機械故障診斷技術(shù)齒輪箱故障診斷第1頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月二．齒面磨損或劃痕A）粘著磨損在低速、重載、高溫、齒面粗糙度差、供油不足或油粘度太低等情況下，油膜易被破壞而發(fā)生粘著磨損。潤滑油的粘度高，有利于防止粘著磨損的發(fā)生。B）磨粒磨損與劃痕含有雜質(zhì)顆粒以及在開式齒輪傳動中的外來砂粒或在摩擦過程中產(chǎn)生的金屬磨屑，都可以產(chǎn)生磨粒磨損與劃痕。C）腐蝕磨損由于潤滑油中的一些化學物質(zhì)如酸、堿或水等污染物與齒面發(fā)生化學反應造成金屬的腐蝕而導致齒面損傷。D）燒傷燒傷是由于過載、超速或不充分的潤滑引起的過分摩擦所產(chǎn)生的局部區(qū)域過熱，這種溫度升高足以引起變色和過時效，會使鋼的幾微米厚表面層重新淬火，出現(xiàn)白層。損傷的表面容易產(chǎn)生疲勞裂紋。E）齒面膠合大功率軟齒面或高速重載的齒輪傳動，當潤滑條件不良時易產(chǎn)生齒面膠合（咬焊）破壞，即一齒面上的部分材料膠合到另一齒面上而在此齒面上留下坑穴，在后續(xù)的嚙合傳動中，這部分膠合上的多余材料很容易造成其他齒面的擦傷溝痕，形成惡性循環(huán)。第2頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月圖8－2齒面點蝕三．齒面疲勞(點蝕、剝落)

所謂齒面疲勞主要包括齒面點蝕與剝落。造成點蝕的原因，主要是由于工作表面的交變應力引起的微觀疲勞裂紋，潤滑油進入裂紋后，由于嚙合過程可能先封閉入口然后擠壓，微觀疲勞裂紋內(nèi)的潤滑油在高壓下使裂紋擴展，結(jié)果小塊金屬從齒面上脫落，留下一個小坑，形成點蝕。如果表面的疲勞裂紋擴展得較深、較遠或一系列小坑由于坑間材料失效而連接起來，造成大面積或大塊金屬脫落，這種現(xiàn)象則稱為剝落。剝落與嚴重點蝕只有程度上的區(qū)別而無本質(zhì)上的不同。實驗表明，在閉式齒輪傳動中，點蝕是最普遍的破壞形式。在開式齒輪傳動中，由于潤滑不夠充分以及進入污物的可能性增多，磨粒磨損總是先于點蝕破壞。第3頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月四．齒面塑性變形軟齒面齒輪傳遞載荷過大（或在大沖擊載荷下）時，易產(chǎn)生齒面塑性變形。在齒面間過大的摩擦力作用下，齒面接觸應力會超過材料的抗剪屈服極限，齒面材料進入塑性狀態(tài)，造成齒面金屬的塑性流動，使主動輪節(jié)圓附近齒面形成凹溝，從動輪節(jié)圓附近齒面形成凸棱，從而破壞了正確的齒形。有時可在某些類型的齒輪的從動齒面上出現(xiàn)“飛邊”，嚴重時擠出的金屬充滿頂隙，引起劇烈振動，甚至發(fā)生斷裂。第4頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月圖8－3齒輪副的運動學分析8．2齒輪的振動機理與信號特征齒輪傳動系統(tǒng)是一個彈性的機械系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)和運動關(guān)系的原因，存在著運動和力的非平穩(wěn)性。圖8－3是齒輪副的運動學分析示意圖。圖中O1是主動輪的軸心，O2是被動輪的軸心。假定主動輪以ω1作勻角速度運動，A、B分別為兩個嚙合點，則有O1A>O1B，即A點的線速度VA大于B點的線速度VB。而O2A<O2B，從理論上有、，則ω2<ω3。然而A、B又是被動輪的嚙合點，當齒輪副只有一個嚙合點時，隨著嚙合點沿嚙合線移動，被動輪的角速度存在波動；當有兩個嚙合點時，因為只能有一個角速度，因而在嚙合的輪齒上產(chǎn)生彈性變形，這個彈性變形力隨嚙合點的位置、輪齒的剛度以及嚙合的進入和脫開而變化，是一個隨時間變化的力FC（t）。第5頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月齒輪嚙合的特征頻率——嚙合頻率從這個意義上說：齒輪傳動系統(tǒng)的嚙合振動是不可避免的。振動的頻率就是嚙合頻率。也就是齒輪的特征頻率，其計算公式如下：齒輪一階嚙合頻率嚙合頻率的高次諧波i=2、3、4、…n

其中：N——齒輪軸的轉(zhuǎn)速（r/min）Z——齒輪的齒數(shù)第6頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月齒輪嚙合的特征頻率——邊頻帶由于傳遞的扭矩也隨著嚙合而改變，它作用到轉(zhuǎn)軸上，使轉(zhuǎn)軸發(fā)生扭振。而轉(zhuǎn)軸上由于鍵槽等非均布結(jié)構(gòu)的存在，軸的各向剛度不同，剛度變動的周期與軸的周轉(zhuǎn)時間一致，激發(fā)的扭振振幅也就按轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)頻變動。這個扭振對齒輪的嚙合振動產(chǎn)生了調(diào)制作用，從而在齒輪嚙合頻率的兩邊產(chǎn)生出以軸頻為間隔的邊頻帶。邊頻帶也是齒輪振動的特征頻率，嚙合的異常狀況反映到邊頻帶，造成邊頻帶的分布和形態(tài)都發(fā)生改變?？梢哉f：邊頻帶包含了齒輪故障的豐富信息。此外齒輪制造時所具有的：偏心誤差、周節(jié)誤差、齒形誤差、裝配誤差等都能影響齒輪的振動。所以在監(jiān)測低精度齒輪的振動時，要考慮這些誤差的影響。站在故障診斷的實用立場上看，只要齒輪的振動異常超標，就是有故障，就需要處理或更換。所以大多數(shù)情況下，并不需要辨別是哪種誤差所引起，只需判定能否繼續(xù)使用。第7頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月圖8－4某齒輪箱的功率譜8．3齒輪的故障分析方法一．功率譜分析法功率譜分析可確定齒輪振動信號的頻率構(gòu)成和振動能量在各頻率成分上的分布，是一種重要的頻域分析方法。幅值譜也能進行類似的分析，但由于功率譜是幅值的平方關(guān)系，所以功率譜比幅值譜更能突出嚙合頻率及其諧波等線狀譜成分而減少了隨機振動信號引起的一些“毛刺”現(xiàn)象。圖8—4為某齒輪箱的功率譜，分別用兩種坐標繪出，無疑使用線性坐標效果要好得多。第8頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月圖8－5工程實際應用的頻譜圖a)幅值譜b)細化后的邊頻帶二．邊頻帶分析法（1）

邊頻帶成分包含有豐富的齒輪故障信息，要提取邊頻帶信息，在頻譜分析時必須有足夠高的頻率分辨率。當邊頻帶譜線的間隔小于頻率分辨率時，或譜線間隔不均勻，都阻礙邊頻帶的分析，必要時應對感興趣的頻段進行頻率細化分析(ZOOM分析)，以準確測定邊頻帶間隔，見圖8—5。第9頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月二．邊頻帶分析法（2）一般從兩方面進行邊頻帶分析，一是利用邊頻帶的頻率對稱性，找出（n=1、2、3…）的頻率關(guān)系，確定是否為一組邊頻帶。如果是邊頻帶，則可知道嚙合頻率?Z和調(diào)制信號頻率?r。二是比較各次測量中邊頻帶幅值的變化趨勢。根據(jù)邊頻帶呈現(xiàn)的形式和間隔，有可能得到以下信息：1）當邊頻間隔為旋轉(zhuǎn)頻率?r時，可能為齒輪偏心、齒距的緩慢的周期變化及載荷的周期波動等缺陷存在，齒輪每旋轉(zhuǎn)一周，這些缺陷就重復作用一次，即這些缺陷的重復頻率與該齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率相一致。旋轉(zhuǎn)頻率?r指示出問題齒輪所在的軸。2）齒輪的點蝕等分布故障會在頻譜上形成類似1）的邊頻帶，但其邊頻階數(shù)少而集中在嚙合頻率及其諧頻的兩側(cè)(參見圖8—6)。3）齒輪的剝落、齒根裂紋及部分斷齒等局部故障會產(chǎn)生特有的瞬態(tài)調(diào)制，在嚙合頻率其及諧頻兩側(cè)產(chǎn)生一系列邊帶。其特點是邊帶階數(shù)多而譜線分散，由于高階邊頻的互相疊加而使邊頻族形狀各異。(參見圖8—7)。嚴重的局部故障還會使旋轉(zhuǎn)頻率?r及其諧波成分增高。第10頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

需要指出的是，由于邊頻帶成分具有不穩(wěn)定性，在實際工作環(huán)境中，尤其是幾種故障并存時，邊頻族錯綜復雜，其變化規(guī)律難以用上述的典型情況表述，而且還存在兩個軸的旋轉(zhuǎn)頻率?r混合情況。但邊頻的總體水平是隨著故障的出現(xiàn)而上升的。圖8－7圖8－6第11頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月圖8－8用倒頻譜分析齒輪箱振動信號中的邊頻帶三．倒頻譜分析法對于同時有數(shù)對齒輪嚙合的齒輪箱振動頻譜圖，由于每對齒輪嚙合時都將產(chǎn)生邊頻帶，幾個邊頻帶交叉分布在一起，僅進行頻率細化分析識別邊頻特征是不夠的；由于倒頻譜將功率譜中的諧波族變換為倒頻譜圖中的單根譜線，其位置代表功率譜中相應諧波族(邊頻帶)的頻率間隔時間(倒頻譜的橫坐標表示的是時間間隔，即周期時間)，因此可解決上述問題。圖8—8是某齒輪箱振動信號的頻譜，圖8—8a的頻率范圍為0~20kHz，頻率間隔為50Hz，能觀察到嚙合頻率為4.3kHz及其二次三次諧波，但很難分辨出邊頻帶。第12頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月圖8—8b的頻率范圍為3.5～13.5kHz，頻率間隔為5Hz，能觀察到很多邊頻帶，但仍很難分辨出邊頻帶。圖8—8c的頻率范圍進一步細化為7.5～9.5kHz，頻率間隔不變，可分辨出邊頻帶，但還有點亂。若進行倒頻譜分析，如圖8－8d所示，能很清楚地表明對應于兩個齒輪副的旋轉(zhuǎn)頻率（85Hz和50Hz）的兩個倒頻分量（Ai和Bi）。倒頻譜的另一個主要優(yōu)點是對于傳感器的測點位置或信號傳輸途徑不敏感以及對于幅值和頻率調(diào)制的相位關(guān)系不敏感。這種不敏感，反而有利于監(jiān)測故障信號的有無，而不看重某測點振幅的大?。赡苡捎趥鬏斖緩蕉贿^分放大）。第13頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月圖8－9齒面磨損導致幅值上升趨勢四．齒輪故障信號的頻域特征

①均勻性磨損、齒輪徑向間隙過大、不適當?shù)凝X輪游隙以及齒輪負荷過大等原因，將增加嚙合頻率和它的諧波成分幅值，對邊頻的影響很小。齒輪磨損的特征是，頻譜上嚙合頻率及其諧波幅值都會上升，而高階諧波的幅值增加較多，如圖8-9所示。②不均勻的分布故障（例如齒輪偏心、齒距周期性變化及載荷波動等）將產(chǎn)生幅值調(diào)制和頻率調(diào)制，從而在嚙合頻率及其諧波兩側(cè)形成幅值較高的邊頻帶，邊帶的間隔頻率是齒輪轉(zhuǎn)速頻率，該間隔頻率是與有缺陷的齒輪相對應的。值得注意的是，對于齒輪偏心所產(chǎn)生的邊帶，一般出現(xiàn)的是下邊帶成分，即（n=1，2，3，…），上邊帶出現(xiàn)的很少。第14頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月③齒面剝落、裂紋以及齒的斷裂等局部性故障，將產(chǎn)生周期性沖擊脈沖，嚙合頻率為脈沖頻率所調(diào)制，在嚙合頻率及其諧波兩側(cè)形成一系列邊帶，其特點是邊帶的階數(shù)多而分散，見圖8—7所示。而點蝕等分布性故障形成的邊帶，在嚙合頻率及其諧波兩側(cè)分布的邊帶階數(shù)少而集中，見圖8—6所示。這些邊帶隨著故障的發(fā)展，其頻譜圖形也將發(fā)生變化。⑤齒的斷裂或裂紋，每當輪齒進入嚙合時就產(chǎn)生一個沖擊信號，這種沖擊可激起齒輪系統(tǒng)的一階或幾階自振頻率。但是，齒輪固有頻率一般都為高頻（約在1～10kHz范圍內(nèi)），這種高頻成分傳遞到齒輪箱時已被大幅度衰減，多數(shù)情況下只能在齒輪箱上測到嚙合頻率和調(diào)制的邊頻。⑥軸承故障的影響，僅有齒輪嚙合頻率的振幅迅速升高，而邊頻的分布和幅值并無變化，甚至邊頻沒有發(fā)育，則表明是軸承故障。第15頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月8．4齒輪故障診斷案例實例一：宣龍高速線材公司2006年9月，發(fā)現(xiàn)精軋22#軋機輥箱振動增大。圖8－10是傳動系統(tǒng)圖。圖8－10高線精軋機傳動系統(tǒng)圖第16頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月9月14日的頻譜圖

調(diào)出這一期間的在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的趨勢圖和頻譜圖。在9月14日的頻譜圖上明顯看到Z5/Z6的嚙合頻率譜線。見圖8－11。圖8－119月14日的振動頻譜圖第17頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月特征頻率表特征頻率表8－1（22#軋機轉(zhuǎn)速為1047r/min，譜圖數(shù)據(jù)）由特征頻率表可見，22架輥箱的Z5/Z6嚙合頻率（1072.6Hz）幅值在9月14日為1.71m/s2，其兩側(cè)有較寬的邊頻帶，間隔為35.085Hz，與錐箱II軸的轉(zhuǎn)頻（34.603Hz）基本一致。序號故障信號頻率(Hz)計算特征頻率(Hz)振幅絕對誤差（Hz）相對誤差%可信度%故障部位及性質(zhì)分析11037.5981037.5931.2810.0050100Z5/Z6嚙合頻率－錐箱II軸轉(zhuǎn)頻21072.6831071.7731.7110.910.085100Z5/Z6嚙合頻率31105.9571105.9530.9460.0040100Z5/Z6嚙合頻率＋錐箱II軸轉(zhuǎn)頻42143.5552143.5461.9620.00901002倍Z5/Z6嚙合頻率第18頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月診斷結(jié)論：從圖8－11的頻譜圖上可看出，22#輥箱Z5/Z6嚙合頻率幅值比較突出且有上升趨勢，在其兩側(cè)有邊頻出現(xiàn)，邊頻間隔分別為35.085Hz，與錐箱II軸的轉(zhuǎn)頻（34.603Hz）基本一致，說明22錐箱II軸上的齒輪存在故障隱患。從圖8－11的時域波形中可以看出有輕微的周期性沖擊信號，沖擊周期為0.028S，相應頻率為(1/0.028=35.71Hz)，正好為22架錐箱II軸的轉(zhuǎn)頻(36.85Hz)一致，這表明問題就出在22架錐箱II軸的齒輪上。建議廠方立即對22架錐箱II軸上的齒輪Z5（31齒）進行檢查。第19頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月事后復核

廠方于2006年11月份對拆卸下的精軋22架進行檢查，發(fā)現(xiàn)錐箱II軸上Z5(31齒)齒輪打齒（見圖8-12和圖8-13），與診斷分析結(jié)論相符。當時廠方曾進一步問過：估計是什么性質(zhì)的故障，能否繼續(xù)生產(chǎn)？因為除了初期（9月14日及以后幾天）邊頻帶較寬，后期邊頻帶有所收窄，加上振幅并不很高。所以判定為出現(xiàn)較嚴重的斑剝。在工程上，齒輪出現(xiàn)點蝕、斑剝，廠方都會選擇繼續(xù)使用。整個10月都看著振幅緩慢上升，直到11月份，換軋鋼品種，才停產(chǎn)打開。因為是斜齒輪的緣故，所以振幅沒有像直齒輪那樣強烈。圖8－12圖8－13第20頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月實例2：

2006年4月，宣化鋼鐵公司棒材廠10#軋機齒輪箱的振動有點異常。查看在線監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)的4月23日的頻譜圖（圖8－14）和特征頻率表。圖8－1410#軋機200604231200輸出端頻域圖形第21頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月特征頻率表

特征頻率表8－2分析：時域圖形有沖擊現(xiàn)象，但是圖8－14的頻域圖形中軸頻并不高，Z3/Z4齒輪的嚙合頻率出現(xiàn)了多次諧波，其3倍頻達到了7.80m/s2。邊頻窄，判斷為齒輪點蝕。序號故障信號頻率（Hz）計算特征頻率（Hz）振幅絕對誤差(Hz)相對誤差%可信度%故障部位及性質(zhì)分析1236.3233.51.722.81.2090Z3/Z4嚙合頻率2472.74670.465.71.2290Z3/Z4嚙合頻率2倍頻3707.0700.57.806.50.93100Z3/Z4嚙合頻率3倍頻4943.49340.669.41.0090Z3/Z4嚙合頻率4倍頻51179.71167.51.1512.21.0490Z3/Z4嚙合頻率5倍頻61416.014010.40151.0790Z3/Z4嚙合頻率6倍頻第22頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月實例3：2006年4月，宣化鋼鐵公司棒材廠16#軋機齒輪箱的振動出現(xiàn)異常。查看在線監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)的頻譜圖（圖8－15、圖8－16）和特征頻率表8－3特征頻率表8－4。

圖8－1616#軋機2006004230300細化后的頻域圖形第23頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月特征頻率表

特征頻率