齒輪箱的故障類型及振動(dòng)機(jī)理改

齒輪箱的故障類型及振動(dòng)機(jī)理改第2章齒輪箱的故障和振動(dòng)信號(hào)2.1齒輪箱故障的主要形式齒輪箱系統(tǒng)是包含齒輪、軸承、傳動(dòng)軸及箱體等結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)。其中主要故障發(fā)生在齒輪、軸承和傳動(dòng)軸上。在齒輪箱的診斷中，一般只給出是否產(chǎn)生故障及產(chǎn)生故障的位置，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，一般常見(jiàn)的典型故障形式有齒輪失效、軸和軸系失效、箱體共振和軸承疲勞脫落和點(diǎn)蝕等幾種【5】。在這些常見(jiàn)故障中，齒輪和滾動(dòng)軸承的故障約占齒輪箱故障的80%［4］。因此，分析齒輪和滾動(dòng)軸承的故障類型和振動(dòng)機(jī)理對(duì)識(shí)別齒輪箱的故障類型具有重要意義。2.1.1齒輪故障類型及振動(dòng)機(jī)理（1） 齒輪的故障類型齒輪的故障類型大致可分為以下兩種類型：1） 由制造錯(cuò)誤和裝配錯(cuò)誤引起的故障。具體故障包括齒輪偏心、齒距偏差、齒形誤差、軸錯(cuò)位、齒面接觸等故障。齒輪制造過(guò)程中產(chǎn)生的主要缺陷是偏心、節(jié)距偏差和齒形誤差。齒輪裝配不當(dāng)也會(huì)降低齒輪的工作性能。當(dāng)齒輪的這些誤差嚴(yán)重時(shí)，會(huì)引起齒輪傳動(dòng)的快速和慢速旋轉(zhuǎn)，嚙合時(shí)產(chǎn)生沖擊，并引起較大的振動(dòng)和噪聲［5］。2） 運(yùn)行中產(chǎn)生的故障齒輪除上述故障外，其在本身運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)形成許多常見(jiàn)的故障，例如斷齒、齒根疲勞裂紋、齒面磨損、點(diǎn)蝕剝落、嚴(yán)重交合等等。齒輪預(yù)定壽命內(nèi)不影響使用的磨損成文正常磨損，如果因使用不當(dāng)、用材不當(dāng)、接觸面存在硬顆粒以及潤(rùn)滑油不足等原因引發(fā)早期磨損，將導(dǎo)致齒輪形變、重量損失、齒厚變薄、噪聲增大等后果，甚至?xí)?dǎo)致齒輪失效。其中若潤(rùn)滑油不足，還會(huì)導(dǎo)致齒面膠合，膠合一旦發(fā)生，齒面狀況變差，功耗增大，從而使得振動(dòng)信號(hào)變強(qiáng)。（2） 齒輪的振動(dòng)機(jī)理一對(duì)嚙合齒輪可視為一個(gè)具有質(zhì)量、彈簧和阻尼的振動(dòng)系統(tǒng)，其力學(xué)模型如圖2-1所示。圖2-1齒輪對(duì)的力學(xué)模型振動(dòng)方程為［4］：mrx+cx+ktx=kte1+kte2（t）2-1其中x是齒輪沿作用線k（T）的相對(duì)位移一一齒輪的嚙合剛度Mr——齒輪副的等效質(zhì)量mr=m1?m2/（m1+m2）E1加載后齒輪的平均靜態(tài)彈性變形E1加載后齒輪的平均靜態(tài)彈性變形e2（t）――齒輪的誤差和異常造成的兩個(gè)齒輪間的相對(duì)位移（亦稱故障函數(shù)）從方程2-1可以看出，齒輪在理想狀態(tài)下也有振動(dòng)，沒(méi)有異常，其振動(dòng)來(lái)自兩個(gè)方面。第一個(gè)方面是kte1，它與齒輪的誤差和故障無(wú)關(guān)，稱為常規(guī)嚙合振動(dòng)。另一方面，它是kte2（T），取決于齒輪的嚙合剛度和故障函數(shù)。這一部分可以更好地解釋齒輪信號(hào)中存在的頻率轉(zhuǎn)換及其與故障的關(guān)系。2.1.2滾動(dòng)軸承故障類型及振動(dòng)機(jī)理（1） 故障類型齒輪箱滾動(dòng)軸承在工作時(shí)，外圈與軸承座或機(jī)殼聯(lián)接且固定；內(nèi)圈與傳動(dòng)軸相聯(lián)接，隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。在實(shí)際的診斷中，如果不考慮軸承加工和裝配誤差，則主要為運(yùn)行故障這一內(nèi)部因素所引起的振動(dòng)。滾動(dòng)軸承在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障按其振動(dòng)信號(hào)特征的不同可以分為【6】：1） 由于滾道和滾動(dòng)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及灰塵、異物會(huì)導(dǎo)致表面磨損，潤(rùn)滑不良會(huì)加劇磨損。因此，軸承間隙將增加，表面粗糙度將增加，軸承操作精度將降低。因此，齒輪箱的運(yùn)動(dòng)精度也會(huì)降低，這反映在振動(dòng)級(jí)和噪聲的增加上。2） 表面損傷當(dāng)軸承元件表面有損傷時(shí)，損傷點(diǎn)受力會(huì)產(chǎn)生突變的沖擊脈沖力，該脈沖力是以寬帶信號(hào)，覆蓋軸承系統(tǒng)的高頻固有振動(dòng)頻率而引起諧振。這就是損傷類故障引起的振動(dòng)信號(hào)的基本特點(diǎn)。軸承元件的工作表面損傷點(diǎn)在運(yùn)行中反復(fù)撞擊與之相接觸的其他元件表面而引起低頻振動(dòng)成分，其頻率與轉(zhuǎn)速和軸承的幾何尺寸有關(guān)，這一頻率成為故障特征頻率。（2） 振動(dòng)機(jī)構(gòu)滾動(dòng)軸承由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、保持架等部件組成。滾動(dòng)體是滾動(dòng)軸承的核心部件，它將相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦。滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示。在圖中，D是軸承中徑，D是滾動(dòng)體直徑，R1是內(nèi)圈滾道半徑，？？是接觸角，Z是滾動(dòng)元件的數(shù)量，F(xiàn)R是內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)頻率，通常是軸的旋轉(zhuǎn)頻率，f？？是外圈的旋轉(zhuǎn)頻率，sC是滾動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)角速度，sB是滾動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)速度。圖2-2滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)圖軸承產(chǎn)生的振動(dòng)是隨機(jī)的，包括滾動(dòng)體的傳遞振動(dòng)，其主要頻率分量是滾動(dòng)軸承的特征頻率。由于低頻段的頻譜能量較低，往往淹沒(méi)在噪聲中，無(wú)法用于診斷。中頻段主要包括軸承元件表面損傷引起的軸承元件自振頻率。對(duì)該頻段的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，可以更好地診斷軸承的局部損傷故障。通過(guò)對(duì)高頻信號(hào)的分析，也可以診斷軸承的相應(yīng)故障。2.2齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析與頻域分析在各種齒輪箱故障分析與診斷方法中，基于振動(dòng)檢測(cè)的齒輪箱故障診斷方法具有測(cè)量簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)測(cè)量齒輪箱運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，作為故障診斷的重要信息源，是理想的齒輪箱運(yùn)行監(jiān)測(cè)工具［5］。目前，振動(dòng)診斷的研究方法可分為時(shí)域分析和頻域分析。2.2.1時(shí)域分析時(shí)域分析方法就是根據(jù)信號(hào)的時(shí)間歷程記錄波形，分析信號(hào)的組成和特征量。對(duì)于離散的時(shí)序數(shù)據(jù)，常用的有量綱幅域參數(shù)有：峰值、均值和均方根值【8,9】。峰值：xmax=max?|xi|2-2均值：x=nni=1|xi|2-3均方根值:xrms=nni=1xi2-4十一均值和均方根值都是描述動(dòng)態(tài)信號(hào)強(qiáng)度的指標(biāo)。幅值的平方具有能量的含義，因此均值表示了單位時(shí)間內(nèi)的平均功率。無(wú)量綱振幅域參數(shù)為：峰值指數(shù)、邊緣指數(shù)和峰度指數(shù)。峰值指數(shù)：CF=xmaxxrms2-5xmax裕度指數(shù)：CLF=峰度指數(shù)：kV=21n|x|ini=11nx4ni=1ix4rms2-62-7峰值指標(biāo)表示信號(hào)的變化范圍，是信號(hào)強(qiáng)度的一種描述。裕度和峭度對(duì)信號(hào)的沖擊較敏感，可以用作齒輪箱的故障診斷，如因齒輪裂紋、滾動(dòng)軸承故障等在時(shí)域波形中就可能引起相當(dāng)大的脈沖。2.2.2頻域分析工程中測(cè)量的信號(hào)通常是時(shí)域信號(hào)。然而，故障的發(fā)生和發(fā)展往往會(huì)導(dǎo)致信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)的變化。為了通過(guò)測(cè)量信號(hào)了解和觀察物體的動(dòng)態(tài)行為，通常需要頻域信息。將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域進(jìn)行分析的方法稱為頻域分析。其目的是通過(guò)傅里葉變換將復(fù)雜的時(shí)程波形分解為多個(gè)單次諧波分量，從而得到信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)和各次諧波的幅相信息。常見(jiàn)的頻域分析包括頻譜分析、精細(xì)頻譜分析和調(diào)制頻譜分析［7］。(1)頻譜分析頻譜分析中常用的是自功率譜。自功率譜的定義為：將時(shí)域信號(hào)x(t)進(jìn)行傅里葉變換的：xf=?8x(t)e?j2nftdt2-8其自功率譜為：sxxf=x?fx（f）2-9地點(diǎn)：x?F是X（F）的共軛絡(luò)合物。自功率譜亦可以從自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉積分得到。（2） 細(xì)化頻譜分析細(xì)化分析技術(shù)是近年來(lái)在FFT方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)。這是一種提高頻譜某些有限部分分辨率的方法，即“局部放大”方法，它可以使一些重要的感興趣頻帶獲得高分辨率。有很多細(xì)化分析方法，比如chirpoZ變換、Yip-zoom變換和相位補(bǔ)償zoom-FFT[10],但目前廣泛使用的是復(fù)調(diào)制細(xì)化方法及其改進(jìn)算法。（3） 解調(diào)譜分析在實(shí)際齒輪箱系統(tǒng)中，復(fù)雜的幅值調(diào)制與頻率調(diào)制是同時(shí)存在的，頻譜上出現(xiàn)不同程度的調(diào)制邊帶。在工程實(shí)際中常用復(fù)包絡(luò)分析方法及其改進(jìn)算法來(lái)對(duì)齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分析。復(fù)包絡(luò)分析方法是利用希爾伯特（hilbert）變換對(duì)齒輪嚙合振動(dòng)信號(hào)解調(diào)而獲得調(diào)幅和調(diào)相信號(hào)，然后求出調(diào)幅和調(diào)相信號(hào)的頻譜圖，再根據(jù)頻譜確定齒