1、Ch6 齒輪的監(jiān)測與診斷,機械故障診斷Ch6 齒輪的監(jiān)測與診斷,現(xiàn)代機械對齒輪傳動的要求日益提高。例如，既要求齒輪能在高速、重載、特殊介質(zhì)等惡劣的條件下工作；又要求齒輪裝置具有高平穩(wěn)性、高可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊等良好的工作性能；由此引起齒輪故障的因素也相應增多，對齒輪運轉(zhuǎn)狀態(tài)的監(jiān)測和診斷研究也提出了新的課題。因而使齒輪故障診斷成為診斷技術(shù)應用研究的重要課題之一。,Ch6 齒輪的監(jiān)測與診斷,機械故障診斷Ch6 齒輪的監(jiān)測與診斷,5-1 齒輪的失效形式,5-2 齒輪的振動特點,5-3 齒輪的振動診斷技術(shù),機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,一 輪齒的損傷 輪齒的損傷往往是齒輪故障的前奏，分析輪齒的損傷形

2、式判定輪齒的損傷程度，了解輪齒損傷的原因，是齒輪故障診斷中的重要工作。 在齒輪的使用中，有多種輪齒的損傷形式，某些損傷形式(如輪齒折斷)一旦發(fā)生齒輪只能停止運轉(zhuǎn)，否則機器可能發(fā)生嚴重事故，判定這種損傷形式是容易的。 而另一些輪齒損傷形式，如磨損、撕裂、點蝕等，由于損傷有個較長的發(fā)展過程，判定這種損傷形式必須有一定的判據(jù)。因而只有分析其發(fā)生原因與發(fā)展過程，才能充分采集和利用故障信息，從而獲得正確的診斷結(jié)論。,6-1齒輪的失效形式,根據(jù)輪齒損傷的部位和損傷機理，將輪齒損傷分為三大類：,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,2 輪齒折斷,3 組合損傷,齒面磨損、齒面粘著撕傷、齒面疲勞、齒面塑性變形、齒

3、面燒傷,1 齒面損傷,輪齒裂紋、過載折斷、 疲勞折斷,腐蝕磨損、輪齒塑性變形、嚴重磨損斷齒、氣蝕損傷、電蝕損傷,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,二 齒輪裝置故障原因 齒輪裝置由齒輪、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、箱體等組成。齒輪是構(gòu)成齒輪裝置的重要零件。所以，在制造中如存在偏心、周節(jié)誤差、齒形誤差等微小差錯，在裝配中如存在齒輪一端接觸、兩齒輪軸不平行等裝配不良，均可能造成齒輪故障。但是，在齒輪裝置的故障中，因上述各種輪齒損傷而引起的故障最為普遍。當輪齒部分發(fā)生表面的、整體的、組合的損傷后，均會嚴重降低傳動質(zhì)量，甚至使齒輪喪失工作能力而產(chǎn)生嚴重故障。 另外齒輪輪體損壞、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)缺陷、潤滑系統(tǒng)性能下降、

4、齒輪箱體質(zhì)量差等也是齒輪裝置故障的常見原因，為便于查找齒輪裝置故障和分析其故障原因，將齒輪裝置常見的故障現(xiàn)象和故障原因歸納于下表。,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,表 齒輪裝置故障原因分析,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,對各種齒輪裝置的不同部位，在不同條件下，出現(xiàn)不同故障跡象，發(fā)生不同類型的故障，均可利用上表來對其故障作初步分析。通常由表左側(cè)向右側(cè)逐項依次分析，以便將故障的復雜情況簡化和縮小診斷目標，從而可選用最有效的檢測參數(shù)，對其故障進行精確診斷。,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,三 齒輪裝置故障診斷參數(shù) 由表可見，在齒輪裝置運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，伴隨著其內(nèi)部故障的發(fā)生與發(fā)展必然產(chǎn)生振動

5、加劇、噪聲異常、溫度升高、嚴重漏油、磨損加劇、能耗增大等一種或幾種故障跡象。這些隨著故障嚴重程度不同而變化的參數(shù)，一般均可作為故障檢測參數(shù)。但實踐表明，不同檢測參數(shù)的有效性并不相同。相較而言，最有效的檢測參數(shù)是振動，其次是噪聲。,1 齒面損傷失效 輪齒表面和次表面發(fā)生的各種損傷統(tǒng)稱為齒面損傷。嚴重的齒面損傷，將引起故障或造成齒輪失效。 1 齒面磨損,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,齒輪在嚙合中，輪齒接觸表面上材料摩擦損失的現(xiàn)象，稱齒面磨損。具有一定粗糙度的新工作齒面，在嚙合初期，由于齒廓間滾動、滑動速度不合適，潤滑油的粘度不夠等原因，不能形成液體潤滑油膜，致使齒面的凸峰接觸，在較大壓強作用

6、下，凸峰被磨平而使實際接觸面變大，于是油膜形成條件改善，磨損速度相應減慢。 這種磨損速度緩慢、又難于避免的齒面磨損稱為正常磨損。初期磨損后的齒廓光亮平滑，沒有宏觀擦痕。正常磨損對齒輪的預期使用壽命、嚙合性能均無不良影響。,磨粒磨損,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,起磨粒作用的細小顆粒，可能是裝配前未徹底清除的污物、鑄造時留下的型砂或鐵末、潤滑劑或周圍環(huán)境中的雜質(zhì)和灰塵、或齒面及軸承等摩擦表面磨損的產(chǎn)物。 磨粒磨損速度較正常磨損快，齒面沿滑動速度方向有互相平行的磨粒劃痕見上圖。,由于外界細小顆粒物質(zhì)進入輪齒嚙合區(qū)而引起的磨損稱為磨粒磨損。,干涉磨損,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,齒不正

7、?；蜻^早的接觸嚙合在齒根圓角處形成嚴重的載荷集中，而產(chǎn)生局部劇烈磨損或嚴重塑性變形；在強迫嚙合過程中，齒頂也會被滾圓而嚴重損傷。這種因嚙合干涉引起的磨損稱為干涉磨損。其特征是輪齒根部被啃出溝，與其接觸嚙合的輪齒頂端被碾擠變形。輕微干涉引起的齒面磨損，除增加運轉(zhuǎn)噪聲外無其他嚴重后果；嚴重干涉則因齒形嚴重破壞而導致該對齒輪傳動失效。,由于輪齒參數(shù)設計不合理，制造時齒形誤差較大安裝中心距過小或使用中變形較大等原因，造成輪,刮傷,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,其特征是齒面沿滑動速度方向分布較深的刻痕。刮傷后因溫度升高將產(chǎn)生尖細的噪聲，磨損速度加快，齒面遭到明顯破壞，見圖。如及時排除刮傷原因，可免

8、遭破壞性損傷。,由于輪齒表面上的毛刺、凸起部分、嵌入齒面的異物或其他較大磨粒等，引起的齒面損傷稱為刮傷。,槽痕,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,“犁”出較深溝槽，稱為槽痕。 其特征是齒側(cè)表面沿滑動速度方向呈現(xiàn)的條狀紋痕，且從齒頂?shù)烬X根的整個嚙合區(qū)均可能出現(xiàn)，見圖。擴展性槽痕損傷還會導致齒面劇烈磨損。,由于小的異物雜質(zhì)或齒面上的凸起，在局部重載作用下被壓進齒面，然后在相對滑動摩擦中將齒面,2 齒面粘著撕傷,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,由于輪齒表面粗糙度過大、嚙合側(cè)隙過小、嚙合干涉、或齒形誤差過大及潤滑不良或因槽痕及其他齒面損傷等原因可能導致齒面粘著撕傷的發(fā)生，即在齒面沿滑動速度方向撕

9、扯出深度、寬度不同的帶狀溝紋，并引起嚙合噪聲。 通常在重載低速齒輪傳動中，產(chǎn)生冷粘著撕傷；在高速齒輪傳動中，產(chǎn)生熱粘著撕傷，前者的溝紋較清晰，后者伴有燒傷變色。,3 齒面疲勞,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,齒輪在嚙合中，在超過材料耐久極限的交變接觸應力的反復作用下由于滾動和滑動摩擦的存在，致使輪齒表層產(chǎn)生疲勞裂紋，進而擴展成表層金屬小塊脫落的損傷形式稱為齒面疲勞。 新的輪齒表面由于局部凸起，實際接觸面積小，單位面積上的接觸應力過高，很容易由疲勞裂紋擴展脫落為麻坑形成早期點蝕。其特征是麻坑比較小而淺，麻點數(shù)目不多，分布范圍不大，一般發(fā)生在節(jié)線附近且靠近齒根部。,機械故障診斷6-1 齒輪的失

10、效形式,如齒面硬度較高，局部凸起不易磨平或接觸應力過高時，早期點蝕的小麻坑可能擴大，數(shù)目逐漸增加并連成大麻坑，而形成擴展性點蝕。其特征是麻坑大而深，并沿節(jié)線全長擴展，分布范圍較大。早期點蝕與擴展性點蝕對比見下圖。擴展性點蝕將使齒形破壞，動負荷增大，傳動平穩(wěn)性降低、噪聲加大，甚至迅速失效。,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,早期點蝕 擴展性點蝕,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,對于整體淬火鋼或滲碳淬火鋼齒面會偶然發(fā)生剝落損傷。當硬齒面的輪齒在重載作用下，由于材料缺陷或熱處理造成的過大內(nèi)應力，使輪齒表層或次表層材料以相當大的顆粒成片從齒面剝離，形成一般疲勞剝落損傷。,機械故障診斷6-1 齒輪

11、的失效形式,另外，剝落也可能由點蝕麻坑之間的金屬脫落，小麻坑連接為大塊凹坑而形成。剝落的特征是剝離的金屬顆粒較大或呈碎片，形成的凹坑大而深，且斷面較整齊。,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,一般剝落多出現(xiàn)在輪齒頂棱附近其分布范圍較?。稽c蝕發(fā)展成的剝落多發(fā)生在節(jié)線附近分布范圍較廣，兩種剝落損傷的比較見下圖。,4 齒面塑性變形,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,在過大的接觸應力作用下，齒面因材料屈服而發(fā)生塑性流動，引起齒面塑性變形。這種損傷通常發(fā)生于較軟齒面，也可能發(fā)生于淬火等硬化處理的齒面。 由于齒面碎裂顆?；蛲饨绠愇镞M入嚙合部位，在嚙合壓力作用下，可將齒面局部壓出塑性變形的凹痕?；蛴捎跐櫥?/p>

12、不充分、過載或振動而導致的“爬行”，從而引起齒面材料屈服，在齒面上沿垂直于滑動速度方向產(chǎn)生波紋狀變形。壓痕與波紋損傷見下圖。,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,在過載或因嚙合不良引起的沖擊負荷作用下，由于嚙合齒面相對滑動時的摩擦作用，致使齒面材料屈服流動而造成的齒面變形，稱為碾擊塑變。這種損傷的特征是，齒頂邊緣或齒頂末端被擠出飛邊，齒頂被碾圓變形，主動齒面節(jié)線附近出現(xiàn)溝谷，從動齒面出現(xiàn)蜂棱，見下圖。,5 齒面燒傷,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,由于外部熱源、過負載、過高速、齒側(cè)隙過小或潤滑不良而引起的嚴重摩擦，導致輪齒局部溫度過高，也可能由于不適當?shù)哪ハ鞴に?，致使局部溫升過高而造成輪齒

13、燒傷。通常，當嚙合區(qū)溫度超過退火溫度時，輪齒溫度顯著降低，齒面呈現(xiàn)退火色。燒傷嚴重時，可引起各種由于過高溫升使硬度降低而造成的其他輪齒損傷。,2 輪齒折斷 輪齒折斷可以是局部齒、單個齒、多個齒發(fā)生折斷的損傷形式。根據(jù)折斷產(chǎn)生的機理，分為疲勞折斷和過載折斷，而輪齒上由于各種原因造成的裂紋是折斷損傷的前兆。,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,1 輪齒裂紋,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,由于齒輪材料在治煉、鑄造過程中混入的夾渣或其他非金屬夾雜物；或因鍛造過程的缺陷引起材料的局部細微開裂，稱為材料毛坯裂紋，其微觀表現(xiàn)為材料局部晶體不連續(xù)。 因熱處理工藝不合理而造成過大的內(nèi)應力時，可能產(chǎn)生相變轉(zhuǎn)

14、化不協(xié)調(diào)裂紋。這種在硬化處理過程中形成的微型紋，其可見部位通常在齒的兩端，在斷面變化較大的圓角處產(chǎn)生徑向裂紋；齒頂部產(chǎn)生橫越齒頂?shù)牧鸭y，見下圖。,1 輪齒裂紋,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,不適當?shù)哪ハ鞴に?、熱處理工藝或兩者都起作用而造成的局部過高溫升，會引起磨削裂紋。其特征是具有某種規(guī)律的花紋，如右圖所示的網(wǎng)狀裂紋，有時呈條紋狀，但這種裂紋宏觀不易看出，需用無損檢測法或在輪齒受載后才能顯示出來，見下圖。,1 輪齒裂紋,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,由于傳動設計計算與配置不當、各種形式的超載或存在毛坯缺陷和制造缺陷，致使輪齒在超過了疲勞極限的條件下工作而逐漸形成疲勞裂紋。它是一種線

15、條狀微裂紋，常出現(xiàn)在承載齒廓的齒根部，并沿齒根向齒寬方向延伸，或由齒端沿傾斜于齒廓的方向發(fā)展，見下圖。,2 過載折斷,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,過載折斷是由于意外的嚴重過載造成的輪齒折斷。齒輪安裝不對中，使載荷集中于輪齒一端，較大異物落入嚙合區(qū)，或軸承損傷、軸偏角過大而使輪齒嚙合失常，設計或制造中的差錯等，都是過載折斷直接原因。,2 過載折斷,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,過載折斷的斷面相應于材料延性的不同而分為脆性斷裂和延性斷裂。 脆性斷裂常發(fā)生于材質(zhì)較硬、較脆的輪齒上，斷裂面呈現(xiàn)粗糙不平、多龜裂細紋，斷開前無塑性變形； 延性斷裂則發(fā)生于延性較好的材料，斷裂面呈現(xiàn)平坦的微隆起

16、，斷開前有塑性交形。 兩種斷口外觀均無疲勞裂紋擴展的征兆，見下圖。,3 疲勞折斷,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,疲勞折斷是由于在交變應力作用下，應力過高、材料及熱處理等因素造成的。因各種因素引起的疲勞裂紋在交變應力作用下逐漸擴展，直到輪齒剩余的橫截面不能承受全部載荷時，就發(fā)生突然斷裂。 因此，疲勞折斷斷面上呈現(xiàn)兩個相鄰的斷裂帶，即疲勞裂紋擴展形成的疲勞斷裂帶，突然折斷形成的脆性斷裂帶。前者呈細粒狀、較平滑，其上可觀察到疲勞源及一系列等高線，后者則呈現(xiàn)粗糙不平的脆性斷裂狀態(tài)，見下圖。,3 組合損傷 造成輪齒損傷的原因錯綜復雜，一種損傷常常是另一種損傷的先兆或繼續(xù)發(fā)展的結(jié)果。因此使用中輪齒損

17、傷往往不是單一的基本損傷形式而是兩種或多種損傷形式的組合并呈現(xiàn)各種復雜的情況。,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,1 腐蝕磨損,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,腐蝕磨損是輪齒在相吻合的摩擦過程中，金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學、電化學反應而造成的輪齒損傷，是輪齒上化學腐蝕與機械磨損的組合損傷形式。 當潤滑油中的雜質(zhì)通過水、酸或化學添加劑與過飽和水化合，可促使其與輪齒金屬材料發(fā)生化學和電化學反應，并侵蝕齒面；又由于嚙合摩擦以及潤滑油的沖刷，齒廓的銹蝕被磨損，這種組合損傷稱為化學腐蝕磨損。其特征是在工作齒面上沿滑動速度方向呈現(xiàn)勻而細的密痕。,1 腐蝕磨損,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,當兩金屬

18、齒面間壓力很高又相互壓緊時，其表面的凸起部分相粘著，粘著結(jié)點受到小振幅的擺振所剪切，剪切處表面被氧化，將齒面侵蝕。這種微振磨損和侵蝕的反復作用，便形成齒廓的微振腐蝕磨損。同時其磨損產(chǎn)物還會進一步引起磨粒磨損。當振幅足夠大時，振動應力也可能導致輪齒疲勞損傷。微振腐蝕磨損的特征是沿齒廓接觸線方向產(chǎn)生難以搽除的粉粒狀擦痕和凹痕，見圖。,2 輪齒塑性變形,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,對于硬化處理的輪齒，特別是因潤滑失常而造成的劇烈溫升，將使輪齒的硬度和強度嚴重降低，在嚙合過程中便產(chǎn)生輪齒整體嚴重塑性變形的損傷。對于塑性材質(zhì)的輪齒，如強度過低和載荷過重等特殊情況下也可能引起輪齒嚴重塑性變形。這種

19、損傷是整個或部分輪齒產(chǎn)生喪失齒形的塑性變形，如圖所示。對于表面硬化處理的齒輪，齒面還常伴有變色現(xiàn)象。,3 嚴重磨損斷齒,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,輪齒在發(fā)生嚴重磨損等損傷后，其強度逐漸降低，當達到強度極限后，便發(fā)生嚴重磨損斷齒。在發(fā)生輪齒最終斷裂之前，往往已發(fā)生嚴重磨損、點蝕、剝落等其他損傷。這種斷齒的形式可能是整齒、局部或齒角斷，見圖。,4 氣蝕損傷,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,當高速傳動的噴油射線射入具有一定幾何形狀的齒面時，可形成渦流低壓區(qū)，當其壓力低于潤滑油的蒸發(fā)壓力時，則潤滑油中的溶解氣體、水分等析出形成氣泡。氣泡進入嚙合區(qū)時，如工作壓力大于氣泡內(nèi)壓，氣泡被壓潰而破

20、裂，并產(chǎn)生很大的瞬時沖擊力及局部高溫。 在氣泡的形成和潰裂的反復作用下將使齒面產(chǎn)生疲勞沖蝕麻點。此外，在氣蝕情況下，潤滑油的添加劑與齒廓產(chǎn)生化學與電化學反應也會加速齒廓的氣蝕損傷。,5 電蝕損傷,機械故障診斷6-1 齒輪的失效形式,由于電氣設備等傳導來的漏電流，在傳動齒輪的嚙合齒廓間形成電壓，在輪齒的瞬間高速嚙合和脫開時，使齒廓嚙合處產(chǎn)生火花放電并侵蝕齒頂，即形成電蝕損傷。這種損傷的特征是，在齒廓上呈現(xiàn)大量的小“電弧坑點”，有時也可能出現(xiàn)稍大的“燒穿坑點”坑點的邊緣呈現(xiàn)退火色。,一 齒輪的振動機理 1 齒輪裝置的振動機理 齒輪可看成是以輪齒為彈簧、以齒輪本體為質(zhì)量的振動系統(tǒng)。,機械故障診斷6-

21、2 齒輪的振動特點,6-2 齒輪的振動特點,由于齒輪剛度周期性變化、齒輪裝配誤差或扭矩變化等外因引起的激振力的作用，齒輪將會產(chǎn)生圓周方向的扭轉(zhuǎn)振動。又由于軸、軸承、軸承座的變形或齒向誤差等原因，圓周方向的扭轉(zhuǎn)振動便會導致徑向和軸向振動，從而形成軸承座的扭曲振動。,2 理論與實測都表明，齒輪的圓周方向、徑向、軸向振動的基本頻率數(shù)是一致的。 由于齒輪在以輪齒為蟬簧、齒輪體為質(zhì)量的振動系統(tǒng)中，以齒輪剛度變化和齒輪誤差為激振力而在圓周方向產(chǎn)生振動，此振動同時反映為齒面動載荷變化部分并產(chǎn)生軸和軸承撓曲振動，從而反映成齒輪徑向振動。 其次，軸向振動是由于軸向力作用而產(chǎn)生的，齒面動載荷作用于軸承時，因軸向軸

22、承的摩擦力而產(chǎn)生軸向力。由于齒輪結(jié)構(gòu)上兩面有差異因而軸向力作用下便產(chǎn)生軸向振動。,機械故障診斷6-2 齒輪的振動特點,3 對于閉式傳動，振動可通過軸承和軸承座傳到齒輪箱體，使箱體側(cè)壁產(chǎn)生振動并激發(fā)周圍的空氣振動而產(chǎn)生噪聲。對于開式傳動，則三個方向的齒輪振動直接激發(fā)空氣振動而產(chǎn)生噪聲。,機械故障診斷6-2 齒輪的振動特點,二 齒輪振動特征參數(shù) 1 齒輪及軸的轉(zhuǎn)動頻率fr 一對齒輪嚙合作用時，產(chǎn)生最原始的作用頻率為轉(zhuǎn)頻，其值是齒輪旋轉(zhuǎn)速度的函數(shù)，即 ，,機械故障診斷6-2 齒輪的振動特點,式中fr齒輪旋轉(zhuǎn)頻率(Hz)； n齒輪旋轉(zhuǎn)速度(rmin)。,2 齒輪的嚙合頻率fz,機械故障診斷6-2 齒輪

23、的振動特點,這種一對齒輪在相互嚙合過程中，齒與齒之間的連續(xù)沖擊作用將使齒輪產(chǎn)生頻率等于嚙合頻率的受迫振動，并產(chǎn)生沖擊噪聲。引起這種振動和噪聲的主要原因是，相互嚙合的一對齒輪，其輪齒的彈性剛度會發(fā)生周期性的變化。齒輪嚙合系數(shù)一般在l2之間，說明有時只有一對齒嚙合，而有時兩對齒嚙合，其嚙合對數(shù)隨時在變化。當兩對齒嚙合時，輪齒的合成剛度相當于彈簧并聯(lián)，明顯大于一對齒嚙合時的剛度，因而造成齒輪在整個嚙合過程中，齒輪剛度產(chǎn)生周期性的大幅度變化，即一對輪齒嚙合區(qū)與兩對輪齒嚙合區(qū)之間，輪齒彈性剛度有一個大的階梯差。輪齒彈性剛度的變化使得的彎曲量也隨之變化，便造成輪齒在進出嚙合區(qū)時發(fā)生互相碰撞、引起齒輪產(chǎn)生頻

24、率等于嚙合額率的振動和噪聲。,任何一對齒輪副，嚙合頻率為嚙合周期的倒數(shù)。 對于定軸齒輪傳動，齒輪嚙合頻率大小等于轉(zhuǎn)頻乘上齒輪的齒數(shù)，即,機械故障診斷6-2 齒輪的振動特點,對于有固定齒圈的行星輪系，其嚙合頻率為,可見一對相嚙合的齒輪，其嚙合頻率是相同的。在試驗過程中，精確測定齒輪的轉(zhuǎn)速對計算嚙合頻率是十分必要的。,因齒輪受到外界持續(xù)傳動力的作用，產(chǎn)生頻率為齒輪固有頗率的瞬態(tài)自由振動，并帶來噪聲。由試驗可知，齒輪振動時，將出現(xiàn)不同振動形態(tài)的多個固有頻率，因而測量齒輪固有頻率時，要與振型同時測定，用敲擊法、共振法、或激光全息照相法可測得齒輪的基本固有頻率和高階固有頻率。測量時，高階固有頻率的振動多

25、數(shù)在很短時間內(nèi)就消失，只剩下基本固有頻率振動。,機械故障診斷6-2 齒輪的振動特點,3 齒輪的固有頻率,齒輪在正常和異常狀態(tài)下都將產(chǎn)生固有頻率振動，根據(jù)齒輪振動形態(tài)的變化，就能對齒輪作出故障判斷。所以，對齒輪進行故障診斷時，必須分析固有振動頻率。 齒輪的基本固有頻率振動是齒輪的主要振動。一對直齒圓柱齒輪的固有頻率為,機械故障診斷6-2 齒輪的振動特點,齒輪的固有頻率多為1-10kHz的高頻，當這種高頻振動傳遞到齒輪箱等機件時，高頻沖擊振動已衰減，多數(shù)情況下只能測到齒輪的嚙合頻率。實際的自由振動頻率比固有頻率稍低。,三 齒輪異常的振動 如前所述，齒輪因作旋轉(zhuǎn)運動或者由于輪齒嚙合而產(chǎn)生振動，這種振

26、動無論齒輪處于正?；虍惓顟B(tài)時都會發(fā)生。但是，隨著齒輪所處的狀態(tài)不同，振動形態(tài)就會有變化。利用振動法診斷齒輪裝置的故障，正是根據(jù)振型的變化來進行的。因此分析齒輪在異常狀態(tài)下的振動是齒輪振動診斷法的基礎。,機械故障診斷6-2 齒輪的振動特點,1 齒輪磨損引起的振動 當齒輪所有的輪齒均勻磨損而使齒隙增大時，或者造成一端接觸、裂痕、點蝕、剝落等損傷時，因嚙合而產(chǎn)生的沖擊振動的振幅與其他振動成分相比是很大的，并且沖擊振動的振幅具有幾乎相同的振平如圖所示。 在此情況下發(fā)生的沖擊振動頻率為1kHz以上的高頻。與此同時，正弦波中低頻嚙合的頻率成分也增大。隨著磨損的發(fā)展輪齒的彈性剛度表現(xiàn)出非線性的特點，相應的

27、振動波形也出現(xiàn)變化，產(chǎn)生嚙合頻率的2倍、3倍等高次諧波，或出現(xiàn)嚙合頻率的1/2、1/3倍等分數(shù)諧波。,機械故障診斷6-2 齒輪的振動特點,2 齒輪制造缺陷引起的振動 當齒輪存在偏心、周節(jié)誤差、齒形誤差等缺陷時，齒輪便不能平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)或加速、減速，使輪齒與輪齒發(fā)生碰撞，使齒面受到很大的動態(tài)附加載荷的作用。在這種情況下高頻域的振動波形如下圖所示，嚙合的沖擊振動振幅偏移，對有周節(jié)誤差的齒輪振動波形成為受旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)制的波形，也會產(chǎn)生與嚙合額率相對應的齒輪噪聲。,機械故障診斷6-2 齒輪的振動特點,所以，對于高頻振動的絕對值處理波形包含旋轉(zhuǎn)頻率的一次諧波fr和高次諧波nfr(n2，3等)成分、嚙合頻率fz

28、成分及其邊帶頻率fznfr成分。對于低頻域的嚙合頻率成分也是一樣，在振動的原波形中包含旋轉(zhuǎn)頻率成分、嚙合頻率成分以及邊帶頻率成分。,機械故障診斷6-2 齒輪的振動特點,機械故障診斷6-2 齒輪的振動特點,3 齒輪不同軸引起的振動 當齒輪旋轉(zhuǎn)軸是用聯(lián)細節(jié)聯(lián)接的兩根軸組成時，如果兩根軸的中心線有偏移、成角或錯開等不同軸的情況下，將會發(fā)生低頻、高頻的嚙合頻率及其邊帶波。,4 齒輪局部異常引起的振動 當齒輪存在有齒根部大裂紋、局部的齒頂磨損、缺陷造成的輪齒折斷、局部的周節(jié)誤差或齒形誤差以及齒輪間隙增加時的轉(zhuǎn)速變動等局部異常時，會在高頻域引起振動，見下圖。其波形表明只有存在局部異常的輪齒在嚙合時才產(chǎn)生較

29、大的沖擊振動，經(jīng)絕對值處理后的波形中含有更多的旋轉(zhuǎn)頻率的成分。,機械故障診斷6-2 齒輪的振動特點,6-3 齒輪的振動診斷技術(shù) 一 檢測參數(shù)與檢測周期 齒輪的動態(tài)特性分析表明，齒輪的振動信號含有齒輪狀態(tài)的豐富信息。為了獲得正確的診斷結(jié)論，振動情號的測取將是關(guān)鍵的一步。 如前所述，齒輪所發(fā)生的振動中，有1kHz以上的高頻固有振動和齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率或嚙合頻率相關(guān)的低頻振動。要利用這種寬頻帶頻率成分的振動進行故障診斷，必須把所測取的振動按頻帶分類，然后根據(jù)各類振動進行診斷。,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),據(jù)美國齒輪制造協(xié)會推薦，振動頻率在l0Hz以下時，將振動的一定位移級作為診斷的判定標準；

30、對于從10Hz到1kHz的振動頻帶，推薦以一定的速度級為判定標準；對于1kHz以上的振動，則以一定的加進度級為判定標準。 所以，利用振動對齒輪進行診斷時，對于與齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率或嚙合頻率相關(guān)的低頻振動，就利用振動速度作為檢測參數(shù)；對于與固有振動頻率相關(guān)的高頻振動，則利用振動加速度作為檢測參數(shù)。 但是，按振動速度、振動加速度分別檢測出齒輪的異常種類不同，因此，耍考慮用兩種方法同時進行檢測，以提高診斷的有效性。,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),為了能及時發(fā)現(xiàn)處于初期的異常狀況，必須定期進行檢測。同時為了不忽略一些周期性異常較顯著的部位和發(fā)展較迅速的異常狀況，應該在既經(jīng)濟又可靠的條件下，將檢測

31、周期安排得盡可能短些。,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),二 檢測部位與檢測方向 實際進行齒輪異常檢測時，對于普通減速器，其檢測部位選擇軸承座蓋；對于高速增速器，如軸承座在機箱內(nèi)部，則選擇軸承座附近剛性較好的部位或測量基礎的振動。通常要求測定部位的表面應是光滑的，而且為了獲得準確的測定值，應保持每次的檢測位置不變。,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),由于齒輪發(fā)生的異常是各種各樣的，隨著異常種類的不同，發(fā)生最大振動的方向也不同。所以在進行測定時，應盡可能地沿水平、垂直、軸向三個方向進行測定。 由于水平方向和垂直方向發(fā)生的振動大致相同，如果由于機械結(jié)構(gòu)或安全方面等原因不能在三個方向上檢

32、測時，則可以選取水平方向和鈾向，或者垂直方向與軸向這兩種方向上檢測。對于高頻振動，由于振動在所有方向上同樣傳遞，所以，利用高頻域的振動進行故障診斷時，只需在最容易測定的一個方向上檢測。,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),三 診斷程序和檢測類型,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),在齒輪所發(fā)生的低頻和高頻振動中，都包含了對診斷各種故障非常有用的信息。所以在齒輪故障的振動信息測取時，為了不使有用的故障信息遺漏掉，通常按低頻域和高頻域兩類程序進行檢測和分析。 如前所述，通常1kHz以下振動按振動速度診斷為宜；而1kHz以上的振動按振動加速度診斷最為合適。但因不宜在同一測量部位安裝兩種傳感器

33、，而加速度傳感器又能測定頻率范圍較寬的振動，且可將其測取的加速度信號通過積分器轉(zhuǎn)換成速度信號，故通常選用加速度傳感器。,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),1 低頻域振動診斷 低頻域振動診斷的主要程序是，由加速度傳感器測取的信號經(jīng)電荷放大器放大后，由積分器將振動加速度信號轉(zhuǎn)換成振動速度信號，然后再采用頻域分析、平均響應分析等信號分析方法來識別齒輪異常振動的原因。,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),2 高頻域振動診斷 齒輪的固有振動頻率成分是以沖擊振動的形態(tài)發(fā)生的，齒輪異常時隨之變化。為診斷齒輪異常的原因，利用高頻域振動診斷是有效的。 高頻域振動診斷的主要過程是，由加速度傳感器測取的信

34、號經(jīng)電荷放大器放大后，再通過1kHz高通濾波器以抽出齒輪的固有振動頻率成分，濾掉其他低頻成分。 對于識別沖擊性振動，不僅要利用信號中包含的頻率成分，更重要的是信號中沖擊發(fā)生的間隔期。因而需將濾波后的信號再進行絕對值處理，并將經(jīng)過絕對值處理的信號通過頻域分析、平均響應分析等信號分析的方法來判別齒輪異常的種類。,四 振動信號特征分析 1 功率譜分析 由于從混有周期波形的隨機波形中很難直接識別其中的周期信號，因而根據(jù)振動的原始時域波形或設置帶域后的時域波形就無法進行故障判斷。而利用數(shù)字計算機或數(shù)據(jù)處理機，通過FFT變換將時域信號轉(zhuǎn)換到頻域中去進行分析，則能為抽取有用的故障信息提供途徑，如隨機信號的自

35、功率譜密度函數(shù)主要用來建立信號的頻率結(jié)構(gòu)，分析其頻率組成和相應量大小，便能為齒輪故障判斷從頻域上提供依據(jù)。,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),圖為齒輪箱的振動功率譜圖。 a為齒輪箱在無負載時的振動功率譜，由圖可見，由于齒輪旋轉(zhuǎn)引起的40Hz、80Hz、120Hz為三個主要頻率。 b為齒輪箱受55.9Nm負載時的振動功率譜，可見，除了a中出現(xiàn)的三個峰值外，增加了因齒輪嚙合引起的的250Hz、280Hz等幾個譜峰。 c為齒輪箱受167.8Nm負載時的振動功率譜，此時因齒輪嚙合引起的頻率250Hz、280Hz的譜蜂明顯增大。因此由功率譜圖的變化，可以判斷

36、齒輪的工作狀態(tài)是否正常。,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),應用功率譜分析時，頻率軸橫坐標可采取線性坐標或?qū)?shù)坐標，對數(shù)頻率坐標(恒百分比帶寬)適合故障概括的檢測和預報，對噪聲的分析與人耳的響應接近，但由于齒輪系統(tǒng)有較多的邊頻成分，采用線性坐標(恒帶寬)會更有效。左圖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。,功率譜分析作為目前振動監(jiān)測和故障診斷中應用最廣的信號處理技術(shù)在齒輪箱的故障診斷中發(fā)揮了較大的作用，它對齒輪的大面積磨損、點蝕等均勻故障有比較明顯的分析效果，但對齒輪的早期故障和局部故障不敏感，應采用其他分析方法。,2 調(diào)制信號（邊頻帶）分析 齒輪振動有時

37、是很復雜的振動，而從一個復雜的齒輪振動功率譜圖上，一般很難直觀地看出其中的特點和變化。如進行調(diào)制信號（邊頻帶）分析則能顯示出齒輪振動狀態(tài)的變化，有利故障判斷。,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),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，這時應對感興趣的頻段進行頻率細化分析，以準確測定邊頻帶間隔。,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),邊頻帶分析一般從兩方面入手：一是利用邊頻帶的頻率對稱性，找出f土nfr（n1,2,）的頻率關(guān)系，確定是否為一組邊頻帶。如果是邊頻

38、帶，則可知道嚙合頻率fz和調(diào)制信號頻率fr ；二是比較各次測量中邊頻帶幅值的變化趨勢。,圖中以頻率fz為中心，每隔fr有一譜線，就形成所謂邊帶信號。在實際振動功率譜測量中，邊帶信號近似為峰值間距ffr周期波形，如圖b所示；如果縱座標表示的幅值用對數(shù)刻度，則圖中波形更近似周期波形，其“周期”為fr。,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),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fr時，可能為齒輪偏心、齒距的緩慢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，即這些缺陷的作用頻率與該齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率

39、fr一致。 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)。 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。嚴重的局部故障還會使旋轉(zhuǎn)頻率fr及其諧波成分增高。,利用調(diào)制信號分析還可以識別齒輪的異常振源。 例如，小齒輪和大齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率分別為f1和f2，嚙合頻率為fz。 經(jīng)調(diào)制信號分析，如有間距為f1的邊頻帶，則可判定缺陷存在于小齒輪。這是因為小齒輪調(diào)幅的上限邊頻帶為fzf1、fz2f1和fz3f1，下限邊頻帶為fzf1、fz2f1和fz3f1等。同樣的，如果邊頻帶具有間距f2，則判定缺陷存在于大齒輪上。,機械故障診斷6-3 齒輪的振動診斷技術(shù),3 倒頻譜分析 由于一般齒輪箱中都有很多轉(zhuǎn)軸和齒輪，因而有很多不同的旋轉(zhuǎn)速度和嚙合頻率。每個旋轉(zhuǎn)頻率都