齿轮故障诊断

1机械设备故障诊断技术----齿轮故障诊断北京科技大学机械工程学院黎敏阳建宏2020/1/192齿轮传动的特点齿轮的分类齿轮的啮合过程齿轮故障诊断齿轮传动的基本知识齿轮振动的机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析3齿轮传动的基本知识概述齿轮故障诊断概述在现代机械中，要求齿轮在高速、重载等工况下工作，又要求齿轮传动具有高平稳性、高可靠性据日本新日铁会社的统计，齿轮故障约占机器总故障次数的10.3%左右从1956年至1986年，在美国导致人员伤亡或飞机损坏的直升机重大飞行事故中，齿轮箱是最主要的故障源，约占22%，为了防止此类事故的发生而不得不进行频繁地维修，维修费用达到了直升机飞行成本的30%4齿轮传动的特点齿轮故障诊断概述作用：传递扭矩、改变转速优点：结构紧凑、传动比精确、传动效率高缺点：制造、安装精度要求较高；不适于中心距较大的两轴间传动；使用维护费用较高；精度低时、噪音、振动较大M1M2N1个齿N2个齿N1.M1=N2.M2M1M2N1N2=齿轮传动的基本知识5齿轮传动的分类按装置形式分•开式：没有防护罩，用于低速非重要场合•半开式：有简单的防护罩，常用于农业机械、建筑机械•闭式：装在封闭严密的箱体内，常用于汽车、航空齿轮故障诊断概述打谷机齿轮传动的基本知识减速机6直齿齿面的形成斜齿齿面的形成•直齿：啮合过程不够稳定，啮合刚度变化•斜齿：可以更好的完成齿和齿之间的传动，它的缺点是会在轴上产生一个轴向扭力•人字齿：可以消除轴向的扭力，但是装配更困难。齿轮故障诊断概述齿轮传动的基本知识齿轮传动的分类按轮齿的不同类型分7齿轮传动的分类按工作轴的相对位置分齿轮故障诊断概述齿轮传动的基本知识平行轴齿轮传动相交轴齿轮传动交错轴齿轮传动8齿轮的啮合过程----啮合点位置的变化齿轮传动的基本知识主动轮从动轮主动轮的齿根与从动轮的齿顶接触啮合开始主动轮的节点与从动轮的节点接触啮合中间主动轮的齿顶与从动轮的齿根接触啮合结束主动轮从动轮9齿轮的啮合过程----啮合齿数的变化齿轮传动的基本知识齿面受载变化齿轮刚度变化齿轮啮合齿数的变化啮合齿数212啮合的轮齿对数越多，传动越平稳，每个轮齿所承受的载荷越小10齿轮的力学模型分析幅值调制与频率调制齿轮振动的其他成分齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析齿轮传动的特点齿轮的分类齿轮的啮合过程11212/)()]()[(riMMtextkxcxm齿轮的力学模型分析齿轮故障诊断齿轮的振动机理齿轮副力学模型振动方程为：齿面摩擦力在啮合线上齿轮的相对位移啮合刚度啮合阻尼当量质量2121mmmmm)()(21teete1e齿轮受载后的平均静弹性变形)(2te由齿轮误差和故障造成两个齿轮间的相对位移12212/)()]()[(riMMtextkxcxm齿轮的力学模型分析齿轮故障诊断齿轮的振动机理)()(21teete0)]()[(textkxcxm)()()()(21tetketkxtkxcxm若考虑齿面摩擦力为0齿轮的振动为自激振动为常规振动，由材料静变形引起的振动取决于齿轮故障情况1)(etk)()(2tetk齿轮的振动主要是由的周期变化引起的。)(tk齿面受载变化直齿轮斜齿轮13齿轮的力学模型分析齿轮故障诊断齿轮的振动机理从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的啮合刚度就变化一次。因此齿轮啮合刚度的变化频率----啮合频率齿轮刚度变化啮合齿数齿轮啮合齿数的变化60602211nZnZ啮合频率21214带点蚀故障的齿1旋转一周，与齿2啮合一次，产生一次冲击即：转一圈一次冲击，与转频在数值上是相等的举例说明带点蚀故障的齿轮的啮合过程：齿轮的力学模型分析齿轮故障诊断齿轮的振动机理15上节课内容复习什么是转频？60转速转频转频表示每秒钟转过的圈数。例如：发生一个断齿，转速850r/min,转频f=14.2Hz1秒钟有14个冲击16齿轮的力学模型分析幅值调制与频率调制齿轮振动的其他成分齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析17信号调制信号调制可以分为：幅值调制、频率调制tAtA幅值调制频率调制原因1：齿轮载荷不均匀、齿距不均匀及故障造成的载荷波动，会对振动幅值产生影响原因2：同时也产生扭矩波动，使齿轮转速发生变化，从而影响频率结构18信号调制---调幅齿轮啮合过程中，啮合频率及其各次谐波视为载波齿面点蚀、剥落引起的振动(周期出现)信号，视为调制波两者同时存在时，则会产生调制效应时域上表现为──相乘频域上表现为──卷积)(tgm)()()(tgtgtysm)()()(fGfGfYsm)(tgs)(tgm)(tgs)(ty)(fGm)(fGs)(fYQuestion?载波：调制波：合成信号：啮合频率转频19信号调制---调幅例：齿轮啮合振动信号：齿轮点蚀引起的振动信号:调幅后的振动信号为：)2sin()(tfAtgmm)2cos()2sin()()()(tfBtfAtgtgtysmsmtfBtgss2cos)(调幅后的振动信号在频域表示为：)(21)(21)()(smsmmfffABfffABffAfyfAsmffsmffsfmf2mf3mf20信号调制---调幅)()()()(21tetketkxtkxcxm齿轮振动的方程为：为载波信号，它包含有齿轮啮合频率及其倍频成分)(tk为调制信号，反映齿轮的误差和故障情况)(2te时域频域)(tk)(2te)()(2tetk)(fk)(2fe)()(2fefkmfsmffsmff21信号调制---调幅局部缺陷：齿轮每转一周产生一个脉冲激励，齿轮的啮合频率被一个短的周期脉冲所调制，在频谱中表现为在啮合频率两侧有大量的边频带，其幅值较低，且分布均匀而平坦。分布缺陷：指比较均匀分布的缺陷，它相当于时域包络线较宽的脉冲。因此，它在频域中表现为在啮合频率两边产生了一簇幅值较高、起伏较大、分布较窄的边频带。局部缺陷，冲击历程短，频域分布宽分布缺陷，冲击历程长，频域分布窄22对于齿轮传动，任何导致产生幅值调制的因素也同时会导致频率调制。两种调制总是同时存在的。对于质量较小的齿轮副，频率调制现象尤为突出调频的振动信号包含有多个频率分量，并以啮合频率为中心，以调制频率为间隔形成多对的调制边带信号调制---调频23信号调制---交叉调制谐振能量对不同调制振动的影响在很多情况下，齿轮或齿轮箱在承载运行中，由于其它激振力而引起了齿轮、轴或轴承内、外圈滚动体等零件的谐振。【固有频率】类型载波信号调制信号故障较轻，如轻微的轴弯曲或面积小、数量少的齿面点蚀齿轮的啮合频率轴频故障较严重、激振能量较大时轴承、轴、齿轮等零件本身的谐振频率轴频故障非常严重、激励能量非常大时箱体谐振频率轴频24调频和调幅的共同点•载波频率相等•边带频率对应相等•边带对称于载波频率齿轮振动信号调制特点•实际齿轮系统中，调幅与调频同时存在•两者共同作用时，导致载频两侧的边频成分的幅值非对称分布信号调制---小结1GMF2GMF3GMFfAtA1GMF25齿轮的力学模型分析幅值调制与频率调制齿轮振动的其他成分齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析26隐含成分(GhostComponents)产生原因：由于加工过程中带来的周期性缺陷。例如由滚齿机工作台的分度涡轮蜗杆及齿轮的误差引起齿轮振动的其他成分---隐含成分特点：它不受载荷变化的影响，由几何误差引起；它一般对应于某个分度涡轮的整数齿；随齿轮跑合、均匀磨损，隐含成分及各次谐波成分逐渐下降运行一个月后隐含成分下降新齿轮运行一个月后27齿轮的力学模型分析幅值调制与频率调制齿轮振动的其他成分齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析28齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析简易诊断精密诊断其他常用的信号分析方法29振动信号的测量测点选择传感器的安装位置不同，所得到的测定值会有较大差异对各测点做出标记，以保证每次测量的部位不变测量部位的表面应是光滑洁净的，避免脏物对振动传递造成衰减一般应尽可能地沿水平、垂直和轴向三个方向进行测定HV30振动信号的测量传感器的选择一般应将所测的振动按频带分级实际测量中，在同一测点为通常选用加速度传感器，再通过积分电路转换成所需的测量参数对低频段一般选用位移传感器对中频段一般选用速度传感器对高频段一般选用加速度传感器31传感器的安装方法安全性：安装位置必须保证在进行数据采集时的工作安全最短路径：在振源和传感器之间必须要有一个良好的机械传输路径，应该选择振源和传感器间的最短路径防共振：不能将传感器安装到自身会受到机器振动激励的部件上，如：风扇罩、联轴器防护盖等部件采样参数设定已知齿轮齿数，建议频率范围Fmax设定为≥3.25×GMF齿轮齿数未知，频率范围Fmax设定为每根轴的转速的200倍注意频率分辨率测定周期设备正常时保持一定周期；在振动增大时，缩短监测周期齿轮故障诊断振动测量与简易诊断振动信号的测量32齿轮的简易诊断简易诊断方法目的：迅速判断齿轮是否处于正常工作状态手段：利用齿轮的振动强度来进行诊断齿轮故障诊断振动测量与简易诊断绝对值判定法：利用齿轮箱上同一测点部位测得的振幅值直接作为评价运行状态的指标相对值判断法：将在齿轮箱同一部位测点在不同时刻测得的振幅与正常状态下的振幅相比较2.12.112003010nZP齿轮的振动峰值为P，转速为n(r/min)，齿数为Z报警值：危险值：2.12.112003040nZP33齿轮的简易诊断简易诊断方法目的：迅速判断齿轮是否处于正常工作状态手段：利用齿轮的振动强度来进行诊断齿轮故障诊断振动测量与简易诊断绝对值判定法：利用齿轮箱上同一测点部位测得的振幅值直接作为评价运行状态的指标相对值判断法：将在齿轮箱同一部位测点在不同时刻测得的振幅与正常状态下的振幅相比较34齿轮的简易诊断常用的特征值计算方法齿轮故障诊断振动测量与简易诊断NiirmsNiixNXxNX12111均方根值平均值4maxmaxmaxValue)(KurtosisFactor)(ClearanceFactor)(ImpulseFactor)(Crest)FactorShape(rmsrffrmsfrmsfXKXXCLXXIXXCXXS峭度指标裕度指标脉冲指标峰值指标波形指标无量纲参数作为诊断标准，其特点是对故障信息敏感，而对信号的幅值大小不敏感最常用的衡量指标，能反映出设备的振动水平35齿轮的简易诊断测定参数法齿轮故障诊断振动测量与简易诊断波形指标峰值指标脉冲指标裕度指标峭度指标齿轮正常1.3024.6116.0017.1884.115齿轮断齿1.4729.52914.02417.78210.206齿轮发生断齿故障，其振动信号中有明显的冲击脉冲，除波形指标外，各参数指标均有明显上升正常齿轮故障齿轮36齿轮的简易诊断简易诊断实例齿轮故障诊断振动测量与简易诊断在4个轴承座上分别用加速度传感器测量其振动均方根值4个轴承的振动值差异很小，且都已超标，则表明齿轮出现了异常轴承故障正常37齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析简易诊断→计算特征值精密诊断→频谱分析其他常用的信号分析方法38如何判断齿轮是否存在故障？啮合频率及其谐波成分边频成分幅值是否升高？-----故障严重程度与主频的差值？-----确定出现故障的齿轮如何分布？-----局部故障或均布