齒輪振動(dòng)故障診斷與分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機(jī)械監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)論 文齒輪震動(dòng)故障診斷與分析 學(xué)院：機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院 姓名： 劉 聰 學(xué)號(hào)： 2015年11月4號(hào)專心-專注-專業(yè)齒輪振動(dòng)故障診斷與分析一齒輪典型故障介紹(1)磨損磨損包括磨粒磨損、腐蝕磨損和沖擊磨損，磨粒磨損是常見的磨損形式，一般是由于齒的工作表面進(jìn)入了金屬微粒、塵埃和沙粒等所引起的齒面擦傷或者齒面材料脫落，是潤(rùn)滑不好的開式傳動(dòng)齒輪的主要故障類型。齒輪磨損后，齒的厚度變薄，齒廓變形，側(cè)隙變大，會(huì)造成齒輪動(dòng)載荷增大，不僅會(huì)使振動(dòng)和噪音加大，而且很可能導(dǎo)致斷齒。磨損故障大概占齒輪常見故障比例的10%。(2)點(diǎn)蝕點(diǎn)蝕是減速箱等閉式齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中極其普遍的故

2、障類型，約占齒輪常見故障比例的31%。齒輪受嚙合過程產(chǎn)生的循環(huán)交變應(yīng)力會(huì)在表面產(chǎn)生微小疲勞裂紋，嚙合時(shí)潤(rùn)滑油進(jìn)入該裂紋中后被封口并受擠壓產(chǎn)生高壓，從而擴(kuò)大了裂紋，最終導(dǎo)致齒輪表面金屬的脫落形成麻點(diǎn)狀小坑，這就是點(diǎn)蝕。在齒輪表面硬度低于350HBS的閉式齒輪上，點(diǎn)蝕現(xiàn)象尤為常見。點(diǎn)蝕的出現(xiàn)會(huì)加大齒輪表面的局部接觸應(yīng)力，導(dǎo)致點(diǎn)蝕現(xiàn)象的惡化，進(jìn)而加劇齒輪嚙合時(shí)的噪聲、降低齒輪傳動(dòng)的精度。(3)斷齒斷齒在齒輪故障類型中是最容易發(fā)生的，占齒輪常見故障比例的41%。斷齒故障有過載斷齒、疲勞斷齒和缺陷斷齒三種，這里面又以疲勞斷齒最為常見，它是由于齒輪工作受到周期性載荷，彎曲應(yīng)力超過彎曲疲勞極限而在齒根處產(chǎn)生

3、疲勞裂紋，裂紋漸漸擴(kuò)大，當(dāng)載荷的循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)致使輪齒折斷。斷齒是所有齒輪故障中最嚴(yán)重的類型，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致停工停產(chǎn)。(4)膠合齒輪潤(rùn)滑良好時(shí)齒面間會(huì)保持一層潤(rùn)滑油膜作用，但是當(dāng)載荷較大、齒面間壓力大、工作轉(zhuǎn)速高、工作表面溫度較高時(shí)，潤(rùn)滑油膜被破壞，使金屬齒面直接接觸，相接觸的金屬材料在高溫高壓作用下發(fā)生粘著，相粘連的齒面由于相對(duì)滑動(dòng)而被撕裂，在相對(duì)滑動(dòng)方向形成劃痕。齒面的膠合故障，會(huì)加劇齒面的磨損程度和速度，從而使齒輪更加快速地失效。這種故障類型占齒輪常見故障比例的10%。(5)塑性變形軟齒面齒輪重載或者突然的重載沖擊情況下，齒面容易發(fā)生塑性變形。因?yàn)橹剌d會(huì)大幅加大齒面的摩擦力，這會(huì)

4、導(dǎo)致齒輪表面的材料呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，使齒輪表面的金屬發(fā)生塑性流動(dòng)，進(jìn)而造成被動(dòng)輪齒面中間凸起、主動(dòng)輪齒面中間凹陷。塑性變形會(huì)使齒面偏離漸開線形狀，引起齒輪傳動(dòng)比的變化，產(chǎn)生附加動(dòng)載荷。齒輪塑性變形和化學(xué)腐蝕、表面龜裂等其它類型的一些故障，占齒輪常見故障比例的8%。2 齒輪振動(dòng)類型及特征即便在理想狀態(tài)下，齒輪傳動(dòng)也會(huì)有振動(dòng)產(chǎn)生，更何況是實(shí)際中齒輪的工作環(huán)境一般都比較惡劣，再加上齒輪的制造問題、安裝問題、故障問題等的影響，因此齒輪傳動(dòng)中的振動(dòng)根本是無法避免的。1.齒輪振動(dòng)類型介紹 不同的原因引起不同類型的振動(dòng)，根據(jù)振動(dòng)的來源一般可以把它們歸為兩類：一類是由齒輪正常嚙合傳動(dòng)中交變載荷引起的，包括嚙合振動(dòng)

5、和固有振動(dòng)；另一類是由齒輪故障或者誤差引起的，如齒形誤差、磨損、斷齒等引起的振動(dòng)。各種振動(dòng)都有各自不同的特點(diǎn)，下面簡(jiǎn)單介紹一下：(1)齒輪的嚙合振動(dòng)齒輪傳動(dòng)時(shí)，一對(duì)齒輪副中的兩個(gè)齒輪相互嚙合時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性變形，使剛進(jìn)入嚙合的齒輪發(fā)生撞擊，從而產(chǎn)生振動(dòng)，齒輪的嚙合振動(dòng)是無論齒輪狀態(tài)的正常與否都會(huì)存在的，但是振動(dòng)水平會(huì)存在差異。(2)齒輪的固有振動(dòng)齒輪在嚙合過程中產(chǎn)生的周期性沖擊載荷的作用下，會(huì)激起固有振動(dòng)，這種振動(dòng)也是無論齒輪處于正常或者異常狀態(tài)都會(huì)發(fā)生的，齒輪的固有振動(dòng)頻率就是產(chǎn)生的振動(dòng)中的高頻分量。齒輪的固有振動(dòng)會(huì)激起共振，而共振現(xiàn)象又會(huì)使齒輪的振動(dòng)處于一個(gè)極高的水平，最終就會(huì)引起齒輪的斷齒故

6、障。因此，一個(gè)準(zhǔn)確的齒輪的固有頻率數(shù)值，對(duì)于齒輪故障診斷來說具有比較重要的參考價(jià)值。(3)齒輪磨損引起的振動(dòng)齒輪齒面的磨損會(huì)使齒隙增大，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪嚙合頻率及其各次諧波振動(dòng)分量幅值的增大，但是信號(hào)基波幅值增長(zhǎng)緩慢，各次諧波分量幅值增長(zhǎng)比基波快很多。(4)齒輪局部異常引起的振動(dòng)齒輪的局部異常是指齒輪發(fā)生斷齒、根部產(chǎn)生大裂紋等，它會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)，進(jìn)而引起沖擊振動(dòng)，沖擊劇烈時(shí)，不但會(huì)出現(xiàn)嚙合頻率的調(diào)制現(xiàn)象，還會(huì)出現(xiàn)固有頻率的調(diào)制現(xiàn)象。(5)齒輪誤差引起的振動(dòng)齒輪存在誤差使齒輪副相互嚙合時(shí)產(chǎn)生撞擊，從而產(chǎn)生振動(dòng)，撞擊頻率是嚙合頻率。以齒輪偏心和周節(jié)誤差為例，前者會(huì)提升齒輪轉(zhuǎn)頻振幅，后者則會(huì)在齒輪嚙合頻率及

7、其諧波上產(chǎn)生振動(dòng)分量，增大它們的振幅。兩者都存在時(shí)就會(huì)出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，振動(dòng)的高頻部分會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻的高次諧波、嚙合頻率，且產(chǎn)生調(diào)制邊頻帶。(6)齒輪不同軸引起的振動(dòng)齒輪不同軸會(huì)導(dǎo)致嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象的出現(xiàn)，并且存在調(diào)制邊頻帶，但是它的邊頻帶分布情況和齒輪誤差、點(diǎn)蝕、斷齒等的不同。上述6種振動(dòng)類型，很明顯(1)、(2)屬于分類中的第一種，(4)-(6)屬于第二種。正常齒輪中最主要的振動(dòng)是嚙合振動(dòng)，而對(duì)于異常齒輪來說，除嚙合振動(dòng)之外，誤差和故障也會(huì)使齒輪產(chǎn)生振動(dòng)，有的甚至是沖擊振動(dòng)。而沖擊振動(dòng)如果比較強(qiáng)烈的話，將會(huì)引起共振現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生更加強(qiáng)烈的振動(dòng)。這些振動(dòng)通過一定方式以不同路徑在齒輪箱體內(nèi)外隨機(jī)傳遞，

8、其中存在“齒輪-鍵-軸-軸承-箱體”的路徑，一般的齒輪故障模擬試驗(yàn)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集時(shí)都是利用這條路徑，將傳感器放在緊靠軸承這一振源處的箱體上。最后通過一定的手段和方法從齒輪振動(dòng)信號(hào)中提取出正常振動(dòng)信息和齒輪故障信息，實(shí)現(xiàn)齒輪故障診斷的目的。2. 故障齒輪振動(dòng)信號(hào)特征(1)齒輪磨損故障齒輪磨損是指均勻磨損，不包括局部齒面磨損。當(dāng)齒輪發(fā)生磨損后，受調(diào)制現(xiàn)象影響，齒輪嚙合頻率及其各次諧波的振動(dòng)分量與正常齒輪嚙合情況的相比會(huì)更加突出，位置雖然不會(huì)發(fā)生改變，但是幅值大小會(huì)發(fā)生改變，且幅值會(huì)隨著故障程度增大而變大。試驗(yàn)中測(cè)得的齒輪磨損故障的時(shí)域波形如圖2-1所示。(2)齒輪點(diǎn)蝕故障如圖2-2所示，齒輪點(diǎn)蝕

9、故障時(shí)，同磨損故障一樣都會(huì)產(chǎn)生嚙合頻率的幅值調(diào)制現(xiàn)象，有些文章甚至將齒輪的磨損和點(diǎn)蝕故障都?xì)w為小周期故障，這也從一定程度上說明了這兩種故障的波形具有一定的相似性。但是相比較來說，均勻磨損故障的邊帶較集中且階數(shù)少，點(diǎn)蝕故障的邊帶譜線分散且階數(shù)多.(3)齒輪斷齒故障不同于以上兩種齒輪故障的情況，齒輪發(fā)生斷齒故障時(shí)發(fā)生的幅值調(diào)制現(xiàn)象是以齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率為載波的，且齒輪斷齒相當(dāng)于在故障點(diǎn)輪齒剛度產(chǎn)生突變，在時(shí)域波形圖上會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的沖擊信號(hào)，具有明顯的周期性，周期為齒輪軸的旋轉(zhuǎn)周期，圖2-3可以清晰地表現(xiàn)出斷齒故障的這種振動(dòng)特征。另外值得一提的是，齒輪斷齒程度比較嚴(yán)重時(shí)，由于其振動(dòng)能量比較大、激起振

10、動(dòng)的能力也會(huì)比較強(qiáng)，這樣既會(huì)導(dǎo)致齒輪嚙合頻率調(diào)制的出現(xiàn)，又會(huì)激勵(lì)起齒輪的固有振動(dòng)頻率，從而發(fā)生齒輪的固有頻率振動(dòng)調(diào)制現(xiàn)象。（4）齒輪振動(dòng)有限元分析實(shí)際研究表明齒輪發(fā)生固有頻率調(diào)制現(xiàn)象后極易導(dǎo)致齒輪箱發(fā)生故障的，所以固有頻率在齒輪故障診斷中占據(jù)很重要的地位，為此，本文利用三維建模軟件Pro/E建立起不同故障類型齒輪的模型，求解齒輪的固有頻率和主振型，觀察不同故障類型齒輪的差異，從這個(gè)角度觀察一下齒輪不同故障對(duì)振動(dòng)的影響。利用Pro/E軟件建立的正常、磨損、點(diǎn)蝕、斷齒四種狀態(tài)的齒輪模型如圖3-1所示。總結(jié)以上主要是對(duì)齒輪的振動(dòng)分析，具體可分為以下兩個(gè)部分。（1） 對(duì)齒輪的典型故障和齒輪傳動(dòng)嚙合時(shí)的振動(dòng)類型分析。（2） 利用三維建模軟件和有限元分析軟件分別對(duì)齒輪四種不同狀態(tài)進(jìn)行建模和模態(tài)分析。參考文獻(xiàn)1王旭東.船用齒輪箱振動(dòng)分析及結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)估D.重慶:重慶大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論學(xué)科碩士論文,2