 關，且同類機組亦不盡相同； 軸承組水平剛度明顯低于低于垂直剛度；因此，為了較全面較全面的反映機組的振動情況，必須制定其它的振動標準：三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1822q 以軸承振動烈度作為評定標準 n 振動烈度vTvt dtvvvrmsTn1122012222( )()121212222222()AAAnn三、 轉子系統(tǒng)振動故

11、障診斷2021-10-1823ISO 3945振動標準：適用于大于300kW，轉速為60012000 r/min的大型原動機和其它具有旋轉質量的大型機器，例如例如電動機和發(fā)電機、蒸 汽 輪 機 和 燃 氣 輪 機 、 渦 輪壓縮機、渦輪泵和風扇等。 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1824三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-18252021-10-1826草案三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷q 以軸振動的位移峰峰值作為評定標準 n 美國石油學會給出了功率不超過不超過1000kW的中小型渦 輪機械軸振動的振動標準API617，其振動許可值為： 式中： A振動許可值（雙振幅），單位： m

12、m; n機器轉速，單位為 r/min。An 25412000.三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1828趨勢監(jiān)測三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1829分頻段監(jiān)測三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1830三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-18313.2 監(jiān)測參數(shù)及分析方法 q 監(jiān)測參數(shù) 動態(tài)參數(shù)n 振幅 表示振動的嚴重程度，可用位移、速 度或加速度表示； n 振動烈度 描述機器振動狀態(tài)的一種特征量；n 相位 對于確定旋轉機械的動態(tài)特性、故障 特性及轉子的動平衡等具有重要意義。 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1832靜態(tài)參數(shù)n 軸心位置 在穩(wěn)定情況下

13、，軸承中心相對于相對于轉 軸軸頸中心的位置； n 軸向位置 是機器轉子上止推環(huán)相對于相對于止推軸 承的位置； n 差脹 旋轉機械中轉子與定子之間軸向間 隙的變化值。 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1833n 對中度 指軸系轉子軸系轉子之間的連接對中程度，它 與各軸承之間的相對位置有關； n 溫度 軸瓦軸瓦溫度反映軸承運行情況；止推瓦止推瓦 反映軸承和靜止部件的軸向間隙。n 潤滑油壓 反映滑動軸承油膜的建立情況。三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1834三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1835三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1836渦流傳感器的安裝三、 轉

14、子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1837三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1838三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1839相對軸位移 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1840相對軸膨脹 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1841輸入保護濾波正峰值保持負峰值保持峰峰峰峰疊疊加加比較比較電路電路報警門限精密穩(wěn)壓源振動信號振動信號峰峰值超限報警原理三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1842間接測量電機電流三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1843旋轉電機傾動電機高爐中心線中心喉管布料溜槽旋轉傾動12341011121314155678 9H161

15、71819201-20均為齒輪，其中5，6，17，18為渦輪渦桿，20為扇形齒輪， H為周轉輪系系桿 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1844三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1845q 常用圖形分析方法 波特圖 振幅與頻率，相位與頻率的關系曲線。010203040506070809001020304050振幅 / m m頻率/ Hz01020304050607080903033027021015090相位角/ 度頻率/ Hz三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1846n從波特圖中可以得到得到： 轉子系統(tǒng)在各個轉速下的振幅和相位、轉子系統(tǒng)在運行范圍內的臨界轉速值、轉子系

16、統(tǒng)阻尼大小和共振放大系數(shù)、綜合轉子系統(tǒng)上幾個測點可以確定轉子系統(tǒng)的各階振型。三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1847 極坐標圖0000000000000000027090180461192322152345241524852555259026212660269528002870315035354900轉軸隨轉速變化時的工頻振動矢量圖三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1848幅頻特性和相頻特性曲線綜合在極坐標圖上得到。 軸心位置圖95009400920087008000760012004500500360-1.01.01.02.03.0rpmTOP三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷20

17、21-10-1849n 軸心位置圖是指：轉軸轉軸在沒有徑向振動情況下軸心相對于相對于軸承中心的穩(wěn)態(tài)位置。n 通過軸心位置圖可判斷：可判斷：軸頸是否處于正常位置、對中好壞、軸承標高是否正常、軸瓦有否變形等情況，從長時間軸心位置的趨勢可觀察出軸承的摩損等。 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1850軸心軌跡圖-1.2-0.8-0.40.00.40.81.2-1.0-0.50.00.51.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1851n 轉子在軸承中高速旋轉時，不僅圍繞不僅圍繞自身中心旋轉，

18、而且還環(huán)繞而且還環(huán)繞某一中心作渦動運動。n產生渦動運動的原因可能原因可能是轉子不平衡、對中不良或動靜摩擦等，這種渦動運動的軌跡稱為軸心軌跡。三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1852三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1853n 機械振動信號絕大多數(shù)是由多種激勵信號合成 的復雜信號，按照傅里葉分析原理傅里葉分析原理，這種復雜 信號可以分解為分解為一系列諧波分量（即頻率成 分，包含幅值和相位特征量）。各諧波分量以頻率軸為坐標，按轉速頻率高低排列起來的譜圖，稱為頻譜圖。 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1854 頻譜圖和瀑布圖 n 當把啟動或停機時各個不同轉速的頻譜圖畫在一

19、 張圖上時，就得到瀑布圖。其橫坐標為頻率，縱 坐標為轉速和幅值。三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1855三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1856三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1857瀑布圖0501001502002503000123450 50100150200250300350頻率轉速X103rpmmm譜幅值Hz 利用瀑布圖可以判斷機器的臨界轉速、振動原因等。 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1858趨勢分析圖n趨勢分析是把所測得的特征數(shù)據(jù)值和預報值按一定的時間順序排列起來進行分析。n這些特征數(shù)據(jù)可以是通頻振動、1 振幅、2 振幅、0.5 振幅、軸心

20、位置等，時間順序可以按前后各次采樣、按小時、按天等，趨勢分析在故障診斷中起著重要的作用。三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷4008012016020024028012345678910日期 d振動峰峰值 mm停機門限值報警門限值三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-18601振動峰值趨勢圖振動可接受區(qū)域 xxx xx xxxx1x或2x幅值或相位矢量域旋轉方向2709018001x或2x幅值或相位矢量域三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1861n 振動可接受區(qū)域是指：指：把振動矢量繪制在極坐標圖上，并在極坐標圖上劃分出劃分出一定的范圍作為振動可接受區(qū)域。3.3 轉子系統(tǒng)主要故障及其診斷旋轉

21、機械的故障種類已知的有二三十種，介紹幾種常見 的故障機理及診斷方法。 q 不平衡 旋轉機械最常見的故障n 由于設計、制造、安裝中轉子材質不均勻、結構不對 稱、加工和裝配誤差等原因和由于機器運行時結垢、熱 彎曲、零部件脫落、電磁干擾力等原因而產生質量偏心。n 轉子旋轉時，質量不平衡將激起轉子的振動。三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1862特征 振動頻率和轉速頻率一致，轉速頻率的高次 諧波幅值很低，時域波形接近正弦波； 剛性轉子剛性轉子不平衡產生的離心力與轉速的平方 成正比，而在軸承座軸承座測得的振動隨轉速增加 而加大，但不一定不一定與轉速的平方成正比，這 是由于軸承與轉子之間的非線性所

22、致； 在臨界轉速臨界轉速附近，振幅出現(xiàn)峰值，且相位在 臨界轉速前后相差近180。三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1863分類 固有不平衡； 轉子彎曲：初始彎曲、熱彎曲 轉子部件脫落 ； 聯(lián)軸節(jié)精度不良。三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1864DDDDDDDDb)a)聯(lián)軸節(jié)精度不良引起的初始彎曲a) 端面偏擺 b) 徑向偏擺 DDDDDDDD三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1865q 轉子不對中n 旋轉機械一般是由多根轉子所組成的多轉子系 統(tǒng)，轉子間一般采用剛性或半撓性聯(lián)接軸聯(lián)接。n 由于制造、安裝及運行中支承軸架不均勻膨脹、 管道力作用、機殼膨脹、地基不均勻下沉等

23、多種 原因影響，造成轉子不對中故障，從而引起機組 的振動。 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1866DDDDDDDDDDDD平行不對中角度不對中組合不對中三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1867特征 改變改變軸承的支承負荷，使軸承的油膜壓力也 隨之改變，負荷減小負荷減小的軸承可能會產生油膜 失穩(wěn)； 最大振動最大振動往往在不對中聯(lián)軸器兩側的軸承上， 且振動值與轉子的負荷有關，隨負荷的增大 而增高； 平行不對中平行不對中主要引起徑向振動，振動頻率為 兩倍旋轉頻率，同時也存在高倍頻振動。 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1868q 滑動軸承的半速渦動和油膜振蕩 軸在軸頸

24、中作偏心旋轉時，形成一個進口斷面大于大于出口斷面的油楔油楔，如果出口處的油液流速不馬上下降，則軸頸軸頸從油楔中間隙大的地方帶入的油量大于大于從間隙小的地方帶出的油量。由于液體的不可壓縮性，多余的油就推動軸頸前進，形成與軸旋轉方向相同的渦動運動，渦動速度即為油楔本身的前進速度：三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1869ABC+eed2d2oOC-e( .)042048n實際產生渦動頻率約為 ：三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1870n 流入B側的流量分 成3部分：l A側流出部分l 軸承兩端泄露部分l 油膜下不由于渦動 增加部分。半速渦動。 頻率振幅振幅轉速 c1c1a)頻率振

25、幅振幅轉速 b) c1c1頻率振幅振幅轉速 c) c1c1不同載荷下的油膜振蕩油膜振蕩特點輕載轉子 中載轉子a) 重載轉子 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1871頻率振幅振幅轉速 c1c1a)三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1872n 輕載轉子在第一臨界轉速之前之前就發(fā)生了不穩(wěn)定的半速渦動， 但不產生但不產生大幅度的振動；n 當轉速達到第一臨界轉速cr1時，轉子由于共振而有較大的 振幅；n 越過cr1后振動再次減少，當轉速達到兩倍cr1時，振幅增 大并且不隨轉速的增加而改變，即油膜振蕩。三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1873n 中載轉子在過了一階臨界轉速cr1

26、后會出現(xiàn)后會出現(xiàn)半速渦動，而油膜振蕩則在2cr1后出現(xiàn)。頻率振幅振幅轉速 b) c1c1三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1874n 對于重載轉子，因為軸頸在軸承中相對偏心率較大，轉子的穩(wěn)定性好，低轉速時并不存在并不存在半速渦動現(xiàn)象，甚至轉速達到cr1 時，還不會發(fā)生很大的振動；n當轉速達到2cr1后的某一轉速時，才突然突然發(fā)生油膜振蕩。頻率振幅振幅轉速 c) c1c1n 消除油膜振蕩的措施有： 增加轉子系統(tǒng)的剛度增加轉子系統(tǒng)的剛度。轉子固有頻率越高越高， 產生油膜振蕩的失穩(wěn)轉速也越高越高，系統(tǒng)失穩(wěn) 轉速應在工作轉速的125以上； 選擇合適的軸承形式和軸承參數(shù)選擇合適的軸承形式和軸承參

27、數(shù)。圓柱軸承 制造簡單，但抗振性最差，橢圓軸承、三油 楔、多油楔軸承次之?？蓛A瓦軸承可傾瓦軸承最好；三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1875 增加外阻尼增加外阻尼； 增加軸承比壓增加軸承比壓，改變進油溫度或粘度。如切 短軸承長度，在下瓦中部開環(huán)形槽等，國產 300MW汽輪發(fā)電機組的油膜振蕩是通過將軸 瓦長度從430 mm縮減到320 mm以及將原30號 油改用20號油來解決的; 減小軸承間隙減小軸承間隙； 改變進油壓力改變進油壓力。 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1876q 動靜摩擦 由 于 轉 子 彎 曲 、 轉 子 不 對 中 引 起 軸 心 嚴 重 變形，間隙不足和

28、非旋轉部件彎曲變形等原因引起轉子轉子與固定件固定件接觸碰撞而引起的異常振動。摩擦分全圓徑環(huán)形摩擦和局部摩擦兩種。三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1877特征 振動頻帶寬，既有與轉速頻率相關的低頻部 分，也有與固有頻率相關的高次諧波分量， 并伴隨有異常噪聲，可根據(jù)振動頻譜和聲譜 進行判別； 振動隨時間而變。在轉速、負荷工況一定， 由于接觸局部發(fā)熱而引起振動矢量的變化， 其相位變化與旋轉方向相反； 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-1878 接觸摩擦開始瞬間會引起嚴重相位跳動(大于 10相位變化)。局部摩擦時，無論是同步還 是異步其軌跡均帶有附加的環(huán)。 摩擦時，軸心軌跡總是反向進

29、動，即與轉軸 旋轉方向相反，由于摩擦還可能出現(xiàn)自激振 動，自激的渦動頻率為轉子一階固有頻率， 但渦動方向與轉子旋轉方向相反。 三、 轉子系統(tǒng)振動故障診斷2021-10-18794.1 4.1 齒輪常見故障及形成原因齒輪常見故障及形成原因1.齒輪故障的常見形式：齒輪故障的常見形式：(1)齒的斷裂(3)齒面磨損或劃痕(2)齒面疲勞(點蝕、剝落)(4)齒面塑性變形四、 齒輪箱故障診斷2021-10-1880斷齒：41%齒面疲勞（點蝕、剝落、龜裂）：31%齒面磨損：10%齒面劃痕：10%其它故障（塑性變形、化學腐蝕、異物嵌入等）：8%常見故障類型和失效比例常見故障類型和失效比例四、 齒輪箱故障診斷20

30、21-10-1881q 齒斷裂 分 疲勞斷裂或過負荷斷裂。 最常見的是疲勞疲勞斷裂，通常先從先從受力側齒根產生龜裂、 逐漸向逐漸向齒端發(fā)展而致折斷。 過負荷過負荷斷裂是由于機械系統(tǒng)速度的急劇變化、軸系共振、 軸承破損、軸彎曲等原因，使齒輪產生不正常的一端接觸 ，載荷集中到齒面一端而引起的。 四、 齒輪箱故障診斷2021-10-1882圖圖 齒根部的應力集中齒根部的應力集中q 齒面疲勞 由于齒面接觸應力超過超過材料允許的疲勞極限。表面層先是先是產生細微裂紋，然后然后是小塊剝落，直至嚴重直至嚴重時整個齒斷裂。 四、 齒輪箱故障診斷2021-10-1883q 齒磨損 由于金屬微粒、污物、塵埃和沙粒等

31、進入齒輪而導導致致材料磨損、齒面局部熔焊隨之又隨之又撕裂的現(xiàn)象。分：粘著磨損、磨粒磨損與劃痕、腐蝕磨損等。q 齒面塑性變形 軟齒面齒輪傳遞載荷過大（或在大沖擊載荷下）時，易產生齒面塑性變形。如壓碎、趨皺。 四、 齒輪箱故障診斷2021-10-1884四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18852. 齒輪失效的主要原因齒輪失效的主要原因1）由制造誤差引起的缺陷2）由裝配誤差引起的故障3）運用中產生的故障失 效 原 因失 效 比 重（%）齒輪箱缺陷設 計1240裝 配9制 造8材 料7修 理4運行缺陷維 護2443操 作19相鄰部件（聯(lián)軸器、電動機等）缺陷17齒輪箱失效原因及失效比重 四、 齒輪箱

32、故障診斷2021-10-1886失 效 零 件失 效 比 重（%）齒 輪60軸 承19軸10箱 體7緊 固 件3油 封1齒輪箱的失效零件及失效比重 四、 齒輪箱故障診斷2021-10-1887n 在生產條件下很難直接檢測某一個齒輪的故障信號，一般是在軸承、箱體有關部位測量。n 當齒輪旋轉時，無論無論齒輪發(fā)生了異常與否，齒的嚙合都會發(fā)生沖擊嚙合振動，其振動波形表現(xiàn)出振動波形表現(xiàn)出振幅受到調制的特點，甚至既調幅又調頻。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-1888四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18894.2 4.2 齒輪的振動機理齒輪的振動機理1. 齒輪副的力學模型分析齒輪副的力學模型分析齒輪

33、具有一定的質量，輪齒可看作是彈簧，所以若以一對齒輪作為研究對象，則該齒輪副可以看作一個振動系統(tǒng)。n 齒輪的振動主要是由k(t)的周 期變化引起的。n k(t) 為周期性的變量：一是一是隨著嚙合點位置而變化；二是二是參加嚙合的齒數(shù)在變化。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-1890對于如圖所示的齒輪副力學模型，其振動方程為： Mrx+Cx+K(t)x-E(t)=(T2-iT1)/r2n式中，x齒輪作用線上的相對位移； C齒輪嚙合阻尼； K(t)齒輪嚙合剛度； T1，T2作用于主動齒輪和從動齒輪上的扭矩； r2從動齒輪的節(jié)圓半徑； i齒輪副的傳動比； E(t)由于輪齒變形和誤差及故障而造成的兩個齒

34、輪在作用線方向上的相對位移； Mr等效質量，等于m1m2/(m1+m2)。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-1891若忽略忽略齒面上摩擦力的影響，則(T2-iT1)/r2。E(t)分解為兩部分兩部分E(t)=E1+E2(t)，E1為齒輪受載后的平均靜彈性變形；E2(t)為齒輪的誤差和故障造成的兩個齒輪間的相對位移。這樣上式可簡化為： Mrx+Cx+K(t)x=K(t)E1+K(t)E2(2)n公式的左端左端代表齒輪副本身的振動特征，右端右端為激振函數(shù)。由激振函數(shù)可以看出，齒輪振動來源于兩部分：一部分為K(t)E1，稱為常規(guī)振動，與齒輪的誤差和故障無關；n另一部分為K(t)E2(t)，它取決于

35、取決于齒輪的綜合剛度和故障函數(shù)n由此可以較好地解釋齒輪信號中邊頻的存在以及它們和故障的關系。2. 齒輪的特征頻率齒輪的特征頻率(1) 嚙合頻率從這個意義上說：齒輪傳動系統(tǒng)的嚙合振動是不可避免的。振動的頻率就是嚙合頻率。也就是齒輪的特征頻率，其計算公式如下：齒輪一階嚙合頻率i=2、3、4、 n其中：n齒輪軸的轉速（r/min）Z齒輪的齒數(shù)n60Zf c 嚙合頻率的高次諧波f ci i f c四、 齒輪箱故障診斷2021-10-1892式中：n1、n2主、從動輪轉速，Z1、Z2主、從動輪的齒數(shù)。Z 2n260n160Z1 f c 嚙合頻率fc 也可表示為：從一個齒輪開始嚙合到到下一個齒輪進入嚙合，

36、齒輪的嚙合剛度就變化一次，由此可以計算出齒輪的嚙合周期及頻率。齒輪嚙合剛度的變化頻率即為嚙合頻率。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-1893(2) 軸的轉動頻率（簡稱轉頻）齒輪及軸的轉頻 fr 為:式中： n為齒輪及軸的轉速(r/min)fr n / 60(Hz)四、 齒輪箱故障診斷2021-10-1894齒輪以嚙合頻率振動的特點:（1）振動頻率隨轉速變化而變化；（2）一般存在嚙合頻率的諧頻（整數(shù)倍頻）；（3）當嚙合頻率或其高階諧頻接近或等于接近或等于齒輪的某階固有頻率時，齒輪產生強烈振動；由于齒輪固有頻率一般較高，產生強烈振動的可能性不大，但常為強烈噪聲。四、 齒輪箱故障診斷2021-10

37、-1895(3) 齒輪的固有頻率一對齒輪副的固有頻率式中：m一對齒輪的等效質量mc、mr大、小齒輪的等效質量（HZ）Km12f n 1mr1mc1m四、 齒輪箱故障診斷2021-10-1896K齒輪副的等效彈簧常數(shù)（等效剛度）Kc、Kr 大、小齒輪的等效彈簧剛度。齒輪的固有頻率多為110kHz的高頻1K r1K c1K四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18973. 幅值調制與頻率調制幅值調制與頻率調制齒輪振動信號的調制現(xiàn)象中包含有很多故障信息，從頻域上看，信號調制的結果結果是使齒輪嚙合頻率周圍周圍出現(xiàn)邊頻帶成分。信號調制可分為兩種：幅值調制和頻率調制。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18

38、98（1 1）幅值調制）幅值調制幅值調制是由于齒面載荷波動對振動幅值的影響而造成的。幅值調制從數(shù)學上看從數(shù)學上看，相當于兩個信號在時域上相乘相乘；而在頻域上在頻域上，相當于兩個信號的卷積卷積。載波信號頻率相對來說較高較高；調制信號頻率相對于載波頻率來說較低較低。在齒輪信號中，嚙合頻率成分通常是載波成分，齒輪軸旋轉頻率成分通常是調制波成分。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-1899幅值調制幅值調制圖圖6-12 調調幅信號波形及頻譜幅信號波形及頻譜四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18100齒輪嚙合的特征頻率齒輪嚙合的特征頻率邊頻帶邊頻帶由于傳遞的扭矩隨著嚙合而改變，它作用到轉軸上，使轉軸發(fā)生

39、扭振。而轉軸上由于鍵槽等非均布結構的存在，軸的各向剛度不同，剛度變動的周期與軸的周轉時間一致，激發(fā)的扭振振幅也就按轉軸的轉頻變動。這個扭振對齒輪的嚙合振動產生了調制作用，從而在齒輪嚙合頻率的兩邊產生出以軸頻為間隔的邊頻帶。邊頻帶也是齒輪振動的特征頻率，嚙合的異常狀況反映到邊頻帶，造成邊頻帶的分布和形態(tài)都發(fā)生改變?？梢哉f：邊頻帶包含了齒輪故障的邊頻帶包含了齒輪故障的豐富信息豐富信息。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18101一組頻率間隔較大的脈沖函數(shù)和一組頻率間隔較小的脈沖函數(shù)的卷積卷積，在頻譜上就形成若干組圍繞嚙合頻率及其倍頻成分兩側的邊頻族。邊頻帶（由幅值調制、頻率調制及相位調制產生）四

40、、 齒輪箱故障診斷2021-10-18102（2）頻率調制齒輪載荷不均勻、齒距不均勻及故障造成的載荷波動，除了對振動幅值產生影響外，同時也必然產生扭矩波動，使齒輪轉速產生波動。這種波動表現(xiàn)在振動表現(xiàn)在振動上即為頻率調制(也可以認為是相位調制)。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18103頻率調制與相位調制圖 頻率調制或相位調制信號波形及頻譜四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18104用于齒輪箱振動信號的分析方法有： 功率譜分析法 邊頻帶分析法 倒譜分析法 時域平均法四、 齒輪箱故障診斷2021-10-181054.3 齒輪箱振動信號的分析 希爾伯特包絡分析法 時頻分析法 時域模型法圖 齒輪

41、振動信號典型的功率譜圖1 功率譜分析法功率譜分析法功率譜可確定齒輪振動信號能量的頻率結構(a)線狀譜:齒輪的嚙合頻率及其諧波；(b)山狀譜:結構共振，如輪軸橫向振動固有頻率；(c)隨機譜:隨機振動信號；(d)同時存在三種譜。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18106功率譜分析可確定齒輪振動信號的頻率構成和振動能量在各頻率成分上的分布，是一種重要的頻域分析方法。幅值譜也能進行類似的分析，但由于功率譜是幅值的平方關系，所以功率譜比幅值譜更能突出嚙合頻率及其諧波等線狀譜成分而減少減少了隨機振動信號引起的一些“毛刺”現(xiàn)象。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18107（1）正常齒輪的時域特征與頻域

42、特征（a）時域特征正常齒輪由于剛度的影響，其波形為周期性的衰減波形。其低頻信號具有近似正弦波的嚙合波形。（b）頻域特征正常齒輪的信號反映在功率譜上，有嚙合頻率及其諧波分量，且以嚙合頻率成分為主，其高次諧波依次減??；在低頻處有齒輪軸旋轉頻率及其高次諧波。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18108（2）故障情況下振動信號的時域特征與頻域特征（a）均勻磨損齒輪均勻磨損磨損是指由于齒輪的材料、潤滑等方面的原因或者長期在高負荷下工作造成大部分齒面磨損。時域特征：正弦波的嚙合波形遭到破壞四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18109頻域特征：齒面均勻磨損時，嚙合頻率及其諧波分量n倍頻在頻譜圖上的位置保

43、持不變，但其幅值大小發(fā)生改變，而且高次諧波幅值相對增大較多。分析時，要分析三個以上諧波的幅值變化才能從頻譜上檢測出這種特征。隨著磨損的加劇，還有可能產生分數(shù)諧波，有時在升降速時還會出現(xiàn)呈非線性振動的跳躍現(xiàn)象。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18110故障實例故障實例四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18111（b）齒輪偏心齒輪偏心是指齒輪的中心與旋轉軸的中心不重合，這種故障往往是由于加工造成的。時域特征：當一對互相嚙合的齒輪中有一個齒輪存在偏心時，其振動波形由于偏心的影響被調制，產生調幅振動。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18112頻域特征：齒輪存在偏心時，其頻譜結構將在兩個方面有

44、所反映：一是以齒輪的旋轉頻率為特征的附加脈沖幅值增大增大；二是以齒輪一轉為周期的載荷波動，從而導致調幅現(xiàn)象調幅現(xiàn)象，這時的調制頻率為齒輪的回轉頻率，比所調制的嚙合頻率要小得多。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18113（c）齒輪不同軸齒輪不同軸故障是指由于齒輪和軸裝配不當造成的齒輪和軸不同軸。不同軸故障會使齒輪產生局部接觸，導致部分輪齒承受較大的負荷。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18114時域特征：時域信號具有明顯的調幅現(xiàn)象。頻域特征：在頻譜上產生以n倍嚙合頻率為中心，以故障齒輪的旋轉頻率為間隔的一階邊頻族。同時，故障齒輪的旋轉特征頻率在頻譜上有一定反映。四、 齒輪箱故障診斷202

45、1-10-18115（d）齒輪局部異常齒輪的局部異常包括齒根部有較大裂紋、局部齒面磨損、輪齒折斷、局部齒形誤差等。局部異常齒輪的振動波形是典型的以齒輪旋轉頻率為周期（Tc）的沖擊脈沖，如圖所示。具有局部異常故障的齒輪，將以旋轉頻率為主要頻域特征。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18116齒輪局部異常齒輪局部異常四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18117（e e）齒距誤差）齒距誤差齒距誤差是指一個齒輪的各個齒距不相等，存在有誤差。齒距誤差是由齒形誤差造成的。時域特征：在低頻下可以觀察到明顯的調幅特征。頻域特征：頻域上包含旋轉頻率的各次諧波、各階嚙合頻率以及以故障齒輪的旋轉頻率為間隔的邊頻

46、等。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18118（f f）不平衡齒輪）不平衡齒輪齒輪的不平衡是指齒輪的質心和回轉中心不重合，從而導致齒輪副的不穩(wěn)定運行和振動。時域特征：齒輪產生以調幅為主、調頻為輔的振動。頻域特征：在嚙合頻率及其諧波兩側產生邊頻族；同時，受不平衡力的激勵，齒輪軸的旋轉頻率及其諧波的能量也有相應的增加。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-181192 邊頻帶分析法邊頻帶分析法邊頻帶成分包含有豐富的齒輪故障信息，要提取邊頻帶信息，在頻譜分析時必須有足夠高的頻率分辨率。當邊頻帶譜線的間隔小于小于頻率分辨率時，或譜線間隔不均勻，都阻礙邊頻帶的分析，必要時應對感興趣的頻段進行頻率細化分

47、析(ZOOM分析)，以準確測定邊頻帶間隔，見圖。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18120圖 工程實際應用的頻譜圖a) 幅值譜b) 細化后的邊頻帶四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18121一般從兩方面進行邊頻帶分析：一是利用邊頻帶的頻率對稱性，找出 （n=1、2、3 ）的頻率關系，確定是否為一組邊頻帶。如果是邊頻帶，則可知道嚙合頻率c和調制信號頻率r。二是比較各次測量中邊頻帶幅值的變化趨勢。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18122根據(jù)邊頻帶呈現(xiàn)的形式和間隔，有可能得到以下信息：1）當邊頻間隔為旋轉頻率r時，可能為齒輪偏心、齒距的緩慢的周期變化及載荷的周期波動等缺陷存在，齒輪每旋轉

48、一周，這些缺陷就重復作用一次，即這些缺陷的重復頻率與該齒輪的旋轉頻率相一致。旋轉頻率r指示出問題齒輪所在的軸。2）齒輪的點蝕等分布故障會在頻譜上形成類似1）的邊頻帶，但其邊頻階數(shù)少而集中在嚙合頻率及其諧頻的兩側(參見圖1)。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-181233）齒輪的剝落、齒根裂紋及部分斷齒等局部故障會產生特有的瞬態(tài)調制，在嚙合頻率其及諧頻兩側產生一系列邊帶。其特點是邊帶階數(shù)多而譜線分散，由于高階邊頻的互相疊加而使邊頻族形狀各異。 (參見圖2)。嚴重的局部故障還會使旋轉頻率r及其諧波成分增高。圖2圖1四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18124需要指出的是，由于邊頻帶成分具有不穩(wěn)

49、定性，在實際工作環(huán)境中，尤其是幾種故障并存時，邊頻族錯綜復雜，其變化規(guī)律難以用上述的典型情況表述，而且還存在兩個軸的旋轉頻率r混合情況。但邊頻的總體水平是隨著故障的出現(xiàn)而上升的。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-181253倒頻譜分析法倒頻譜分析法對于同時有數(shù)對齒輪嚙合的齒輪箱振動頻譜圖，由于每對齒輪嚙合時都將產生邊頻帶，幾個邊頻帶交叉分布在一起，僅進行頻率細化分析識別邊頻特征是不夠的；由于倒頻譜將功率譜中的諧波族變換為倒頻譜圖中的單根譜線，其位置代表功率譜中相應諧波族(邊頻帶)的頻率間隔時間(倒頻譜的橫坐標表示的是時間間隔，即周期時間)，因此可解決上述問題。四、 齒輪箱故障診斷2021-1

50、0-1812663圖（a）為信號的功率譜圖，邊帶信號的譜線間隔為20Hz。圖（b）為信號的倒譜圖，圖中譜峰的間隔為0.05s （20Hz）。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18127圖圖 用倒頻譜分析齒輪箱振動信號中的邊譜帶用倒頻譜分析齒輪箱振動信號中的邊譜帶1 1嚙合頻率；嚙合頻率；2 2、3 3高高次頻率；次頻率；A1A1、A2A2周期周期11.8ms(85Hz)11.8ms(85Hz)諧波諧波;B1;B1、B2B2周期周期20ms(5020ms(50Hz) )諧波諧波四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18128該圖是某齒輪箱振動信號的頻譜。圖a的頻率范圍為0-20kHz，頻率間隔為

51、50Hz，能觀察到嚙合頻率為4.3kHz及其二次三次諧波，但很難分辨出邊頻帶。圖b的頻率范圍為3.513.5kHz，頻率間隔為5Hz，能觀察到很多邊頻帶，但仍很難分辨出邊頻帶。圖88c的頻率范圍進一步細化為7.59.5kHz，頻率間隔不變，可分辨出邊頻帶，但還有點亂。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18129若進行倒頻譜分析，如圖d所示，能很清楚地表明對應于兩個齒輪副的旋轉頻率（85Hz和50Hz）的兩個倒頻分量（Ai和Bi）。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18130倒頻譜分析的優(yōu)越性：（1）受傳輸途徑的影響很小。（2）將原來譜上成族的邊頻帶譜線簡化為單根譜線，可以檢測出功率譜中難以

52、辨別的周期性。（3）對于傳感器的測點位置或信號傳輸途徑不敏感以及對于幅值和頻率調制的相位關系不敏感。這種不敏感，反而有利于監(jiān)測故障信號的有無，而不看重某測點振幅的大?。赡苡捎趥鬏斖緩蕉贿^分放大）。四、 齒輪箱故障診斷2021-10-181314 時域平均法時域平均法關鍵是測量時要有時標信號，并且經過擴展壓縮的運算，把原來的周期轉為被檢測齒輪轉過一整轉的周期。然后把加速度信號按此周期截斷疊加，然后進行平均（可減小噪聲干擾）?；驹砣缦聢D所示。濾波時標時標擴展或壓縮運算信號平均光滑化濾波TT四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18132齒輪在各種狀態(tài)下的時域平均信號(a) 正常齒輪(b) 齒

53、輪安裝錯位（調制頻率為轉頻及倍頻）(c) 齒面嚴重磨損（有高次諧波）(d) 個別齒出現(xiàn)斷裂（有突跳現(xiàn)象）時域平均法齒輪在各種狀態(tài)下的時域平均信號四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18133希爾伯特（Hilbert）包絡是時域信號絕對值的包絡，它從信號中提取調制信號，分析調制函數(shù)的變化，對提取故障特征具有很大的優(yōu)越性。對包絡信號作譜分析，即可得到包絡信號的包絡譜，希爾伯特變換包絡具有解調的功能。與倒譜分析不同，倒譜是通過檢測頻譜圖中的周期性進行解調，而希爾伯特變換包絡是通過分離出原信號中的低頻信息進行解調，因此，由包絡分析得到的結果往往比較清晰直觀。5 Hilbert包絡分析法包絡分析法四、

54、齒輪箱故障診斷2021-10-18134包絡分析及譜分析xt (1 cos(2f m t ) cos(2f c t )f m 20Hzf c 400Hz采樣頻率5000Hz，點數(shù)1000四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18135時頻分析法是對信號在時域和頻域同時進行分析，從時域和頻域兩個方面更深刻地反映了信號的特征。因此時頻分析方法可以有效地應用于非平穩(wěn)信號的分析，彌補了傳統(tǒng)傅里葉頻譜分析方法的不足。齒輪箱振動信號中，調頻、調幅現(xiàn)象很多，傳統(tǒng)的頻譜分析很難對它們加以確認和區(qū)別 ，利用Wigner-Ville譜、小波變換、EMD、廣義解調和LMD等則能很明顯地加以區(qū)分，從而為齒輪箱故障診斷提

55、供了一種行之有效的途徑。6 時頻分析法時頻分析法四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18136小波分析具有時、頻“聚焦”特性，在時域或頻域同時具有良好的局部化性質。對信號進行小波變換，將信號劃分到不同的頻段內，運用頻譜細化技術對信號進行譜分析，可以將故障信號分離出來，準確判定故障位置 。小波分析四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18137st sin2f1t sin2f 2 t sin2f 3 t 頻率分別為：20，100，800Hz。采樣頻率2000Hz小波分析四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18138時間序列模型是用數(shù)學方法描述動態(tài)系統(tǒng)，如果模型是適用的，則殘差 at 最小，因此可以

56、比較正常工況與異常工況的殘差平方和，確定故障是否存在，一般難以確定故障原因及部位。此外，如果不先提取趨勢項，直接就原始檢測數(shù)據(jù)進行AR譜分析，也可以分析故障信號的頻率成分。7 時域模型法時域模型法四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18139齒輪箱例2#機組齒輪箱參數(shù)齒輪齒數(shù)轉速（rpm）Z11112958Z126127431149.7560nfHz2212.38fHz11225522.0effZfZHz四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18140齒輪箱頻譜圖齒輪箱時域波形位置序號頻率(Hz)211148429725516幅值(mm/s)0.6384.9981.0530.215 為箱體振動和齒輪傳動發(fā)生共振，并且有二次諧波成分322214ppfff四、 齒輪箱故障診斷2021-10-18141位置和經過細化后各頻率成