★第8章 齿轮箱状态监测与故障诊断技术

状态监测与故障诊断技术

￭齿轮箱常见故障

￭齿轮箱故障的特征频率与边频带￭齿轮箱振动信号分析诊断方法￭齿轮箱故障的噪声诊断

齿轮箱失效原因及失效比重

失效原因失效比重(%)

齿轮箱缺陷设计12

40装配9

制造8

材料7

修理4

运行缺陷维护24

43操作19

相邻部件(电动机、联轴器等)缺陷17

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轮齿损伤形式

类别项目形式原因

齿面损伤齿面磨损

正常磨损、磨粒磨损、干

涉磨损、刮伤、槽痕

啮合初期、异物侵入、参

数设计不合理、安装误差

润滑不良等

粘着撕伤

局部压力过高、法向压力

较大、滑动速度过高等齿面疲劳

早期点蚀、扩展性点蚀、

剥落

齿面局部凸起、接触应力

过高、内应力过大等

齿面塑性

变形

压痕、碾击塑变、波纹、

隆起

异物混入、过载、啮合不

良、润滑不充分等

烧伤局部温度过高

轮齿折断轮齿裂纹

屑料毛坯裂纹、硬化处理

裂纹、磨削型裂纹疲劳裂

纹

材料、毛坯和热处理缺陷

交变应力的作用等

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成的，调幅的一个原因是齿轮偏心，此时的调制频率为齿轮的回转频率。当在齿轮上有一个齿存在局部缺陷时，相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲的长度等于齿的啮合周期

3）调频现象。在实际情况中，同样的齿面压力的波动，在产生调幅现象的同时，也会引起频率调制现象，其结果是在谱上得到一个调幅与调频综合形成的边频带。齿轮存在偏心时，由于齿面载荷变化引起调幅现象的同时，又由于齿轮转速的不均匀而引起调频现象。

齿轮频谱上边频带的形成

随机振动时历曲线

0()(1cos )sin()

m x t A m t t ωωϕ=++000()sin()sin[()]sin[()]22

m m mA mA x t A t t t ωϕωωϕωωϕ=++++-++

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3、齿轮箱振动信号分析诊断方法

齿轮箱传动系统振动的频谱分析法和转子、滚动轴承的频谱分析在原理上是一致的。

齿轮的制造与安装误差、剥落、裂纹等故障会直接成为振动的激励源－－齿轮轴的回转为周期表现为回转频率对啮合频率及其倍频的调制，在谱图上形成以啮合频率为中心、两个等间隔分布的边频带。

由于调频和调幅的共同作用，最后形成的频谱表现为以啮合频率及其各次谐波为中心的一系列边频带群。边频带反映了故障源信息，边频带的间隔反映了故障源的频率，幅值的变化表示故障程度。

￭齿轮故障诊断实质上是对边频带的识别齿轮箱状态监测与故障诊断技术

用于齿轮箱振动信号的分析方法有：

￭倒谱分析法

￭希尔伯特包络分析法

￭时频分析法

￭时域模型法

￭时域平均法

部

件

失效类型振动频率振幅特征振动方向其它

齿轮齿面损伤损伤齿数随增大径向

磨损严重

时出现高

阶振动,

的振动能

量明显增

大

断齿断齿数同上径向

滚动轴承内圈剥落变化不定径向

轴承的高频

振动(10-60）

KHz不易传给

其它部位

外圈剥落同上径向

钢球剥落同上径向

齿轮箱不同部件故障的振动特征

r

f⨯

r

f

,

r s

f f

⨯

r

f

0.5(1cos)

r

d

nZ f

D

α

+

0.5(1cos)

r

d

nZ f

D

α

-

22

[1()cos]

r

d d

n f

D D

α

-

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常

见

齿

轮

故

障

的

振

动

时

域

波

形

及

频

谱

特

性

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常

见

齿

轮

故

障

的

振

动

时

域

波

形

及

频

谱

特

性齿轮箱故障的小波分析－1

上图是电厂磨煤机齿轮箱中有齿的双曲线从动齿轮之振动速度的时域平均图。从中可以发现在第600采样点处，即对应于角度200度处，振动发生变化，这是由于某一齿面存在碎片剥落所引起。时域内平均是由在一个旋转周期内的采样1024点实现的

齿轮箱状态监测与故障诊断技术图为从时域平均中除去齿轮啮合频率及其所有谐波后的残余信号，由碎片剥落引起的振动变化在此图中更为明显

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图为球磨机齿轮箱上述振动残余信号经过Daubechies4（D4）小波分析后的均方图。较高模式出现在采样点600处，它覆盖了尺度7到11，指出了齿轮箱的损伤之处。

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图为球磨机齿轮箱上述振动残余信号经Daubechies20（D20）小波分析的均方图。对于从Daubechies4正交小波到Daubechies20正交小波分析上述振动信号时，信号中的主要特征比较一致，不同阶的Daubechies小波具有不同的类型，也就是它们的频带是不同的，因此有细小的区别。

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齿轮箱故障的小波分析－2

图为Wessex直升机疲劳损伤测试中，主回转齿轮箱驱动端螺旋斜齿轮（齿数为22）的振动加速度时域平均。

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图为除去所有与齿啮合频率及其谐波后的残余信号。可以看出，在采样点750附近，即对应于转角265度附近有一较高的峰值，这表示齿轮齿面有疲劳裂纹。

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图为直升机齿轮残余信号的D4小波的均方图。可以看出，在采样点750附近，即对应于转角265度附近有一较高的能量。

齿轮箱状态监测与故障诊断技术齿轮箱例2#机组齿轮箱参数

齿轮齿数转速（rpm ）

Z11112958

Z12612743

1149.7560

n f Hz ==2212.38f Hz

=11225522.0e f f Z f Z Hz

=⨯=⨯=

齿轮箱频谱图齿轮箱时域波形位臵序号

①②③④频率(Hz)

211148429725516幅值(mm/s)

0.638 4.998 1.0530.215为箱体振动和齿轮传动发生共振，并且有二次

谐波成分322214p p f f f ==

位臵③和④经过细化后各频率成分值

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位臵编号A B C B’A’

频率Hz2547.02761.42975.93180.43394.9

幅值mm/s0.1380.1600.3590.1260.052

位臵编号D E F E’

频率Hz5429.25479.05528.95578.7

幅值mm/s0.0220.0320.1540.017

边频带各相邻峰值间的频率为212Hz，为小齿轮转频。

紧靠C左右两侧两个峰值与C的频率差分别为50Hz，为大齿轮转频。

例

2#机组电动机：转速：1485rpm；功率：1250Kw；

3#机组电动机：转速：1492rpm；功率：1250Kw；

2#和3#增速机：低速齿轮齿数：91；高速齿轮齿数：31；

齿轮形式：人字齿

2#和3#机组鼓风机：D570-1.3/0.95-1（两级离心式）；额定转速：4320rpm；风量：1150m3/min。

电动机轴承均为滚动轴承；增速机和风机为滑动轴承支撑。

图12#和3#鼓风机传动和测点布臵示意图表1 2#机组振动数据（2000年10月20日测试，单位为mm/s）测点V（垂直径向）H（水平径向）A（轴线方向）

3 46.5

7.2

6.2

8.0

7.5

14

5 620

22

7.0

12

5.2

5.5增速机6#测点振动加速度波形和频谱见图2 和图3。可见波形图上出现明显冲击，伴随冲击还存在类似于谐振的波形，冲击间隔为40ms 即25Hz，正好为低速轴的转频。

啮合频率（24.75Hz*91=2252.25Hz）为主导振动频率，在齿轮啮合频率2252Hz 附近（在最大分析频率为5KHz 时，频率分辨率为12.5Hz，因频率分辨率的关系，图中频率为2262.5Hz）附近作16 倍细化分析，谱图如图4，细化后发现啮合频率附近调制了大量的低速轴的转频谱线大齿轮发生故障的特征，判断齿轮存在严重磨损或断齿。

主动人字齿轮一边严重磨损，另一边也存在严重磨损，且有9 个轮齿断裂，最大的断齿长度为4cm，9 个断裂轮齿呈无规律分布。

图2 测点振动加速度波形图3 测点振动加速度频谱

图4啮合频率附近细化16倍频谱

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汽车变速齿轮箱故障

图5变速箱上传感器布臵图齿轮箱状态监测与故障诊断技术图6正常与故障变速器齿轮的振动功率谱

图7 变速器齿轮振动倒谱图

谱图中有两个突出的峰，一个是在τ=0处，其意义由前所知是信号能量大小，其值受仪器衰减影响；另一个

是代表频域啮合谐波族的峰（τ

2=1/f

2

=3.12ms）,其

幅值与变速器齿面失效密切相关。如表2所示。

表2 倒频谱与齿轮故障

注：表2中对于同类多个试件的值，

表示其均值，表示其标准差；

、相同。0()a C τ0()a C τ0σ()a z C τz σ由表3中不同程度的齿面失效与倒频谱幅值（τ0，τz 处）对照，可以清楚地看出两者变化趋势是相同的。τ0处峰值大小有信号能量物理含义，反映出齿轮失效后振动能量增大的特征。根据（3）式考虑仪器衰减所

造成影响并以新齿轮信号作为对比的基准，就可以根据τ0处峰值定量诊断变速器齿轮故障。而τz 处峰值不受信号强度的影响，可以直接作为定量诊断的参量。如按考虑，可得在本试验条件下定量诊断EQ-140汽车变速器齿轮故障的阈值，如表4所示。

()3a z z

C τσ±表3 定量诊断变速器齿轮故障阈值

状态参量

正常中等磨损严重磨损<0.78<0.040.78~2.20.04~0.11>0.28>0.11

0()

()a a z C C ττ

滚动轴承型号：7224DB；齿轮为斜齿轮；

电机转速：1280rpm；

联轴器：齿式联轴器。

齿轮箱状态监测与故障诊断技术可清晰地看出有一周期脉冲，这是齿轮每转一周出现的一个冲击，脉冲间隔为134ms，频率值为

7.5Hz(=1/134ms)。这恰与输入轴小齿轮所在轴的转频一致（输入轴转速为450rpm）

故障：小齿轮个别齿断齿或严重磨损

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4、齿轮箱故障的噪声诊断

除频率单的纯音外，一般声音都是由许多不同频率、不同强度的纯音组合而成。以声压级为纵坐标，频率的横坐标绘制成的噪声特性曲线称为噪声频谱图。

噪声频谱能形象地反映出声音的频率分布和声级大小的关系。

在噪声监测中，将动态范围内大的连续声谱(20～

20000Hz)划分为若干个部分，每个部分叫做频带。f0、f1、f2分别为该频节的中心频率、最低频率、最高频率。

n 决定频带的倍频程数。n=1时称为倍频程；n=1/3时称为1/3频程。012

f f f =

g 212n f f =g