齿轮箱状态监测与故障诊断技术汇总

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1、8 齿轮箱 状态监测与故障诊断技术, 齿轮箱常见故障 齿轮箱故障的特征频率与边频带 齿轮箱振动信号分析诊断方法 齿轮箱故障的噪声诊断,齿轮箱状态监测与故障诊断技术, 齿轮箱常见故障 由于制造误差、装配不当或在不适当的条件（如载荷、润滑等）下使用，常会发生损伤等故障，常见有四类： （1）齿的断裂 有疲劳断裂和过负荷断裂两种 疲劳断裂：通常先从受力侧齿根产生龟裂、逐渐向 齿端发展而致折断; 过负荷断裂：由于转速急剧变化、轴系共振、轴承破损、轴弯曲等原因，使齿轮产生不正常的一端接触，载荷集中到齿面一端引起.,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,（2）齿的磨损 由于金属微粒、污物、尘埃和沙粒等进入齿轮而导致

2、材料磨损、齿面局部熔焊随之又撕裂的现象 （3）齿面疲劳 由于齿面接触应力超过材料允许的疲劳极限。表面层先产生细微裂纹，然后小块剥落，直至整个齿断裂 （4）齿面塑性变形 如压碎、趋皱,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮箱失效原因及失效比重,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮箱的失效零件及失效比重,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,轮齿损伤形式,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,轮齿损伤形式,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮装置故障检测参数的有效性,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮装置故障检测参数的有效性,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,2、齿轮箱故障的特征频率与边频带 在

3、生产条件下很难直接检测某一个齿轮的故障信号，一般是在轴承箱体有关部位测量。当齿轮旋转时，无论齿轮发生了异常与否，齿的啮合都会发生冲击啮合振动，其振动波形表现出振幅受到调制的特点, 甚至既调幅又调频。 各类故障在频域中的表现如下： 1）当齿轮均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量保持不变，但幅值大小改变，高次谐波幅值增大较多； 2）调幅现象。它是由于齿面载荷波动对幅值的影响造,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,成的，调幅的一个原因是齿轮偏心，此时的调制频率为齿轮的回转频率。当在齿轮上有一个齿存在局部缺陷时，相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲的长度等于齿的啮合周期 3）调频现象。在实际情况中，同样的

4、齿面压力的波动，在产生调幅现象的同时，也会引起频率调制现象，其结果是在谱上得到一个调幅与调频综合形成的边频带。齿轮存在偏心时，由于齿面载荷变化引起调幅现象的同时，又由于齿轮转速的不均匀而引起调频现象。,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,4）附加脉冲。实际测得的信号不一定对称于零线，可 将信号分解为两部分：即调幅部分和附加脉冲部分。附 加脉冲是回转频率的低次谐波。平衡不良、对中不良和 机械松动等，均是回转频率的低次谐波振源，但不一定 与齿轮缺陷直接有关。附加脉冲的影响一般不会超出低 频段，即在啮合频率以下； 5）隐含谱线。是功率谱上的一个频率分量，产生的原 因为加工过程给一个齿轮所带来的周期性缺陷。

5、,随机振动时历曲线,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮频谱上边频带的形成,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,局部缺陷：相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲长度等于齿轮的旋转周期。由此形成的边频带数量多且均匀。 分布缺陷：由于分布缺陷所产生的幅值调制较为平缓，由此形成的边频带比较高而且窄。并且，齿轮上的缺陷分布越均匀，频谱上的边频带就越高、越集中。,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮振动特征频率的计算 齿轮及轴的转动频率 齿轮的啮合频率 有固定齿圈的行星轮系，啮合频率为 -任一参考齿轮的齿数; - 参考齿轮的转数； - 转臂的回转速度

6、，当与参考齿轮转向相反时取正号，否则就取负号。,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,3、齿轮箱振动信号分析诊断方法 齿轮箱传动系统振动的频谱分析法和转子、滚动轴承的频谱分析在原理上是一致的。 齿轮的制造与安装误差、剥落、裂纹等故障会直接成为振动的激励源齿轮轴的回转为周期表现为回转频率对啮合频率及其倍频的调制，在谱图上形成以啮合频率为中心、两个等间隔分布的边频带。 由于调频和调幅的共同作用，最后形成的频谱表现为以啮合频率及其各次谐波为中心的一系列边频带群。 边频带反映了故障源信息，边频带的间隔反映了故障源的频率，幅值的变化表示故障程度。 齿轮故障诊断实质上是对边频带的识别,齿轮箱状态监测与故障诊断技术

7、,用于齿轮箱振动信号的分析方法有： 倒谱分析法 希尔伯特包络分析法 时频分析法 时域模型法 时域平均法,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮箱不同部件故障的振动特征,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮箱不同部件故障的振动特征,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮箱不同部件故障的振动特征,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,常 见 齿 轮 故 障 的 振 动 时 域 波 形 及 频 谱 特 性,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,常 见 齿 轮 故 障 的 振 动 时 域 波 形 及 频 谱 特 性,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮箱故障的小波分析1,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,上图是电厂磨煤机齿轮箱中有6

8、4齿的双曲线从动齿轮之振动速度的时域平均图。从中可以发现在第600采样点处，即对应于角度200度处，振动发生变化，这是由于某一齿面存在碎片剥落所引起。时域内平均是由在一个旋转周期内的采样1024点实现的,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,图为从时域平均中除去齿轮啮合频率及其所有谐波后的残余信号，由碎片剥落引起的振动变化在此图中更为明显,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,图为球磨机齿轮箱上述振动残余信号经过Daubechies4（D4）小波分析后的均方图。较高模式出现在采样点600处，它覆盖了尺度7到11，指出了齿轮箱的损伤之处。,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,图为球磨机齿轮箱上述振动残余信号经Daub

9、echies20（D20）小波分析的均方图。对于从Daubechies4正交小波到Daubechies20正交小波分析上述振动信号时，信号中的主要特征比较一致，不同阶的Daubechies小波具有不同的类型，也就是它们的频带是不同的，因此有细小的区别。,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮箱故障的小波分析2,图为Wessex直升机疲劳损伤测试中，主回转齿轮箱驱动端螺旋斜齿轮（齿数为22）的振动加速度时域平均。,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,图为除去所有与齿啮合频率及其谐波后的残余信号。可以看出，在采样点750附近，即对应于转角265度附近有一较高的峰值，这表示齿轮齿面有疲劳裂纹。,齿轮箱状态监测

10、与故障诊断技术,图为直升机齿轮残余信号的D4小波的均方图。可以看出，在采样点750附近，即对应于转角265度附近有一较高的能量。,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮箱例,2#机组齿轮箱参数,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮箱频谱图,齿轮箱时域波形,为箱体振动和齿轮传动发生共振，并且有二次谐波成分,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,位置和经过细化后各频率成分值,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,边频带各相邻峰值间的频率为212Hz，为小齿轮转频。 紧靠C左右两侧两个峰值与C的频率差分别为50Hz，为大齿轮转频。,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,例 2#机组电动机：转速：1485rpm；功率：1250Kw

11、； 3#机组电动机：转速：1492rpm；功率：1250Kw； 2#和3#增速机：低速齿轮齿数：91；高速齿轮齿数：31； 齿轮形式：人字齿 2#和3#机组鼓风机：D570-1.3/0.95-1（两级离心式）；额定转速： 4320rpm；风量：1150m3/min。 电动机轴承均为滚动轴承；增速机和风机为滑动轴承支撑。,图12#和3#鼓风机传动和测点布置示意图,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,表1 2#机组振动数据（2000年10月20日测试，单位为mm/s）,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,增速机6#测点振动加速度波形和频谱见图2 和图3。可见波形图上出现明显冲击，伴随冲击还存在类似于谐振的波形

12、，冲击间隔为40ms 即25Hz，正好为低速轴的转频。 啮合频率（24.75Hz*91=2252.25Hz）为主导振动频率，在齿轮啮合频率2252Hz 附近（在最大分析频率为5KHz 时，频率分辨率为12.5Hz，因频率分辨率的关系，图中频率为2262.5Hz）附近作16 倍细化分析，谱图如图4，细化后发现啮合频率附近调制了大量的低速轴的转频谱线 大齿轮发生故障的特征，判断齿轮存在严重磨损或断齿。 主动人字齿轮一边严重磨损，另一边也存在严重磨损，且有9 个轮齿断裂，最大的断齿长度为4cm，9 个断裂轮齿呈无规律分布。,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,图2 测点振动加速度波形,图3 测点振动加速度

13、频谱,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,图4啮合频率附近细化16倍频谱,汽车变速齿轮箱故障,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,图5变速箱上传感器布置图,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,图6正常与故障变速器齿轮的振动功率谱,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,图7 变速器齿轮振动倒谱图,谱图中有两个突出的峰，一个是在=0处，其意义由前所知是信号能量大小，其值受仪器衰减影响；另一个是代表频域啮合谐波族的峰（2=1/f2=3.12ms）,其幅值与变速器齿面失效密切相关。如表2所示。,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,表2 倒频谱与齿轮故障,注：表2中对于同类多个试件的 值， 表示其均值， 表示 其标准差； 、 相同。,

14、由表3中不同程度的齿面失效与倒频谱幅值（0，z处）对照，可以清楚地看出两者变化趋势是相同的。 0处峰值大小有信号能量物理含义，反映出齿轮失效后振动能量增大的特征。根据（3）式考虑仪器衰减所,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,造成影响并以新齿轮信号作为对比的基准，就可以根据0处峰值定量诊断变速器齿轮故障。而z处峰值不受信号强度的影响，可以直接作为定量诊断的参量。如按 考虑，可得在本试验条件下定量诊断EQ-140汽车变速器齿轮故障的阈值，如表4所示。,表3 定量诊断变速器齿轮故障阈值,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,主要技术参数： 滚动轴承型号：7224DB； 齿轮为斜齿轮； 电机转速：1280rpm；

15、 联轴器：齿式联轴器。,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,可清晰地看出有一周期脉冲，这是齿轮每转一周出现的一个冲击，脉冲间隔为134ms，频率值为7.5Hz(=1/134ms)。这恰与输入轴小齿轮所在轴的转频一致（输入轴转速为450rpm） 故障：小齿轮个别齿断齿或严重磨损,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,4、齿轮箱故障的噪声诊断 除频率单的纯音外，一般声音都是由许多不同频率、 不同强度的纯音组合而成。以声压级为纵坐标，频率的 横坐标绘制成的噪声特性曲线称为噪声频谱图。 噪声频谱能形象地反映出声音的频率分布和声级大小 的关系。 在噪声监测中，将动态范围内大的连续声谱(2020000Hz)划分为若干个部分，每个部分叫做频带。f0、 f1、f2分别为该频节的中心频率、最低频率、最高频率。 n决定频带的倍频程数。n=1时称为倍频程；n=1/3时称为 1/3频程。,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,齿轮箱状态监测与故障诊断技术,1/3 octave,Power spectrum,