故障診斷6齒輪箱監(jiān)測與診斷

0齒輪故障機理6.1、齒輪故障機理認識齒輪及齒輪箱的工作特征1齒輪和齒輪箱的失效形式和原因6.2.1制造引起的缺陷6.2、齒輪和齒輪箱的失效形式和原因

齒輪箱的各類零件中，失效比例分別為：齒輪60%，軸承19%，軸10%，箱體7%，緊固件3%；油封1%。

制造缺陷包括偏心、周節(jié)誤差、基節(jié)誤差、齒形誤差等典型誤差，見圖6-5。6.2.2裝配誤差引起的缺陷

由于裝配技術和裝配方法等原因，通常在裝配齒輪時造成“一端接觸”和齒輪軸的直線性偏差（不同周、不對中）及齒輪的不平衡等異常現(xiàn)象。26.2.3運行中產生的故障故障類型和失效比例

損傷發(fā)生的概率如下：齒的斷裂41%;齒面疲勞31%；齒面磨損10%；齒面劃痕10%；其他故障8%。齒輪和齒輪箱的失效形式和原因3故障原因和特點齒的斷裂齒面磨損或劃痕：粘著磨損；磨粒磨損與劃痕；腐蝕磨損；燒傷；齒面膠合。齒面疲勞（點蝕與剝落）齒面塑性變形齒輪和齒輪箱的失效形式和原因4齒輪的振動診斷原理6.3、齒輪的振動診斷原理

由于制造、安裝及輪齒剛度等問題，齒輪運行中會產生振動。溫度、潤滑油中磨損物的含量及形態(tài)、齒輪箱的振動及輻射的噪聲、齒輪傳動軸的扭轉振動和扭矩、齒輪齒根應力分布等從各個角度反映故障的信息。6.3.1嚙合齒輪副的振動分析直齒輪的嚙合剛度式中fz為嚙合頻率，fz=Zfr,Z為齒輪齒數(shù)，fr為齒輪旋轉頻率。5齒輪系的傳動誤差式中fe為傳動誤差的基頻。齒輪的振動診斷原理6齒輪的振動診斷原理齒輪系的傳動頻率組成模型

當基礎激勵不為零時會出現(xiàn)多組頻率，sfz-rfe和sfz+rfe稱為嚙合頻率fz的邊頻。

把齒輪視為剛體僅考慮輪齒、軸的彈性，將齒輪視為彈性圓盤。如果將轉軸視為彈性體，還會產生很多固有頻率，并產生相應的共振。7齒輪的振動診斷原理6.3.2齒輪診斷的特征頻率

齒輪傳動中嚙合剛度的周期性變化引起與振動頻率和轉速齒數(shù)和重疊系數(shù)等有關的參數(shù)振動?；邶X形誤差的隨機激勵，可能引起齒形彈性系統(tǒng)的共振，當齒形出現(xiàn)故障時，振動加劇并產生新的頻率成分—齒輪的特征頻率。1）軸的轉動頻率及其頻譜軸的轉動頻率：諧頻：2）嚙合頻率及其頻譜定軸轉動齒輪嚙合頻率：有固定齒圈行星輪系嚙合頻率：8齒輪的振動診斷原理振動頻率隨轉速變化而變化；齒輪以嚙合頻率振動的特點振動展開為傅里葉級數(shù)后，一般存在嚙合頻率的基頻；當嚙合頻率或其高階諧頻接近或等于齒輪的某階固有頻率時，齒輪產生強烈振動；由于齒輪的固有頻率一般較高，但是振幅小、噪聲大。9齒輪的振動診斷原理正常齒輪的振動特點(1)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，如圖1所示。

(2)頻域特征

正常齒輪的信號反映在功率上，有嚙合頻率及其諧波分量，即有nfc（n＝1,2,…），且以嚙合頻率成分為主，其高次諧波依次減??；同時，在低頻處有齒輪軸旋轉頻率及其高次諧波mfr（m＝1，2，…），其頻譜如圖2所示。10齒輪的振動診斷原理3）隱含成分隱含成分（鬼線）：分布在嚙合頻率附近的，由加工過程中滾齒機給齒輪帶來的周期性缺陷。隱含成分的特點由周期性缺陷引起，振動頻譜存在高階；隱含成分由幾何誤差引起，工作載荷對其影響?。?1齒輪的振動診斷原理4）邊頻帶邊頻帶：嚙合頻率或高階諧頻附近存在的等間距頻率成分。主要原因是振動信號的調制。12齒輪的振動診斷原理齒輪嚙合振動信號齒輪偏心嚙合時的振動信號偏心嚙合時兩齒輪的中心距幅值調制；13齒輪的振動診斷原理14齒輪的振動診斷原理頻率調制和相位調制；

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)在振動上即為頻率調制（也可以認為是相位調制）。對于齒輪傳動，任何導致產生幅值調制的因素也同時會導致頻率調制。若載波信號為Asin(2πfct+φ)調制信號為βsin(2πfzt)則頻率調制后的信號為f(t)=Asin［2πfct+βsin(2πfzt)+φ］：用貝塞爾（Besser）函數(shù)展開，得到調頻信號的特性：調頻的振動信號包含有無限多個頻率分量，并以嚙合頻率

fc為中心，以調制頻率fz為間隔形成無限多對的調制邊帶：15齒輪的振動診斷原理幅值調制與頻率調制或相位調制同時存在的綜合頻譜。1617186.4、齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法6.4.1功率譜分析法

齒輪箱的運轉會產生振動和噪聲，故障的系統(tǒng)會加劇振動和噪聲—通過分析振動和噪聲信息可以發(fā)現(xiàn)潛在故障。

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。齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法196.4.2邊頻帶分析法

邊頻帶成分包含有豐富的齒輪故障信息，可對感興趣的頻段進行頻率細化分析，以準確測定邊帶間隔，確定其調制信號頻率，從而確定產生故障的根源。齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法20邊頻帶分析方法當邊頻間隔為旋轉頻率fr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fr一致；

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fg

±nfr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fg和調制信號頻率fr；二是比較各次測量中邊頻帶幅值的變化趨勢。齒輪的點蝕等分布故障會在頻譜上形成邊頻帶，但其邊頻階數(shù)少而集中在嚙合頻率及其諧頻的兩側；齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法21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帶族形狀各異；齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法226.4.3倒頻譜分析法

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，因此可解決上述問題。齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法23

倒頻譜的另一個主要優(yōu)點是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，分析時可以不看某測點振動的大?。赡苡捎趥鬏斖緩蕉贿^分放大），這種不敏感反面有利于監(jiān)測故障信號的有無。齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法24齒輪和齒輪箱的監(jiān)測與診斷方法6.5.1聲音診斷法6.5、其它分析方法

振動和噪聲聯(lián)系密切，振動反映低頻，噪聲反映高頻。低頻振動通過傳感器直接測量，高頻振源信號通過噪聲分析a、b－正常齒輪噪聲幅值譜和功率譜；c、d－嚴重磨損齒輪噪聲幅值譜和功率譜257、齒輪故障診斷案例實例一：齒輪箱診斷試驗267、齒輪故障診斷案例實例一：齒輪箱診斷試驗圖1n=1440r/min(24Hz)時，三個測量加速信號277、齒輪故障診斷案例實例一：齒輪箱診斷試驗圖2n=1440r/min(24Hz)時，通道1測量加速信號幅值譜287、齒輪故障診斷案例實例一：齒輪箱診斷試驗圖3n=1440(24Hz)r/min時297、齒輪故障診斷案例實例一：齒輪箱診斷試驗圖4=3264r/min(54.4)Hz時，三個通道測量信號307、齒輪故障診斷案例實例一：齒輪箱診斷試驗圖5=3264r/min(54.4)Hz時，三個通道測量信號的幅值譜317、齒輪故障診斷案例實例一：齒輪箱診斷試驗圖6n=3264(54.4)r/min時327、齒輪故障診斷案例實例二：

某大型煉膠機高精度重載荷硬齒面齒輪齒輪減速箱，電動機功率為2×400kW，實測轉速n＝732rpm，傳動示意圖如圖1所示，各軸轉頻及齒輪各級嚙合頻率計算如表1所示。圖1

煉膠機齒輪箱傳動示意圖337、齒輪故障診斷案例實例二：

某大型煉膠機高精度重載荷硬齒面齒輪齒輪減速箱，電動機功率為2×400kW，實測轉速n＝732rpm，傳動示意圖如圖1所示，各軸轉頻及齒輪各級嚙合頻率計算如表1所示。347、齒輪故障診斷案例實例二：357、齒輪故障診斷案例實例二：可判斷軸5上的齒輪8(齒數(shù)Z8=28)存在早期故障。停機檢修時，發(fā)現(xiàn)該齒輪的第3齒和第11齒存在輕微齒根裂紋367、齒輪故障診斷案例實例三：張家口宣龍高速線材公司2006年9月，發(fā)現(xiàn)精軋22#軋機輥箱振動增大。圖1是傳動系統(tǒng)圖。圖1高線精軋機傳動系統(tǒng)圖Z5/Z6379月14日的頻譜圖調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2。圖29月14日的振動頻譜圖38特征頻率表特征頻率表1（22#軋機轉速為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，其兩側有較寬的邊頻帶，間隔為35.085Hz，與錐箱II軸的轉頻（34.603Hz）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%故障部位及性質分析11037.5981037.5931.2810.0050100Z5/Z6嚙合頻率－錐箱II軸轉頻21072.6831071.7731.7110.910.085100Z5/Z6嚙合頻率31105.9571105.9530.9460.0040100Z5/Z6嚙合頻率＋錐箱II軸轉頻42143.5552143.5461.9620.00901002倍Z5/Z6嚙合頻率39診斷結論：從圖2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，在其兩側有邊頻出現(xiàn)，邊頻間隔分別為35.085Hz，與錐箱II軸的轉頻（34.603Hz）基本一致，說明22錐箱

II軸上的齒輪存在故障隱患。從圖2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，相應頻率為(1/0.028=35.71Hz)，正好為22架錐箱II軸的轉頻(36.85Hz)一致，這表明問題就出在22架錐箱II軸的齒輪上。建議廠方立即對22架錐箱II軸上的齒輪Z5（31齒）進行檢查。40事后復核

廠方于2006年11月份對拆卸下的精軋22架進行檢查，發(fā)現(xiàn)錐箱II軸上Z5(31齒)齒輪打齒（見圖3和圖4），與診斷分析結論相符。當時廠方曾進一步問過：估計是什么性質的故障，能否繼續(xù)生產？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)較嚴重的斑剝。在工程上，齒輪出現(xiàn)點蝕、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，才停產打開。因為是斜齒輪的緣故，所以振幅沒有像直齒輪那樣強烈。圖3圖4412006年4月，宣化鋼鐵公司棒材廠10#軋機齒輪箱的振動有點異常。查看在線監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)的4月23日的頻譜圖（圖5）和特征頻率表。圖510#軋機200604231200輸出端頻域圖形實例四：HBIS（河北鋼鐵集團）宣化鋼鐵集團有限責任公司42特征頻率表

特征頻率表2

分析：時域圖形有沖擊現(xiàn)象，但是圖5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倍頻達到了7.80m/s2。邊頻窄，判斷為齒輪點蝕。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%故障部位及性質分析1236.3233.51.722.81.2090Z3/Z4嚙合頻率2472.74670.465.7