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1、齿轮传动系统的故障诊断与分析张某某 (某某大学机电工程学院，湖南长沙，410083) 摘要：齿轮是机械设备中常用的部件,齿轮传动也是机械传动中最常见的方式之一。在 许多情况下，齿轮故障又是导致设备失效的主要原因。因此对齿轮进行故障诊断具有非常重 要的意义。本文简要介绍了齿轮故障的发展历史，齿轮故障诊断形式与方法，齿轮故障特征 提取以及齿轮传动系统的分析模型和求解方法。关键词：齿轮传动；故障诊断；分析Analysis and fault diagnosis of gear transmission systemZhangmoumou(College of mechanical engineeri
2、ng of moumou University； Changsha Hunan；410083)Abstract：Gear is the common parts of the mechanical equipment ，one of the most common way of gear transmission is mechanical transmission. In many cases, the gear fault is the main cause of equipment failure. So it is very important to diagnose the faul
3、ts of gear. This paper briefly introduces the development history of gear fault, fault diagnosis of gear form and method, analysis model and the solving method of gear fault feature extraction and the gear transmission system. Key words：gear transmission； fault diagnosis； analysis0 引言对齿轮传动系统进行诊断是自故障
4、诊断技术问世以来一直受到人们普遍重 视的课题之一,在各类机械设备中,齿轮传动是最主要的传动方式,齿轮传动系统 的运行状态往往直接影响到机械设备是否正常工作。而齿轮传动系统的零部件如 齿轮、轴和轴承的加工工艺复杂,装配精度要求高,又常常在高速度、重载荷下连 续工作,因此故障率较高,是造成机械设备不能正常运转的常见原因之一。传统采 用的定期维修方式由于其无法科学地预见故障 ,不能从根本上防止故障的发生 , 而且维修周期太短会增加维修费用和维修时间,造成浪费,也影响了正常使用。因 而需对齿轮传动系统进行状态监测及故障诊断,以分析确定齿轮传动系统的工作 状态和性能劣化趋势,视具体情况决定是否需要维修。
5、这样既可以有效地预防故 障的发生,又可以减少不必要的维修,节约开支。在运行过程中,齿轮传动系统内部的零部件会受到机械应力、热应力等多种 物理作用,随着时间的推移,这种物理作用的累积,将使齿轮传动系统正常运行的 技术状态不断发生变化,可能产生异常、故障或劣化状态。这些作用和变化,又必 然会产生内部激励的变化,从而导致相应的振动、声音等二次效应。由于在装配 后和运行中无法对齿轮传动系统的关键零部件直接测试,所以根据二次效应得到 的齿轮系统状态向量就成为故障信息的重要载体。目前普遍采用的基于振动响应 的诊断方法是利用箱体的振动信号作为判断齿轮系统运行状态的信息来源。由于 振动响应信号是由齿轮系统的内
6、部激励和箱体的传递特性确定的,而这种诊断方 法没有考虑系统的传递特性,所以在故障机理分析、特征提取等方面都存在较难 解决的问题。因此，有人提出基于激励分析的故障诊断方法,利用载荷识别技术 获得系统的激励信号。由于激励信号中含有多种故障特征,需要将其与系统辨识 结果以及响应信号中的故障特征综合起来 ,采用信息融合技术 ,综合运用激励分 析和响应分析结果,运用小波分析、模糊诊断及人工智能技术,进行关联和归一化 处理,以解决复杂机械系统的在线快速诊断的精度和可靠性问题。1齿轮故障诊断的发展历史齿轮故障诊断始于七十年代初，早期的齿轮故障诊断仅限于在旋转式机械上 测量一些简单的振动参数，用一些简单的方法
7、进行诊断。这些简单的参数和诊断 方法对齿轮故障诊断反应灵敏度较低，根本无法准确判断发生故障的部位。七十 年代末到八十年代中期，旋转式机械中齿轮故障诊断的频域法发展很快，出现了 一些较好的频域分析方法，对齿轮磨损和齿根断裂等故障诊断较为成功。进入九 十年代以后,神经网络、模糊推理和网络技术的发展和融合使得齿轮系统故障诊 断进入了蓬勃发展的时期。我国学者在齿轮故障诊断研究方面也做了大量工作。1986年屈梁生、何正 嘉在机械故障诊断学中分析了齿轮故障的时频域特点。1988年颜玉玲、赵 淳生对滚动轴承的振动监测及故障诊断进行了分析。1997年郑州工业大学韩捷 等在“齿轮故障的振动频谱机理研究”中对齿轮
8、的故障机理做了探讨。西安交通 大学张西宁等在“齿轮状态监测和识别方法的研究”中提出了一种新方法即基于 一致度分析。2 齿轮故障形式2.1 齿轮断齿齿轮箱失效的主要故障即为断齿。断齿之后的齿轮箱不但齿轮报废需要更换 维修，同时也导致风力机无法正常运行，给业主带来双重损失。断齿常由细微裂 纹逐步扩展而成。根据裂纹扩展的情况和断齿原因，断齿可分为过载折断（包括 冲击折断）、疲劳折断以及随机断裂等。过载折断的主要原因是作用在轮齿上的应力超过其自身极限应力，从而导致 裂纹迅速扩展，其原因一般有突然冲击超载、轴承损坏、轴弯曲或较大硬物挤入 啮合区等。呈放射状花样的裂纹会出现于断齿断口处，并时而伴随有平整的
9、塑性 变形于断口处，并且断口处常可拼合。通过仔细检查一般会发现材质的缺陷、齿 面精度太差、轮齿根部未作精细处理等。所以必要的措施应该在设计中予以考虑， 比如安装时防止对中不准、防止硬质异物进入箱体内等等，以防止过载的情况发 生。疲劳折断发生的根本原因是齿轮在过高的交变应力反复作用下，从危险截面 （如齿根）的疲劳源起始的疲劳裂纹不断扩展，并导致剩余截面上的应力逐渐超 过其极限应力，最终造成齿轮的瞬时折断。疲劳裂纹产生的原因多为设计时载荷 估计不足、材料选用不当、齿轮精度过低、热处理裂纹、磨削烧伤、齿根应力集 中等等。所以在齿轮设计中传动的动载荷谱要被充分考虑进去，同时还要优选齿 轮参数，正确选用
10、材料和齿轮精度，并且充分保证加工精度以消除应力集中因素齿轮的随机断裂，究其原因通常是因为材料的缺陷、点蚀、剥落或其他应力 集中，而造成的局部应力过大，或较大的硬质异物落入啮合区而引起。2.2 齿轮点蚀、胶合除了前面所提及的三种严重的断齿故障之外，齿轮箱还会出现点蚀、胶合故 障。点蚀形成的原因，是由于金属疲劳而在接触面上形成细小的疲劳裂纹，之后 裂纹的扩展从而又造成金属剥落。点蚀常发生在齿轮和滚动轴承表面，在运行几 个小时之内就有可能产生点蚀现象，如果不及时控制点蚀状态，便会引起设备出 现严重的损坏问题。在众多形成点蚀的原因中，表面粗糙和润滑选择不当是其中 的两个主要原因。点蚀逐渐会导致齿轮磨损
11、，而齿轮磨损、齿轮形状的改变，又 会使齿轮表面所承载的压力增大、啮合精度下降，噪音、振动和齿轮轴线发生偏 离，从而齿轮失效的几率便随之增大。点蚀逐渐扩大的后果即为断齿失效。从齿 轮上磨削下的金属还会进入润滑油，而成为污染物，并随同润滑油在齿轮箱中循 环，通过反复的挤压又会镶嵌在齿轮或轴承上。同样轴承20%以上的寿命减少便 是由于润滑油的污染。但如果加入过滤环节，这些碎片便能被有效清除。另外， 密封件被损害的部分原因也是由这些碎片所引起，并同时会导致油品泄露和污染 物入侵。在点蚀发生之后无法用肉眼直接辨识出来，但齿面会变的暗淡。接触应力的大小、载荷循环数、材料硬度、表面微观几何形状及润滑状态和
12、润滑膜厚度等，都直接影响着点蚀发生的时间和程度。同时润滑油选用的得当与 否，也会促使点蚀的产生。润滑油选用主要有粘度、添加剂、润滑方式三方面因 素，其影响如下：使用低粘度油，因为其流动性较好，而容易渗入齿轮、轴承表面裂纹中。渗 入之后反而会加速裂纹的发展和导致金属块的脱落，而引起点蚀。高粘度的油不 如稀油活泼，则也不易像稀油那样容易渗入裂纹。同时，粘度高有利于油膜的建 立和油膜厚度的增大，并且油的弹性可缓和冲击，使接触应力的分布更趋于均匀， 相对地降低了最大应力值，增强了齿面的耐点蚀能力。所以适当提高润滑油的粘 度，可以减少表面疲劳点蚀的发生和扩展。润滑方式也会影响机械部件抗点蚀的能力。油浴法
13、比循环喷油法抗点蚀能力 高 11%；使用油浴法的啮出侧比啮入侧抗点蚀能力高 8%；而用循环喷油法的啮出 侧比啮入侧抗点蚀能力高 20%。当润滑油达到粘着极限时，点蚀倾向随油量增大 而增加。胶合形成的原因可能是由于润滑条件不好或有干涉，适当改善润滑条件和及 时排除干涉起因，调整传动件的参数，清除局部载荷集中，可减轻或消除胶合现 象。齿轮箱润滑不良也会造成齿面、轴承过早磨损。而造成润滑油失效的原因如 下：大气温度过低，润滑剂凝固，造成润滑剂无法到达需润滑部位而造成磨损； 润滑剂散热不好，经常过热，造成润滑剂提前失效而损坏机械啮合表面；滤芯堵 塞、油位传感器污染，润滑剂“中毒”而失效。以上的这些原因
14、会导致润滑油失 效，从而引起齿轮、轴承等的磨损。3齿轮故障诊断方法3.1振动分析法在齿轮系统故障诊断的众多方法中,如振动诊断、噪声分析、油液分析、声 发射和温度及能耗检测等,振动诊断是目前使用最广泛且行之有效的方法。因此, 对齿轮系统的故障进行振动诊断是一个重要的课题。传统振动诊断的基本方法是用安装在箱体上的加速度传感器测量振动响应 信号,提取特征参量,再考虑传感器与各零部件的接近程度和特征参量与某种部 件的关特性进行故障诊断。为了充分利用信息,目前一般采用多参数诊断法（如模 糊诊断法和灰色系统关联诊断法等）,这种方法广泛使用时域、幅域、频域的各种 分析方法,提取尽可能多的有效特征参量 ,然后
15、结合模式识别进行工作状态的判 断。3.2齿轮系统零部件的故障诊断研究齿轮、滚动轴承和轴是齿轮传动系统故障的主要起因。因此,对零部件的故 障诊断研究一般针对这三种零件。齿轮:从齿轮啮合动力学出发,于 1967 年提出了齿轮系统边频带理论。在齿 轮故障检测中 ,基于边频带理论的有各种频域和倒频域的定性分析方法 ,如频谱 分析,倒频谱分析方法等。精密诊断方法主要是进行幅值解调分析和频率解调分 析。在幅值解调分析中,最常见的是希尔伯特解调分析,在齿轮和滚动轴承的故障 诊断中应用较多。重庆大学汽车工程系研制了以时域卷积方式实现希尔伯特变换 的方法和程序,并将重抽和滤波结合起来,提高了解调谱的分辨率及速度
16、。频率调 制属于非线性调制,频率解调方法的研究较为困难,还有待于进一步研究。滚动轴承:根据滚动轴承的运动分析得出了滚动体在内外滚道上的通过频率 和滚动体及保持架的旋转频率的技术公式,为频域法诊断轴承奠定了理论基础。 目前提取这些特征频率比较有效和成熟的方法是共振解调技术。轴:在齿轮系统中针对轴故障的研究较少,一般与齿轮、轴承的信号夹杂在一 起,常常综合判断。3.3 小波诊断方法 小波变换是具有“变焦”功能的时频分析方法。它在时域和频域同时具有良 好的局部化性质,还有放大、缩小、平移等功能,可以把分析的重点聚焦到任意的 细节,从而可显著地改善信号提取能力和状态识别灵敏度及准确性。同时,小波变 换实质上是一种滤波运算,具有良好的滤噪效果,特别适合于强背景噪声下信号 的分析。目前,小波分析的理论正日趋完善,其应用也不断扩大和深入。在齿轮传 动系统故障诊断中,一般多为定性研究 ,定量研究较为困难 ,而且研究还不够深 入。3.4 信息融合技术 信
