齒輪故障診斷

2023/8/30齒輪故障診斷1本章內(nèi)容一、齒輪傳動1.齒輪傳動類型2.齒輪系3.齒輪傳動特點二、齒輪主要失效形式1.輪齒折斷2.輪齒表面的失效三、齒輪設(shè)計準(zhǔn)則四、齒輪材料及其選擇原則五、齒輪傳動中其他影響因素六、齒輪傳動中振動信息1.嚙合頻率及其諧頻2.隱含成分3.邊頻帶4.附加脈沖5.齒輪、軸等零件的諧振頻率6.交叉調(diào)制成分七、齒輪故障診斷技術(shù)1.時域波形法2.時域參數(shù)分析法3.頻譜分析法4.細(xì)化分析5.倒頻譜分析法6.瞬間頻率波動分析八、實例分析2023/8/30齒輪故障診斷2一、齒輪傳動齒輪傳動是常用的一種傳動方式在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中其故障約占10%有各種分析方法來診斷齒輪故障有各種診斷儀器來幫助診斷故障新技術(shù)還在發(fā)展中2023/8/30齒輪故障診斷3新技術(shù)還在發(fā)展中 10-3 10-4 10-5 10-6

CriticalDimentions(m)MiniatureMachiningMesoMachining&LIGASiSurfaceMicromachining2023/8/30齒輪故障診斷4標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪嚙合圖2023/8/30齒輪故障診斷51.齒輪傳動類型齒輪傳動平面齒輪傳動空間齒輪傳動直齒輪斜齒輪圓錐齒輪交錯軸斜齒輪蝸輪蝸桿外嚙合內(nèi)嚙合齒輪齒條平行軸斜齒輪人字齒輪常用齒輪傳動機(jī)構(gòu)oftenusedgearmechanism直齒輪傳動spurgear斜齒輪傳動helicalgear人字齒輪傳動doublehelicalgear內(nèi)直齒輪傳動internalgear直齒錐齒輪傳動bevel曲齒錐齒輪傳動spiralbevelgear齒輪齒條傳動rackandgeartransmission2023/8/30齒輪故障診斷6外嚙合直齒輪內(nèi)嚙合直齒輪(1)兩軸線平行的圓柱齒輪機(jī)構(gòu)2023/8/30齒輪故障診斷7斜齒圓柱齒輪人字齒圓柱齒輪齒輪齒條傳動2023/8/30齒輪故障診斷8蝸輪蝸桿傳動兩軸相交錯的斜齒圓柱齒輪機(jī)構(gòu)(2)相交軸齒輪傳動直齒圓錐齒輪傳動(3)交錯軸的齒輪機(jī)構(gòu)2023/8/30齒輪故障診斷9由一系列齒輪組成的傳動稱為齒輪系。2.齒輪系2023/8/30齒輪故障診斷10122'344'5定軸輪系：當(dāng)齒輪系轉(zhuǎn)動時，若其中各齒輪的軸線相對于機(jī)架的位置都是固定不動的。齒輪系分類(1)定軸輪系2023/8/30齒輪故障診斷11

行星輪系：當(dāng)齒輪系轉(zhuǎn)動時，若其中至少有一個齒輪的幾何軸線繞另一齒輪的固定幾何軸線運(yùn)動。H123(2)行星輪系2023/8/30齒輪故障診斷12復(fù)合輪系:既有行星輪系又有定軸輪系或有若干個行星輪系 組合而成的復(fù)雜輪系。12'34H2(3)復(fù)合輪系2023/8/30齒輪故障診斷133.齒輪傳動特點可以傳動空間任意軸間的運(yùn)動與動力傳動準(zhǔn)確、平穩(wěn)、效率高工作安全、可靠，使用壽命長齒輪傳動機(jī)構(gòu)應(yīng)用于各行各業(yè)動力傳遞、運(yùn)動分解、運(yùn)動合成2023/8/30齒輪故障診斷14輪齒折斷齒面損傷點蝕膠合齒面磨損塑性變形過載折斷彎曲疲勞折斷二、齒輪的主要失效形式輪齒損傷比例損傷類型斷齒點蝕劃痕磨損其它比例(%)4131101082023/8/30齒輪故障診斷151.輪齒折斷Fn現(xiàn)象:一個齒或多個齒的整體或局部斷裂。折斷發(fā)生在齒根處。原因：齒根彎曲應(yīng)力大；齒根應(yīng)力集中。措施：材料及熱處理 增大模數(shù) 增大齒根圓角半徑 消除刀痕、噴丸、滾壓處理 增大軸及支承剛度(1)過載折斷由于短時、過大或受到?jīng)_擊載荷。無前兆，斷裂處呈粗晶粒組織，一般多發(fā)生在事故中。2023/8/30齒輪故障診斷161）折斷機(jī)理：受到重復(fù)載荷后，齒根處產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展，當(dāng)載荷的循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定時，致使輪齒折斷。判斷：斷裂處分為光滑區(qū)核晶粒粗糟區(qū)。2）彎曲折斷實例(3)提高抗折斷措施增大齒根處的過度圓角，↑光潔度→

應(yīng)力集中↑支承及軸的剛度，使輪齒接觸線上受載較為均勻增大輪芯的韌性，↑抗彎能力載齒根處施加適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化措施，使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，不易產(chǎn)生裂紋(2)彎曲疲勞折斷2023/8/30齒輪故障診斷17(1)磨損磨料磨損：研磨磨損：外界的硬屑粒進(jìn)入嚙合面，多發(fā)生在開式傳動。嚙合面間的相互摩擦，由于齒輪嚙合時除節(jié)點外，其他部分均存在相對滑動。2)磨損實例1)分類2.輪齒表面的失效2023/8/30齒輪故障診斷184)措施開式改閉式傳動加潤滑油并常更換↑齒面硬度采用適當(dāng)?shù)慕M合材料3)原因：相對滑動齒面的磨損量與齒面的相對滑動量成正比，由于齒面上不同位置處的相對滑動量不同，所以磨損量也不同。(1)磨損齒面不均勻磨損，使磨損后齒形發(fā)生變化，不再滿足恒定傳動比傳動條件，造成傳動比不穩(wěn)定，引起附加動載荷。齒面磨損使齒厚減薄，使齒根的抗彎曲疲勞強(qiáng)度降低，并使齒輪最終表現(xiàn)為齒根減薄后的彎曲疲勞折斷。2023/8/30齒輪故障診斷19齒面材料在變化著的接觸應(yīng)力作用下，由于疲勞而產(chǎn)生的麻點狀損傷現(xiàn)象。1）點蝕機(jī)理由于交變的接觸應(yīng)力作用產(chǎn)生疲勞裂紋，而當(dāng)潤滑油進(jìn)入裂紋時，由于是壓力油，又會使裂紋擴(kuò)展，最后形成片狀脫落。2）現(xiàn)象：點蝕發(fā)生的部位一般發(fā)生在靠近節(jié)線的齒根面上。(2)點蝕2023/8/30齒輪故障診斷20(2)點蝕節(jié)點附近，相對滑動速度小，不利于油膜形成，潤滑不良，摩擦力大；特別是直齒輪，節(jié)點附近為單齒嚙合區(qū)，輪齒受力最大；兩輪齒齒根部，相對速度過大，故向齒根擴(kuò)展。3)原因4）措施↑表面硬度，以↑輪齒抗點蝕能力；加潤滑油，以

Ff，并且↑油的粘度，不易侵入裂紋；采用變位齒輪(增大綜合曲率半徑)，H；↑表面光潔度，

應(yīng)力集中源。2023/8/30齒輪故障診斷21相嚙合的齒面在高速、重載下，使金屬從齒面撕落而引起的一種嚴(yán)重粘著磨損現(xiàn)象。(3)膠合1）原因高速重載齒輪傳動，齒面間的壓力大，瞬時溫度高，潤滑差，兩齒面會粘在一起，同時，兩齒面又存在相對運(yùn)動，因此粘住的地方被撕裂，形成傷痕。較軟的被較硬的撕下；齒面越軟，越易發(fā)生膠合。2023/8/30齒輪故障診斷22(3)膠合2）措施采用角變位齒輪，降低齒高；以↓滑動系數(shù)；采用小模數(shù)，以↓相對滑動速度；采用抗膠合好的潤滑油、齒輪副材料(相同的材料膠合的可能性大)、專門的添加劑；↑光潔度，以↓Ff；材料的硬度及配對。2023/8/30齒輪故障診斷23齒輪傳動時，由于齒輪材料較軟，則在過大應(yīng)力作用下，齒面材料因屈服產(chǎn)生塑性流動，而形成齒面的塑性變形。(4)塑性變形從動輪主動輪2023/8/30齒輪故障診斷24(4)塑性變形2)措施↑齒面硬度，↓減小接觸應(yīng)力，↓塑變；↑油的粘度，以利于油膜形成，改善潤滑，↓Ff。1)形成機(jī)理：重載，齒面軟。主動輪：Ff背離節(jié)線，齒面產(chǎn)生凹溝；從動輪：Ff朝著節(jié)線，齒面產(chǎn)生凸棱。2023/8/30齒輪故障診斷25彎曲折斷點蝕膠合磨損塑性變形齒輪主要失效形式總結(jié)。。。。。。。。?！，F(xiàn)象與原因？改進(jìn)措施？2023/8/30齒輪故障診斷26對一般工況下的齒輪傳動，其設(shè)計準(zhǔn)則是：保證足夠的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，以免發(fā)生齒根折斷。保證足夠的齒面接觸疲勞強(qiáng)度，以免發(fā)生齒面點蝕。對高速重載齒輪傳動，除以上兩設(shè)計準(zhǔn)則外，還應(yīng)按齒面抗膠合能力的準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計。由實踐得知：閉式軟齒面齒輪傳動，以保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度為主。閉式硬齒面或開式齒輪傳動，以保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度為主。三、齒輪設(shè)計準(zhǔn)則2023/8/30齒輪故障診斷27四、齒輪材料及其選擇原則1.對齒輪材料性能的要求

齒輪的齒體應(yīng)有較高的抗折斷能力，齒面應(yīng)有較強(qiáng)的抗點蝕、抗磨損和較高的抗膠合能力，即要求：齒面硬、芯部韌。2.常用齒輪材料

鋼鍛鋼鑄鋼碳鋼合金鋼除尺寸過大，或結(jié)構(gòu)復(fù)雜者，一般常用。鑄鐵非金屬材料較脆，抗沖擊及耐磨性較差，但抗膠合和抗點蝕能力好。常用于工作平穩(wěn)，速度較低，功率不大的場合。適用于高速、輕載及精度不高的場合。用于尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜者。2023/8/30齒輪故障診斷28五、齒輪傳動其他影響因素制造的質(zhì)量問題裝配的質(zhì)量問題安裝的質(zhì)量問題2023/8/30齒輪故障診斷29六、齒輪傳動中振動信息嚙合頻率及其各次諧波隱含成分嚙合頻率及其它一些高頻成分兩側(cè)的，由于故障調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生的邊頻帶旋轉(zhuǎn)軸工作頻率及其低次諧頻。這是由于某種附加沖擊脈沖而引起的沖擊振動齒輪、軸等零件的諧振頻率交叉調(diào)制成分2023/8/30齒輪故障診斷301.嚙合頻率及其諧頻2023/8/30齒輪故障診斷31嚙合頻率fmN—齒輪軸轉(zhuǎn)速Z—齒輪齒數(shù)兩齒輪嚙合時產(chǎn)生振動，振動頻率稱為嚙合頻率2023/8/30齒輪故障診斷322.隱含成分減速機(jī)齒輪箱頻譜(a)新齒輪振動頻譜(b)運(yùn)行1月后振動頻譜由齒輪加工機(jī)床分度齒輪帶來的周期性缺陷，對應(yīng)于齒輪滾齒機(jī)工作臺分度蝸輪的嚙合頻率。特點：(1)不受載荷變化的影響；(2)當(dāng)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間后，由于齒輪均勻磨損，嚙合頻率及各次諧波的振動分量逐漸增加，而隱含成分及其各次諧波卻逐漸下降。(鬼線,GhostComponent)嚙合頻率成分上升5dB,隱含成分下降5dB,反映齒廓磨損情況。2023/8/30齒輪故障診斷33調(diào)制現(xiàn)象幅值調(diào)制頻率調(diào)制原理：3.邊頻帶2023/8/30齒輪故障診斷34例如：一個輪齒上的局部缺陷就相當(dāng)于齒輪每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一個脈沖激勵，齒輪的嚙合頻率被一個短的周期脈沖所調(diào)制，在頻譜中表現(xiàn)為在嚙合頻率兩側(cè)有大量的邊頻帶，其幅值較低，且分布均勻而平坦。(1)局部缺陷幅值調(diào)制2023/8/30齒輪故障診斷35是指比較均勻分布的缺陷，它相當(dāng)于時域包絡(luò)線較寬的脈沖。因此，它在頻域中表現(xiàn)為在嚙合頻率兩邊產(chǎn)生了一簇幅值較高、起伏較大、分布較窄的邊頻帶。(2)均布缺陷幅值調(diào)制2023/8/30齒輪故障診斷36邊帶現(xiàn)象調(diào)頻效應(yīng)是由于齒距周期性變化、速度變化及不對中引起的。事實上，一個齒輪上的載荷發(fā)生波動就會引起速度的波動，所以，常常在調(diào)幅的同時也必然會產(chǎn)生頻率調(diào)制效應(yīng)，調(diào)頻的結(jié)果，同樣引出一簇邊頻帶，其間距的含義與調(diào)幅時相同。頻率調(diào)制2023/8/30齒輪故障診斷37嚙合頻率fm兩側(cè)有一簇邊頻帶，譜線間隔即故障特征頻率fc，它等于齒距一個變化周期的倒數(shù)，即

fc=1/tc調(diào)頻效應(yīng)齒輪調(diào)頻信號(a)齒距周期性變化產(chǎn)生調(diào)頻信號(b)頻譜圖頻率調(diào)制2023/8/30齒輪故障診斷38齒輪振動信號的共振調(diào)制有故障就有調(diào)制出現(xiàn)。實例：某增速機(jī)實測嚙合頻率fm=1200Hz(齒輪固有頻率同)，故障為軸頻f0。拆檢：齒輪普遍輪齒節(jié)線附近有嚴(yán)重剝落。注：1200Hz之所以有這么高幅值是由于該頻率與低速軸齒輪固有頻率相同，是嚙合頻率激發(fā)了該齒輪共振。2023/8/30齒輪故障診斷39激勵能量對不同調(diào)制振動的影響(1)由軸彎曲和齒輪本身存在的缺陷和故障均可產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象；(2)調(diào)制的載波頻率有三種：a)嚙合頻率及其高次諧波b)齒輪諧振頻率c)箱體諧振頻率(3)不同激勵能量有不同的調(diào)制振動：a)故障較輕，如輕微的軸彎曲或面積小、數(shù)量少的齒面點蝕—嚙合頻率為載頻，軸頻為調(diào)制頻率；b)故障較嚴(yán)重、激振能量較大時—齒輪本身的諧振頻率為載波頻率；c)故障非常嚴(yán)重、激勵能量非常大時—箱體固有頻率為載波頻率。2023/8/30齒輪故障診斷404.附加脈沖實測信號不對稱于零線時，可分為對稱于零線的調(diào)制部分和附加脈沖部分。頻譜上附加脈沖部分為回轉(zhuǎn)頻率及其諧波，頻率較低。平衡不好、對中不良、機(jī)械松動可能造成附加脈沖，與齒輪缺陷無關(guān)。2023/8/30齒輪故障診斷415.齒輪、軸等零件的諧振頻率在很多情況下，齒輪或齒輪箱在承載運(yùn)行中，由于其它激振力而引起了齒輪、軸或軸承內(nèi)、外圈滾動體等零件的諧振。在頻譜圖上出現(xiàn)某些高峰值，也不對應(yīng)某些特征頻率，則這些頻率可能是某零件的諧振頻率，因此需在做譜分析前，通過計算獲得其諧振頻率數(shù)值，結(jié)合頻譜才能做出準(zhǔn)確判斷。2023/8/30齒輪故障診斷42在齒輪箱振動的頻譜中還會出現(xiàn)一些其它的成分，這些頻率成分大都是由上述的基本成分互相調(diào)制而成的，它表現(xiàn)為一些頻率的和頻及差額。它們并不獨(dú)立，只有那些基本成分改變時才會有所改變，一般不用考慮和分析它。但了解這些成分的存在及其含義，有利于我們?nèi)ビ^察和分析齒輪的信號，取其特征，舍去一般。6.交叉調(diào)制成分2023/8/30齒輪故障診斷43七、齒輪故障診斷技術(shù)1.時域波形法2023/8/30齒輪故障診斷442.時域參數(shù)分析法峰值均方根值脈沖指標(biāo)裕度指標(biāo)歪度指標(biāo)峭度指標(biāo)無量綱指標(biāo)峭度為4次矩，數(shù)據(jù)較突出，是評價信號沖擊大小或波形尖峭程度重要指標(biāo)。2023/8/30齒輪故障診斷453.頻譜分析法由于時域信號受各種因素影響較大，波形復(fù)雜，難以清晰地判別。因此，對齒輪故障的判斷較多地采用頻譜分析法。2023/8/30齒輪故障診斷464.平均響應(yīng)法齒輪在各種狀態(tài)下時域平均信號a)正常齒輪時域平均信號b)齒輪安裝錯位c)齒面嚴(yán)重磨損d)齒斷裂(有突跳)時域平均實例嚙合不良2023/8/30齒輪故障診斷475.細(xì)化分析2023/8/30齒輪故障診斷48基帶分析與細(xì)化分析比較2023/8/30齒輪故障診斷496.倒頻譜分析法功率倒頻譜幅值倒頻譜頻譜Spectrum倒頻譜Cepstrum對數(shù)功率的功率譜倒頻率Quefrencycf:頻率Frequency2023/8/30齒輪故障診斷50減速機(jī)的頻譜與倒頻譜(a)修理前40ms(25Hz)和120ms(8.3Hz)明顯40ms成分對應(yīng)于軸速,是由于小齒輪齒廓受到磨損或齒輪軸不對中引起。(b)修理后修理后消除了缺陷,40ms和120ms成分明顯下降。(c)修理4年后倒頻譜無明顯變化,表明減速機(jī)運(yùn)行正常。2023/8/30齒輪故障診斷517.瞬時頻率波動分析TFF分析以Hilbert變換為基礎(chǔ)，可提取調(diào)制頻率變化曲線。信號中存在頻率調(diào)制，則瞬時波動頻率TFF(t)時高時低，圍繞其載波頻率上下波動。TFF(t)只與頻率變化有關(guān)，與信號幅值無關(guān)。頻率解調(diào)法：TFF2023/8/30齒輪故障診斷52八、實例分析例1

某廠C6132車床噪聲大，即使在較低轉(zhuǎn)速擋250rpm時仍有噪聲。分析:從時域信號看有沖擊信號從解調(diào)譜中看沖擊頻率為3.47Hz及其諧波等于Ⅳ軸軸頻，可能有不平衡(可能性小)或軸彎曲(可能性大)Ⅳ軸上齒輪嚙合頻率的高次諧波開箱檢查：Ⅳ軸產(chǎn)生彎曲，齒輪輪齒磨損嚴(yán)重。2023/8/30齒輪故障診斷532023/8/30齒輪故障診斷542023/8/30齒輪故障診斷552023/8/30齒輪故障診斷562023/8/30齒輪故障診斷572023/8/30齒輪故障診斷58例2某水泥廠球磨機(jī)齒輪箱診斷球磨機(jī)傳動結(jié)構(gòu)圖D球磨機(jī)齒輪箱振動極大開式齒輪傳動的嚙合頻率為52.5Hz電機(jī)轉(zhuǎn)速為750rpm/min，12.5Hz2023/8/30齒輪故障診斷59減速箱體測試點頻譜圖2023/8/30齒輪故障診斷60減速箱輸出軸處測點頻譜圖2023/8/30齒輪故障診斷61球磨機(jī)聯(lián)軸結(jié)處軸承座

測點頻譜圖2023/8/30齒輪故障診斷62開式齒輪支撐軸承處測點頻譜圖2023/8/30齒輪故障診斷63謝謝！2023/8/30齒輪故障診斷64八、實例介紹例1

某廠一臺C523立車發(fā)生了半年強(qiáng)烈異常振動，伴有嚴(yán)重噪聲。根據(jù)實測電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時各種轉(zhuǎn)頻及嚙合頻率： 各軸轉(zhuǎn)頻及嚙合頻率(C523立車傳動箱)軸序號傳動轉(zhuǎn)速(r/min)轉(zhuǎn)頻(Hz)嚙合頻率(Hz)Ⅰ213/475595.89.90327.7Ⅱ33/39504.18.40294.1Ⅲ35/35504.18.40151.2Ⅳ18/44206.23.44123.7Ⅴ36/24309.35.1692.8Ⅵ18/44126.52.1152.7Ⅶ25/3298.91.7637.6Ⅷ23/15414.80.2937.92023/8/30齒輪故障診斷652023/8/30齒輪故障診斷662023/8/30齒輪故障診斷672023/8/30齒輪故障診斷682023/8/30齒輪故障診斷692023/8/30齒輪故障診斷707.共振解調(diào)分析法2023/8/30齒輪故障診斷71某變速箱一檔被動齒輪斷齒后的共振解調(diào)頻譜圖，其嚙合頻率5HZ，也出現(xiàn)了諧波群，并在其低頻處，背景能量較高，這也表示了斷齒后缺齒處沖擊能量較大。2023/8/30齒輪故障診斷72補(bǔ)充一：

概率密度函數(shù)許多無量綱指標(biāo)與p(x)密切聯(lián)系著。由于對p(x)的定量化引出了歪度指標(biāo)(Skewness)，及峭度指標(biāo)(Kurtosis)，為了更好地理解這兩指標(biāo)，這里再深入分析p(x)的性質(zhì)。2023/8/30齒輪故障診斷731.和σ為分布函數(shù)故常態(tài)分布曲線由和σ就可決定，σ值意味著偏離平均值的大小，σ值越大偏離值越大。2.常態(tài)分布函數(shù)μ3=0即常態(tài)分布的偏倚系數(shù)為0。3.常態(tài)分布函數(shù)四階矩μ4/σ4=3，故常態(tài)分布的峰突系數(shù)為3。2023/8/30齒輪故障診斷74a)σ值越小則p(x)值越大，因而p(x)減小很快，即曲線陡b)反之，σ愈大，p(x)減小緩慢，曲線平坦；c)2023/8/30齒輪故障診斷75若分布曲線是單峰且對稱，即全正態(tài)分布則三者合一。若偏倚不大，則三