齒輪箱的故障類型及振動機理改第2章齒輪箱的故障和振動信號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、傳動軸及箱體等結構的復雜系統(tǒng)。其中主要故障發(fā)生在齒輪、軸承和傳動軸上。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)振動信號的特點，一般常見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蝕等幾種【5】。在這些常見故障中，齒輪和滾動軸承的故障約占齒輪箱故障的80%［4］。因此，分析齒輪和滾動軸承的故障類型和振動機理對識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機理（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） 由制造錯誤和裝配錯誤引起的故障。具體故障包括齒輪偏心、齒距偏差、齒形誤差、軸錯位、齒面接觸等故障。齒輪制造過程中產(chǎn)生的主要缺陷是偏心、節(jié)距偏差和齒形誤差。齒輪裝配不當也會降低齒輪的工作性能。當齒輪的這些誤差嚴重時，會引起齒輪傳動的快速和慢速旋轉，嚙合時產(chǎn)生沖擊，并引起較大的振動和噪聲［5］。2） 運行中產(chǎn)生的故障齒輪除上述故障外，其在本身運行過程中也會形成許多常見的故障，例如斷齒、齒根疲勞裂紋、齒面磨損、點蝕剝落、嚴重交合等等。齒輪預定壽命內(nèi)不影響使用的磨損成文正常磨損，如果因使用不當、用材不當、接觸面存在硬顆粒以及潤滑油不足等原因引發(fā)早期磨損，將導致齒輪形變、重量損失、齒厚變薄、噪聲增大等后果，甚至會導致齒輪失效。其中若潤滑油不足，還會導致齒面膠合，膠合一旦發(fā)生，齒面狀況變差，功耗增大，從而使得振動信號變強。（2） 齒輪的振動機理一對嚙合齒輪可視為一個具有質(zhì)量、彈簧和阻尼的振動系統(tǒng)，其力學模型如圖2-1所示。圖2-1齒輪對的力學模型振動方程為［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齒輪間的相對位移（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，沒有異常，其振動來自兩個方面。第一個方面是kte1，它與齒輪的誤差和故障無關，稱為常規(guī)嚙合振動。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中存在的頻率轉換及其與故障的關系。2.1.2滾動軸承故障類型及振動機理（1） 故障類型齒輪箱滾動軸承在工作時，外圈與軸承座或機殼聯(lián)接且固定；內(nèi)圈與傳動軸相聯(lián)接，隨軸一起轉動。在實際的診斷中，如果不考慮軸承加工和裝配誤差，則主要為運行故障這一內(nèi)部因素所引起的振動。滾動軸承在運行過程中出現(xiàn)的故障按其振動信號特征的不同可以分為【6】：1） 由于滾道和滾動體的相對運動以及灰塵、異物會導致表面磨損，潤滑不良會加劇磨損。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，齒輪箱的運動精度也會降低，這反映在振動級和噪聲的增加上。2） 表面損傷當軸承元件表面有損傷時，損傷點受力會產(chǎn)生突變的沖擊脈沖力，該脈沖力是以寬帶信號，覆蓋軸承系統(tǒng)的高頻固有振動頻率而引起諧振。這就是損傷類故障引起的振動信號的基本特點。軸承元件的工作表面損傷點在運行中反復撞擊與之相接觸的其他元件表面而引起低頻振動成分，其頻率與轉速和軸承的幾何尺寸有關，這一頻率成為故障特征頻率。（2） 振動機構滾動軸承由內(nèi)圈、外圈、滾動體、保持架等部件組成。滾動體是滾動軸承的核心部件，它將相對運動表面之間的滑動摩擦轉化為滾動摩擦。滾動軸承的結構示意圖如圖2-2所示。在圖中，D是軸承中徑，D是滾動體直徑，R1是內(nèi)圈滾道半徑，？？是接觸角，Z是滾動元件的數(shù)量，F(xiàn)R是內(nèi)圈的旋轉頻率，通常是軸的旋轉頻率，f？？是外圈的旋轉頻率，sC是滾動體的旋轉角速度，sB是滾動體的旋轉速度。圖2-2滾動軸承結構圖軸承產(chǎn)生的振動是隨機的，包括滾動體的傳遞振動，其主要頻率分量是滾動軸承的特征頻率。由于低頻段的頻譜能量較低，往往淹沒在噪聲中，無法用于診斷。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。對該頻段的振動信號進行分析，可以更好地診斷軸承的局部損傷故障。通過對高頻信號的分析，也可以診斷軸承的相應故障。2.2齒輪箱振動信號的時域分析與頻域分析在各種齒輪箱故障分析與診斷方法中，基于振動檢測的齒輪箱故障診斷方法具有測量簡單、實時性強的優(yōu)點。通過測量齒輪箱運行過程中產(chǎn)生的振動信號，作為故障診斷的重要信息源，是理想的齒輪箱運行監(jiān)測工具［5］。目前，振動診斷的研究方法可分為時域分析和頻域分析。2.2.1時域分析時域分析方法就是根據(jù)信號的時間歷程記錄波形，分析信號的組成和特征量。對于離散的時序數(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態(tài)信號強度的指標。幅值的平方具有能量的含義，因此均值表示了單位時間內(nèi)的平均功率。無量綱振幅域參數(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峰值指標表示信號的變化范圍，是信號強度的一種描述。裕度和峭度對信號的沖擊較敏感，可以用作齒輪箱的故障診斷，如因齒輪裂紋、滾動軸承故障等在時域波形中就可能引起相當大的脈沖。2.2.2頻域分析工程中測量的信號通常是時域信號。然而，故障的發(fā)生和發(fā)展往往會導致信號頻率結構的變化。為了通過測量信號了解和觀察物體的動態(tài)行為，通常需要頻域信息。將時域信號轉換為頻域進行分析的方法稱為頻域分析。其目的是通過傅里葉變換將復雜的時程波形分解為多個單次諧波分量，從而得到信號的頻率結構和各次諧波的幅相信息。常見的頻域分析包括頻譜分析、精細頻譜分析和調(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：將時域信號x(t)進行傅里葉變換的：xf=?8x(t)e?j2nftdt2-8其自功率譜為：sxxf=x?fx（f）2-9地點：x?F是X（F）的共軛絡合物。自功率譜亦可以從自相關函數(shù)進行傅里葉積分得到。（2） 細化頻譜分析細化分析技術是近年來在FFT方法的基礎上發(fā)展起來的一種新技術。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。有很多細化分析方法，比如chirpoZ變換、Yip-zoom變換和相位補償zoom-FFT[10],但目前廣泛使用的是復調(diào)制細化方法及其改進算法。（3） 解調(diào)譜分析在實際齒輪箱系統(tǒng)中，復雜的幅值調(diào)制與頻率調(diào)制是同時存在的，頻譜上出現(xiàn)不同程度的調(diào)制邊帶。在工程實際中常用復包絡分析方法及其改進算法來對齒輪箱的振動信號進行解調(diào)分析。復包絡分析方法是利用希爾伯特（hilbert）變換對齒輪嚙合振動信號解調(diào)而獲得調(diào)幅和調(diào)相信號，然后求出調(diào)幅和調(diào)相信號的頻譜圖，再根據(jù)頻譜確定齒