對齒輪故障的振動診斷技術的應用及案例分析.doc

1目錄摘要1關鍵詞1引言1一、齒輪故障診斷原理1二、現(xiàn)場監(jiān)測與故障診斷1(一)冷軋廠開卷設備及主要材料參數(shù)1(二)測試參數(shù)及測點布置2(三)故障分析2(四)診斷結論3三、嚙合頻率及其諧波4四、幅值調制和頻率調制所構成的邊頻帶4(一)幅值調制4(二)頻率調制5五、由齒輪轉頻的低次諧波構成的附加脈沖5六、由齒輪加工誤差形成的隱含成分5(一)某采油平臺原油外輸泵（螺桿泵）傳動齒輪局部斷齒5(二)某浮式儲油輪熱介質提升泵齒輪嚙合不良6結語6致謝7參考文獻71淺析齒輪故障診斷及技術分析摘要：齒輪故障通常具有相似的現(xiàn)象，即振動和噪聲明顯增加，但產(chǎn)生齒輪故障的原因卻很難從表象作出判斷。本文從振動分析的角度闡述齒輪振動的時域與頻域特征，并結合實測案例進行分析。關鍵詞：齒輪故障；振動特征；時域；頻域；案例分析引言：簡述了齒輪故障診斷的原理，并通過冷軋廠開卷機齒輪故障的診斷實例，闡述了齒輪故障診斷的方法，并進一步說明了齒輪故障診斷技術在現(xiàn)場中的應用。齒輪的運行情況直接影響整個機器或機組的作，因此，齒輪是現(xiàn)場監(jiān)測和診斷的主要對象。對齒輪故障診斷的經(jīng)典方法是振動頻譜分析，它以傳統(tǒng)的振動理論為依據(jù)，利用診斷儀器對其振動的數(shù)據(jù)和波形進行采集，然后進行分析診斷，找出其故障的原因和所在的部位。本文從齒輪故障診斷的原理手，通過對冷軋廠開卷機大齒輪箱的異常振動進行振動分析及故障診斷來介紹齒輪故障診斷技術在場的應用。一、齒輪故障診斷原理一對齒輪副可以看作是一個振動系統(tǒng)，按照傅里葉變換的原理，可將齒輪的振動信號分解為若干個諧波分量之和。當齒輪發(fā)生故障后，齒輪的嚙合剛度降低，從而產(chǎn)生強烈的振動，測得的振動信號畸變加劇，在頻譜圖上，嚙合頻率處的譜值會顯著增大，而故障齒輪的振動信號往往表現(xiàn)為回轉頻率對嚙合頻及其倍頻的調制，調制頻率即齒輪軸的回轉頻率。在頻譜圖上形成以嚙合頻率為中心，2個等間隔分布的邊頻帶。所以，采用頻譜分析方法能有效地找出齒輪的各種故障。二、現(xiàn)場監(jiān)測與故障診斷(一)冷軋廠開卷設備及主要材料參數(shù)冷軋廠開卷機設備簡圖及主要技術參數(shù)冷軋廠開卷機設備的簡圖見圖1，其主要技術參數(shù):電動機轉速為1280r/min；齒輪均為斜齒輪；聯(lián)軸器為齒式聯(lián)軸器。圖中的一點軸承均為心滾子軸承。2(二)測試參數(shù)及測點布置測試參數(shù)為速度、加速度，測點布置如圖1的一所示。(三)故障分析2004年以來，開卷機的振動增大，為此進行振動測試，共測試了，共4個測點，其中測點的水平方向速度振值顯著，加速度振值達107.30m/s，已是標準值的3倍多(標準值為30m/s)，峭度指標為20.2，這預示齒輪箱在測點附近存在故障。在測點水平方向的時域波形圖(圖2)中清晰地顯示出每轉一周都出現(xiàn)一個脈沖信號，脈沖間隔為134ms，頻率值7.5Hz。這恰與大齒輪箱高速軸(小齒輪所在軸)轉速頻率一致。測點水平方向頻譜圖(圖3)上，由于故障信號的影響調制出大量的邊頻，譜線密集難以辨認，故取80一200Hz頻段細化處理(圖4)。為了進一步驗證結論，又進行了該點的倒頻譜分析(圖5)，從倒頻譜圖上更清楚地看到主要的頻率成分，其倒頻率為134ms(即7.5Hz)，正好對應大齒輪箱高速軸的轉速頻率。3(四)診斷結論根據(jù)齒輪故障診斷的原理，哪一對齒輪的嚙率所對應的峰值較高，就說明哪一對齒輪出現(xiàn)了故障。邊頻帶的間隔等于哪一根軸的旋轉頻率，就說哪一根軸上的齒輪出現(xiàn)了故障。經(jīng)過上述分析，初判定開卷機大齒輪箱的小齒輪存在著故障。不久，對該機進行停機檢修，發(fā)現(xiàn)小齒輪上有個輪齒出現(xiàn)塑性變形，其中2個輪齒齒面上有凹坑，比較嚴重，屬于小齒輪個別齒出現(xiàn)了局部損傷，因此，在嚙合時，我們的分析判斷得到了證實。更換新齒輪后，再次進行測量，測點的水平方向的速度幅值從3.9mm/s降到2.9mm/s，加速度幅值從107.3m/s降到6.2m/s，峭度指標從原來的20.2降到3.17。說4明該機已正常運行。時域波形圖上基本顯示出正弦波狀態(tài)(圖6)，的脈沖信號已消除。從頻譜圖中看，187.7Hz、367.5565Hz是該軸的嚙合頻率及其2倍頻，3倍頻(此時該轉速為340r/min，嚙合頻率為17.3Hz)。嚙合頻率的邊頻幅值也很小(圖7)，這也說明故障已不存在。齒輪傳動的常見故障有齒斷裂，齒磨損，齒面疲勞（點蝕、剝落）和齒輪安裝不當。由結構和工作時受力條件決定，齒輪傳動的振動信號較為復雜，故障診斷需同時進行時域與頻域分析。齒輪工作過程中的故障信號頻率基本表現(xiàn)為兩部分，一為嚙合頻率及其諧波（高頻部分）構成的載波信號；二為低頻成分的幅值和相位變化所構成的調制信號。三、嚙合頻率及其諧波當輪齒進人或脫離嚙合時，載荷和剛度均突然增大或減小，形成嚙合沖擊。齒輪嚙合頻率為fm=f1Zl=f2Z2，當齒輪出現(xiàn)故障時，將引起嚙合頻率及其各次諧波幅值的變化。四、幅值調制和頻率調制所構成的邊頻帶(一)幅值調制幅值調制相當于兩個信號在時域上相乘。假定載波信號為g(t)，調制信號為e(t)，則5調制后的時域總信號為X(t)=g(t)e(t)將上式轉換到頻域上，則為X(f)G(f)E(f).通常幅度調制的調制頻率為旋轉頻率。(二)頻率調制齒輪的轉速波動，若載波信號為Asin(2fmt+0），調制信號為sin2fmt，頻率調制可表示為x(t)=Asin2fmt+sin(2f1t)0。頻率調制不僅產(chǎn)生圍繞嚙合頻率fm的一族邊頻帶，而且在相位信號中產(chǎn)生一個正弦波。通常頻率調制的頻率為分度不均勻齒輪的轉頻。實際上，齒輪故障中調幅與調頻現(xiàn)象可能同時存在，因而在頻譜上得到調幅與調頻綜合影響下形成的邊頻帶。五、由齒輪轉頻的低次諧波構成的附加脈沖齒輪的低頻故障（不平衡、不對中等）也會對齒輪振動時域波形產(chǎn)生影響，但不會在齒輪頻率兩側產(chǎn)生邊頻帶。六、由齒輪加工誤差形成的隱含成分。該成分的振動通常由加工機床分度齒輪誤差造成，它對齒輪的整體運行影響很小。以下是一個齒輪故障的案例分析。(一)某采油平臺原油外輸泵（螺桿泵）傳動齒輪局部斷齒1、設備形式及參數(shù)。電機驅動直聯(lián)雙螺桿泵，螺桿之間以同步齒輪傳動，齒輪齒數(shù)z=67；電機轉速n=995r/min(16.57Hz)。2、故障現(xiàn)象。泵的非驅動端（同步齒輪安裝在此側）振動速度值增加，圖8、圖9是時域波形及頻譜圖。圖10是圖9的局部細化譜。3、振動特征及分析。在時域波形圖中（圖8)出現(xiàn)明顯的沖擊峰值，表明齒輪可能存在局部缺陷；頻譜圖（圖9)中有齒輪嚙合頻率及二倍諧頻，邊頻豐富，從圖10可以看到，邊頻為轉子工頻，這說明嚙合頻率的振動幅值被轉子工頻沖擊振動調制。圖8時域波形圖圖9頻譜圖6圖10二倍嚙合頻率局部放大圖4、齒輪局部缺陷。齒輪箱拆檢后發(fā)現(xiàn)齒輪局部斷齒，缺陷齒共五個。(二)某浮式儲油輪熱介質提升泵齒輪嚙合不良1、設備形式與參數(shù)。電機驅動直聯(lián)齒輪泵，電機轉速n=1478r/min、齒輪齒數(shù)z=12。2、故障現(xiàn)象。該泵運行時發(fā)出連續(xù)尖嘯，非驅動端軸承溫度偏高。非驅動端軸承位置的時域和頻域譜見圖11、圖12。3、振動特征及分析。時域圖中有很高的沖擊值，頻譜圖中存在較高峰值的齒輪嚙合頻率及二倍頻，且其振動速度值高于一倍頻，但邊頻很少且幅值較低，表明齒輪嚙合頻率的振動并不是由于齒輪本身缺陷造成；齒輪泵非驅動端軸承溫度偏高。圖11時域圖圖12頻譜圖4、診斷結論。由此可以判斷，該齒輪泵齒輪嚙合嚴重不良，主要原因是兩齒輪軸平行度超差。拆檢后發(fā)現(xiàn)齒輪泵非驅動端的滑動軸承偏磨，造成兩齒輪中心線不平行，導致齒輪嚙合故障。更換軸瓦后，設備運行正常。結語在齒輪箱各類零件損壞的比例中，齒輪約占60%，為此，應利用齒輪故障診斷技術頻譜分析定期地對齒輪箱進行狀態(tài)監(jiān)測并作趨勢分析，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，以保障機械設備的正常工作。7致謝：本文是在指導老師悉心指導和親切關懷下，經(jīng)過不斷的學習和修改完成的。老師嚴謹?shù)膶W風，淵博的學識，謙遜的為人，豐富的實踐經(jīng)驗，高瞻遠矚、敏銳的科學眼光，將是