機(jī)械故障診斷技術(shù) 8_齒輪箱故障診斷

1、第八章 齒輪箱故障診斷81 齒輪失效形式圖81 齒根部的應(yīng)力集中一齒的斷裂 齒輪副在嚙合傳遞運(yùn)動時，主動輪的作用力和從動輪的反作用力都通過接觸點(diǎn)分別作用在對方輪齒上，最危險的情況是接觸點(diǎn)某一瞬間位于輪齒的齒頂部，此時輪齒如同一個懸臂梁，受載后齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為最大，若因突然過載或沖擊過載，很容易在齒根處產(chǎn)生過負(fù)荷斷裂。即使不存在沖擊過載的受力工況，當(dāng)輪齒重復(fù)受載后，由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，也易產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，致使輪齒在齒根處產(chǎn)生疲勞斷裂。輪齒的斷裂是齒輪的最嚴(yán)重的故障，常因此造成設(shè)備停機(jī)。二齒面磨損或劃痕 A）粘著磨損 在低速、重載、高溫、齒面粗糙度差、供油不足或油粘度太低等情況下，油

2、膜易被破壞而發(fā)生粘著磨損。潤滑油的粘度高，有利于防止粘著磨損的發(fā)生。 B）磨粒磨損與劃痕 含有雜質(zhì)顆粒以及在開式齒輪傳動中的外來砂?；蛟谀Σ吝^程中產(chǎn)生的金屬磨屑，都可以產(chǎn)生磨粒磨損與劃痕。 C）腐蝕磨損 由于潤滑油中的一些化學(xué)物質(zhì)如酸、堿或水等污染物與齒面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成金屬的腐蝕而導(dǎo)致齒面損傷。 D）燒傷 燒傷是由于過載、超速或不充分的潤滑引起的過分摩擦所產(chǎn)生的局部區(qū)域過熱，這種溫度升高足以引起變色和過時效，會使鋼的幾微米厚表面層重新淬火，出現(xiàn)白層。損傷的表面容易產(chǎn)生疲勞裂紋。 E）齒面膠合 大功率軟齒面或高速重載的齒輪傳動，當(dāng)潤滑條件不良時易產(chǎn)生齒面膠合（咬焊）破壞，即一齒面上的部分材料膠

3、合到另一齒面上而在此齒面上留下坑穴，在后續(xù)的嚙合傳動中，這部分膠合上的多余材料很容易造成其他齒面的擦傷溝痕，形成惡性循環(huán)。圖82 齒面點(diǎn)蝕三齒面疲勞(點(diǎn)蝕、剝落)所謂齒面疲勞主要包括齒面點(diǎn)蝕與剝落。造成點(diǎn)蝕的原因，主要是由于工作表面的交變應(yīng)力引起的微觀疲勞裂紋，潤滑油進(jìn)入裂紋后，由于嚙合過程可能先封閉入口然后擠壓，微觀疲勞裂紋內(nèi)的潤滑油在高壓下使裂紋擴(kuò)展，結(jié)果小塊金屬從齒面上脫落，留下一個小坑，形成點(diǎn)蝕。如果表面的疲勞裂紋擴(kuò)展得較深、較遠(yuǎn)或一系列小坑由于坑間材料失效而連接起來，造成大面積或大塊金屬脫落，這種現(xiàn)象則稱為剝落。剝落與嚴(yán)重點(diǎn)蝕只有程度上的區(qū)別而無本質(zhì)上的不同。 實驗表明，在閉式齒輪傳

4、動中，點(diǎn)蝕是最普遍的破壞形式。在開式齒輪傳動中，由于潤滑不夠充分以及進(jìn)入污物的可能性增多，磨粒磨損總是先于點(diǎn)蝕破壞。四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(chǎn)生齒面塑性變形。在齒面間過大的摩擦力作用下，齒面接觸應(yīng)力會超過材料的抗剪屈服極限，齒面材料進(jìn)入塑性狀態(tài)，造成齒面金屬的塑性流動，使主動輪節(jié)圓附近齒面形成凹溝，從動輪節(jié)圓附近齒面形成凸棱，從而破壞了正確的齒形。有時可在某些類型的齒輪的從動齒面上出現(xiàn)“飛邊”，嚴(yán)重時擠出的金屬充滿頂隙，引起劇烈振動，甚至發(fā)生斷裂。圖83 齒輪副的運(yùn)動學(xué)分析82 齒輪的振動機(jī)理與信號特征齒輪傳動系統(tǒng)是一個彈性的機(jī)械系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)和運(yùn)動關(guān)系的

5、原因，存在著運(yùn)動和力的非平穩(wěn)性。圖83是齒輪副的運(yùn)動學(xué)分析示意圖。圖中O1是主動輪的軸心，O2是被動輪的軸心。假定主動輪以1作勻角速度運(yùn)動，A、B分別為兩個嚙合點(diǎn)，則有O1A O1B，即A點(diǎn)的線速度VA大于B點(diǎn)的線速度VB。而O2AO2B，從理論上有 、 ，則23。然而A、B又是被動輪的嚙合點(diǎn)，當(dāng)齒輪副只有一個嚙合點(diǎn)時，隨著嚙合點(diǎn)沿嚙合線移動，被動輪的角速度存在波動；當(dāng)有兩個嚙合點(diǎn)時，因為只能有一個角速度，因而在嚙合的輪齒上產(chǎn)生彈性變形，這個彈性變形力隨嚙合點(diǎn)的位置、輪齒的剛度以及嚙合的進(jìn)入和脫開而變化，是一個隨時間變化的力FC（t）。BOVB22AOVA23齒輪嚙合的特征頻率嚙合頻率從這個意

6、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 嚙合頻率的高次諧波 i=2、3、4、 n 其中：N齒輪軸的轉(zhuǎn)速（r/min） Z齒輪的齒數(shù)ZNfC6000CCifif齒輪嚙合的特征頻率邊頻帶由于傳遞的扭矩也隨著嚙合而改變，它作用到轉(zhuǎn)軸上，使轉(zhuǎn)軸發(fā)生扭振。而轉(zhuǎn)軸上由于鍵槽等非均布結(jié)構(gòu)的存在，軸的各向剛度不同，剛度變動的周期與軸的周轉(zhuǎn)時間一致，激發(fā)的扭振振幅也就按轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)頻變動。這個扭振對齒輪的嚙合振動產(chǎn)生了調(diào)制作用，從而在齒輪嚙合頻率的兩邊產(chǎn)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

7、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豐富信息。此外齒輪制造時所具有的：偏心誤差、周節(jié)誤差、齒形誤差、裝配誤差等都能影響齒輪的振動。所以在監(jiān)測低精度齒輪的振動時，要考慮這些誤差的影響。站在故障診斷的實用立場上看，只要齒輪的振動異常超標(biāo)，就是有故障，就需要處理或更換。所以大多數(shù)情況下，并不需要辨別是哪種誤差所引起，只需判定能否繼續(xù)使用。圖84 某齒輪箱的功率譜83 齒輪的故障分析方法一功率譜分析法功率譜分析可確定齒輪振動信號的頻率構(gòu)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(jìn)行類似的分析，但由于功率譜是幅值的平方關(guān)系，所以功率譜比幅值譜更

8、能突出嚙合頻率及其諧波等線狀譜成分而減少了隨機(jī)振動信號引起的一些“毛刺”現(xiàn)象。圖84為某齒輪箱的功率譜，分別用兩種坐標(biāo)繪出，無疑使用線性坐標(biāo)效果要好得多。圖85 工程實際應(yīng)用的頻譜圖a) 幅值譜 b) 細(xì)化后的邊頻帶二邊頻帶分析法（1）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(dāng)邊頻帶譜線的間隔小于頻率分辨率時，或譜線間隔不均勻，都阻礙邊頻帶的分析，必要時應(yīng)對感興趣的頻段進(jìn)行頻率細(xì)化分析(ZOOM分析)，以準(zhǔn)確測定邊頻帶間隔，見圖85。二邊頻帶分析法（2）一般從兩方面進(jìn)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(guān)

9、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Z和調(diào)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。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(dāng)邊頻間隔為旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一周，這些缺陷就重復(fù)作用一次，即這些缺陷的重復(fù)頻率與該齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率相一致。旋轉(zhuǎn)頻率r指示出問題齒輪所在的軸。 2）齒輪的點(diǎn)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(cè)(參見圖86)。 3）齒輪的剝落、齒根裂紋及部分?jǐn)帻X等局部故障會產(chǎn)生特有的瞬態(tài)調(diào)制，在嚙合頻率其及諧頻兩側(cè)產(chǎn)生一系列邊

10、帶。其特點(diǎn)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87)。嚴(yán)重的局部故障還會使旋轉(zhuǎn)頻率r及其諧波成分增高。需要指出的是，由于邊頻帶成分具有不穩(wěn)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(fù)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(zhuǎn)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。圖87圖86圖88 用倒頻譜分析齒輪箱振動信號中的邊頻帶三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(chǎn)生邊頻帶，幾個邊頻帶交叉分布在一起，僅進(jìn)行頻率細(xì)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

11、倒頻譜圖中的單根譜線，其位置代表功率譜中相應(yīng)諧波族(邊頻帶)的頻率間隔時間(倒頻譜的橫坐標(biāo)表示的是時間間隔，即周期時間)，因此可解決上述問題。 圖88是某齒輪箱振動信號的頻譜，圖88a的頻率范圍為020kHz，頻率間隔為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88b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(jìn)一步細(xì)化為7.59.5kHz，頻率間隔不變，可分辨出邊頻帶，但還有點(diǎn)亂。若進(jìn)行倒頻譜分析，如圖88d所示，能很清楚地表明對應(yīng)于兩個齒輪副的旋轉(zhuǎn)頻率（85Hz和50Hz）的兩個倒頻分

12、量（Ai和Bi）。倒頻譜的另一個主要優(yōu)點(diǎn)是對于傳感器的測點(diǎn)位置或信號傳輸途徑不敏感以及對于幅值和頻率調(diào)制的相位關(guān)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(diǎn)振幅的大?。赡苡捎趥鬏斖緩蕉贿^分放大）。 圖89 齒面磨損導(dǎo)致幅值上升趨勢四齒輪故障信號的頻域特征 均勻性磨損、齒輪徑向間隙過大、不適當(dāng)?shù)凝X輪游隙以及齒輪負(fù)荷過大等原因，將增加嚙合頻率和它的諧波成分幅值，對邊頻的影響很小。齒輪磨損的特征是，頻譜上嚙合頻率及其諧波幅值都會上升，而高階諧波的幅值增加較多，如圖8-9所示。 不均勻的分布故障（例如齒輪偏心、齒距周期性變化及載荷波動等）將產(chǎn)生幅值調(diào)制和頻率調(diào)制，從而在嚙合頻

13、率及其諧波兩側(cè)形成幅值較高的邊頻帶，邊帶的間隔頻率是齒輪轉(zhuǎn)速頻率，該間隔頻率是與有缺陷的齒輪相對應(yīng)的。值得注意的是，對于齒輪偏心所產(chǎn)生的邊帶，一般出現(xiàn)的是下邊帶成分，即 （n=1，2，3，），上邊帶出現(xiàn)的很少。rznff 齒面剝落、裂紋以及齒的斷裂等局部性故障，將產(chǎn)生周期性沖擊脈沖，嚙合頻率為脈沖頻率所調(diào)制，在嚙合頻率及其諧波兩側(cè)形成一系列邊帶，其特點(diǎn)是邊帶的階數(shù)多而分散，見圖87所示。而點(diǎn)蝕等分布性故障形成的邊帶，在嚙合頻率及其諧波兩側(cè)分布的邊帶階數(shù)少而集中，見圖86所示。這些邊帶隨著故障的發(fā)展，其頻譜圖形也將發(fā)生變化。齒的斷裂或裂紋，每當(dāng)輪齒進(jìn)入嚙合時就產(chǎn)生一個沖擊信號，這種沖擊可激起齒輪

14、系統(tǒng)的一階或幾階自振頻率。但是，齒輪固有頻率一般都為高頻（約在110kHz范圍內(nèi)），這種高頻成分傳遞到齒輪箱時已被大幅度衰減，多數(shù)情況下只能在齒輪箱上測到嚙合頻率和調(diào)制的邊頻。軸承故障的影響，僅有齒輪嚙合頻率的振幅迅速升高，而邊頻的分布和幅值并無變化，甚至邊頻沒有發(fā)育，則表明是軸承故障。84 齒輪故障診斷案例實例一：宣龍高速線材公司2006年9月，發(fā)現(xiàn)精軋22#軋機(jī)輥箱振動增大。圖810是傳動系統(tǒng)圖。圖810 高線精軋機(jī)傳動系統(tǒng)圖9月14日的頻譜圖調(diào)出這一期間的在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的趨勢圖和頻譜圖。在9月14日的頻譜圖上明顯看到Z5/Z6的嚙合頻率譜線。見圖811。圖811 9月14日的振動

15、頻譜圖特征頻率表特征頻率表81（22#軋機(jī) 轉(zhuǎn)速為1047r/min，譜圖數(shù)據(jù)）由特征頻率表可見，22架輥箱的Z5/Z6嚙合頻率（1072.6Hz）幅值在9月14日為1.71m/s2，其兩側(cè)有較寬的邊頻帶，間隔為35.085Hz，與錐箱II軸的轉(zhuǎn)頻（34.603 Hz）基本一致。序號故 障 信 號頻率 (Hz)計算特征頻率 (Hz)振幅絕對誤差（Hz）相 對 誤 差%可信度%故障部位及性質(zhì)分析11037.5981037.5931.2810.0050100Z5/Z6嚙合頻率錐箱II軸轉(zhuǎn)頻21072.6831071.7731.7110.910.085100Z5/Z6嚙合頻率31105.957110

16、5.9530.9460.0040100Z5/Z6嚙合頻率錐箱II軸轉(zhuǎn)頻42143.5552143.5461.9620.00901002倍Z5/Z6嚙合頻率診斷結(jié)論：1. 從圖811的頻譜圖上可看出，22#輥箱Z5/Z6嚙合頻率幅值比較突出且有上升趨勢，在其兩側(cè)有邊頻出現(xiàn)，邊頻間隔分別為35.085 Hz，與錐箱II軸的轉(zhuǎn)頻（34.603 Hz）基本一致，說明22錐箱 II軸上的齒輪存在故障隱患。2. 從圖811的時域波形中可以看出有輕微的周期性沖擊信號，沖擊周期為0.028S，相應(yīng)頻率為(1/0.028=35.71Hz)，正好為22架錐箱II軸的轉(zhuǎn)頻(36.85 Hz)一致，這表明問題就出在2

17、2架錐箱II軸的齒輪上。3. 建議廠方立即對22架錐箱II軸上的齒輪Z5（31齒）進(jìn)行檢查。事后復(fù)核廠方于2006年11月份對拆卸下的精軋22架進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)錐箱II軸上Z5(31齒)齒輪打齒（見圖8-12和圖8-13），與診斷分析結(jié)論相符。當(dāng)時廠方曾進(jìn)一步問過：估計是什么性質(zhì)的故障，能否繼續(xù)生產(chǎn)？因為除了初期（9月14日及以后幾天）邊頻帶較寬，后期邊頻帶有所收窄，加上振幅并不很高。所以判定為出現(xiàn)較嚴(yán)重的斑剝。在工程上，齒輪出現(xiàn)點(diǎn)蝕、斑剝，廠方都會選擇繼續(xù)使用。整個10月都看著振幅緩慢上升，直到11月份，換軋鋼品種，才停產(chǎn)打開。因為是斜齒輪的緣故，所以振幅沒有像直齒輪那樣強(qiáng)烈。圖812 圖81

18、3實例2：2006年4月，宣化鋼鐵公司棒材廠10#軋機(jī)齒輪箱的振動有點(diǎn)異常。查看在線監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)的4月23日的頻譜圖（圖814）和特征頻率表。圖8 14 10#軋機(jī)200604231200輸出端頻域圖形特征頻率表特征頻率表82分析：時域圖形有沖擊現(xiàn)象，但是圖814的頻域圖形中軸頻并不高，Z3/Z4齒輪的嚙合頻率出現(xiàn)了多次諧波，其3倍頻達(dá)到了7.80m/s2。邊頻窄，判斷為齒輪點(diǎn)蝕。序號故 障 信號 頻 率（Hz）計 算 特征 頻 率（Hz）振幅絕對誤差 (Hz)相對誤差%可 信度%故障部位及性質(zhì)分析1236.3233.51.722.81.2090Z3/Z4嚙合頻率2472.74670.465.71.2290Z3/Z4嚙合頻率2倍頻3707.0700.57.806.50.93100Z3/Z4嚙合頻率3倍頻4943.49340.669.41.0090Z3/Z4嚙合頻率4倍頻51179.71167.51.1512.21.0490Z3/Z4嚙合頻率5倍頻61416.014010.40151.0790Z3/Z4嚙合頻率6倍頻實例3：2006年4月，宣化鋼鐵公司棒材廠16#軋機(jī)齒輪箱的振動出現(xiàn)異常。查看在線監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)的頻譜圖（圖815、圖816）和特征頻率表83特征頻率表84。 圖816 16#軋機(jī)2006