齒輪傳動系統(tǒng)的故障診斷方法研究

齒輪傳動系統(tǒng)的故障診斷方法研究內(nèi)容提要:在機械設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中，齒輪傳動系統(tǒng)通過主、從動齒輪的相互嚙合傳遞運動和能量，這個過程將產(chǎn)生一定形式的機械振動。而諸如磨損、點蝕、制造誤差、裝配誤差等齒輪和齒輪傳動系統(tǒng)的各種缺陷和故障必然引起機械振動狀態(tài)（或信號）發(fā)生變化。因此，在齒輪傳動系統(tǒng)的振動信號中，蘊涵有它的健康狀態(tài)（故障與無故障）信息，監(jiān)測和分析振動信號自然就可以診斷齒輪和齒輪傳動系統(tǒng)的故障。關(guān)鍵詞:齒輪故障;故障診斷;振動;裂紋目錄引言 1第一章影響齒輪產(chǎn)生振動的因素 21.1振動的產(chǎn)生 21.2振動的故障 2第二章齒輪裂紋故障診斷 42.1裂紋產(chǎn)生的原因 42.2齒輪裂紋分類、特征、原因及預防措施 42.2.1淬火裂紋 42.2.2磨削裂紋 42.2.3疲勞裂紋 52.2.4輪緣和幅板裂紋 6第三章齒輪故障診斷方法與技術(shù)展望 73.1齒輪故障診斷的方法 73.1.1時域法 73.1.2頻域法 73.1.3倒頻譜分析 83.1.4包絡(luò)分析 83.1.5小波分析方法 83.2齒輪故障診斷技術(shù)的展望 9結(jié)論 10致謝 11參考文獻 12第12頁引言隨著科學技術(shù)的不斷進步，機械設(shè)備向著高性能、高效率、高自動化和高可靠性的方向發(fā)展。齒輪由于具有傳動比固定、傳動轉(zhuǎn)矩大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，是改變轉(zhuǎn)速和傳遞動力的最常用的傳動部件，是機械設(shè)備的一個重要組成部分，也是易于故障發(fā)生的一個部件，其運行狀態(tài)對整機的工作性能有很大的影響。在機械設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中，齒輪傳動系統(tǒng)通過主、從動齒輪的相互嚙合傳遞運動和能量，這個過程將產(chǎn)生一定形式的機械振動。而諸如磨損、點蝕、制造誤差、裝配誤差等齒輪和齒輪傳動系統(tǒng)的各種缺陷和故障必然引起機械振動狀態(tài)（或信號）發(fā)生變化。因此，在齒輪傳動系統(tǒng)的振動信號中，蘊涵有它的健康狀態(tài)（故障與無故障）信息，監(jiān)測和分析振動信號自然就可以診斷齒輪和齒輪傳動系統(tǒng)的故障。第一章影響齒輪產(chǎn)生振動的因素1.1振動的產(chǎn)生在齒輪的傳動嚙合過程中，影響齒輪產(chǎn)生振動的原因很多，有大周期的誤差也有小周期的誤差。產(chǎn)生大周期振動的因素主要是齒輪加工過程中的運動偏心和幾何偏心以及安裝中的對中不良；產(chǎn)生小周期振動的因素主要有齒輪加工中的主軸回轉(zhuǎn)誤差，嚙合剛度的變化，齒輪嚙入、嚙出沖擊，以及在運行過程中產(chǎn)生的斷齒、齒根疲勞裂紋、齒面磨損、點蝕剝落、嚴重膠合等等。其中嚙合剛度的周期性變化是齒輪系統(tǒng)振動的重要激振源之一。它的周期性變化主要由以下兩個原因所致：一是隨著嚙合點位置的變化，參加嚙合的單一齒輪的剛度發(fā)生了變化；二是參加嚙合的齒數(shù)在變化。如圖1-1所示，在嚙合開始時(A點)，主動輪齒1在齒根處嚙合，彈性變形較??；被動齒輪2在齒頂處嚙合，彈性變形大，而在嚙合終止時(D點)，情況則相反。設(shè)齒副I的嚙合剛度為k1，齒副П的嚙合剛度為k2，則總的嚙合剛度為k=k1+k2。由圖1-1可以看出總的嚙合剛度隨著從單嚙合區(qū)到雙嚙合區(qū)而作周期性的變化。圖1-1直齒輪嚙合剛度變化圖1.2振動的故障當齒輪存在大周期故障時，如運動偏心和幾何偏心，則仿真出來的齒輪嚙合振動信號的頻譜圖形如圖1-2所示。由圖中可以知道，隨著齒輪大周期誤差幅值的增大，諧波分量的幅值也會線性增大。而以嚙合頻率為中心以旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊帶頻率是由于信號調(diào)制產(chǎn)生的，即高頻的齒輪嚙合頻率受到齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率的調(diào)制，且隨著大周期誤差的增大而增大。圖1-2齒輪偏心時的頻譜圖當齒輪存在諸如點蝕剝落等小周期誤差時，則仿真出來的齒輪嚙合振動信號的頻譜圖形如圖1-3所示。齒輪在運轉(zhuǎn)過程中存在小周期誤差時齒輪的運轉(zhuǎn)速度大小會有所變化，當小周期誤差大時這種現(xiàn)象會更加嚴重。根據(jù)頻率調(diào)制理論可知，齒輪的運轉(zhuǎn)振動信號的頻譜圖會形成嚙合頻率及其高次諧波以及分布在它們周圍的以旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊帶成分，它們的振幅隨故障的惡化而加大。圖1-3齒輪點蝕剝落故障時的頻譜圖第二章齒輪裂紋故障診斷2.1裂紋產(chǎn)生的原因齒輪出現(xiàn)的裂紋，按其形成特點，可分為兩大類:工藝裂紋和使用裂紋。工藝裂紋是生產(chǎn)齒輪的工藝不當而造成的材料缺陷所致，并在一定載荷條件下失穩(wěn)擴展造成齒輪失效，如鑄造裂紋，鍛軋裂紋，焊接裂紋、熱處理裂紋(鄧淬火裂紋)、磨削裂紋等;而使用裂紋是在零件使用過程和環(huán)境中產(chǎn)生的，并進而擴展造成齒輪失效，如疲勞裂紋和應力腐蝕裂紋等。2.2齒輪裂紋分類、特征、原因及預防措施2.2.1淬火裂紋如圖2-1圖2-1淬火裂紋特征：在淬火時產(chǎn)生，多數(shù)呈發(fā)絲狀，有時能自行擴展。裂紋有的沿齒根圓角半徑方向，有的在齒的兩個端面，也有的穿越齒頂或存在在齒的端面的表面硬化層與心部的交界處。較大裂紋的初始部位常有銹蝕或氧化的痕跡。淬火的裂紋也可能在齒輪使用一段時間后才見到。它常為其他損傷形式（如疲勞斷齒）的根源。原因：主要是淬火過程中產(chǎn)生過大的內(nèi)應力。它通常由不合適的淬火工藝，如升溫過急、淬火過急、淬火過緩等引起。齒的端面上的裂紋，通常由硬化層與心部交界處的相變不協(xié)調(diào)引起。預防措施：根據(jù)齒輪材料、尺寸、結(jié)構(gòu)和工作要求制訂合理的淬火工藝規(guī)程，并嚴格加以控制，防止淬火速度過高或過低，淬火溫度不合適。對淬火后的齒輪應嚴格檢驗。2.2.2磨削裂紋如圖2-2圖2-2磨削裂紋特征：在磨削過程中產(chǎn)生，常在齒面上有幾乎平行的短裂紋或網(wǎng)狀裂紋。平行裂紋通常比網(wǎng)狀裂紋深。磨削裂紋一般較淺，肉眼不易發(fā)現(xiàn)，需用磁粉探傷或用5%硝酸乙醇腐蝕液處理等方法才能檢測。有時磨削裂紋是潛在的，要在閑置若干時間或加載工作后才顯示出來。原因：主要由磨削過程中的熱引起，也可能是由熱處理工藝不合理（在熱處理過程中形成了對磨削過熱敏感的金相組織）引起。磨削過熱可能是由于磨削工藝參數(shù)選擇不正確，砂輪不合格或選用不當、冷卻措施不適當?shù)?。某些對磨削過熱敏感的齒輪材料，更易產(chǎn)生磨削裂紋。預防措施：選擇適當?shù)哪ハ鞴に?，控制進給量和磨削速度，加強冷卻措施，選用不易磨裂的材質(zhì)和合適的熱處理工藝。適當選用合適的砂輪，并注意對其修整和平衡；采用具有斷續(xù)工作表面的砂輪，以降低表層的熱應力。2.2.3疲勞裂紋如圖2-3圖2-3疲勞裂紋特征：應力為重復交變；裂紋源常為齒輪表面應力集中處，如齒根圓角、加工刀痕及材料缺陷處；尾端尖細，微觀主要呈穿晶擴展，其總趨勢與主應力想垂直。原因：交變應力水平過高，材料缺陷與應力集中源影響嚴重。預防措施：控制交變應力水平，設(shè)計時應避免過小的齒根圓角，控制工藝因素減少不允許的表面及材料內(nèi)部缺陷。2.2.4輪緣和幅板裂紋如圖2-4圖2-5圖2-4輪緣裂紋圖2-5幅板裂紋特征：輪緣裂紋通常發(fā)生在兩相鄰齒之間的齒根部。輻板裂紋有的是由輪緣裂紋沿徑向擴展而成，有的是在輻板自身中產(chǎn)生，不一定擴展到輪緣。原因：輪緣斷裂通常是輪齒齒根圓角疲勞裂紋發(fā)展的結(jié)果。齒輪某部分的參殘余應力過高，也回形成并促使疲勞裂紋擴展。對鑲套式齒輪，輪緣與輪心的過盈量過大也可引起輪緣斷裂。輻板損傷，多因輻板強度不足，應力集中或振動等因素引起。預防措施：輪緣及輻板的尺寸應滿足強度要求。以局部應力集中因素，如切削刀痕、磨削與淬火裂紋、輪緣與輻板過渡處的尖銳圓角等，應設(shè)法減少或消除。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應采取減振、防振措施。對鑲套齒輪，應按適當控制過盈量。第三章齒輪故障診斷方法與技術(shù)展望3.1齒輪故障診斷的方法在各種齒輪故障診斷方法中，以振動檢測為基礎(chǔ)的齒輪故障診斷方法具有測量簡便、實時性強等優(yōu)點，通過測量齒輪運行過程中所產(chǎn)生的振動信號，作為故障診斷的重要信息來源，是一種理想的齒輪傳動狀態(tài)的在線運行監(jiān)測工具。振動檢測和故障診斷的關(guān)鍵是怎樣從復雜的振動信號中提取和分離與齒輪故障特征有關(guān)的微弱信息。目前研究和應用的振動檢測與故障診斷的方法可以分為以下幾類：3.1.1時域法在狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的過程中，我們常常會直接利用振動時域信號進行分析并給出結(jié)果，這是最簡單且最直接的方法，特別是當信號中明顯含有簡諧成分、周期成分或瞬時脈沖成分時更為有效。當然這種方法要求分析人員具有比較豐富的實際經(jīng)驗。振動時域波形是一條時間歷程的波動曲線。根據(jù)測量所用傳感器類型的不同，曲線的幅值可代表位移、速度或加速度。進行波形分析時，主要采用如下特征量，也稱示性指標：（1）振動幅值，振動幅值包括峰值、有效值（均方根值）和平均幅值，其中峰值又分為零峰值和峰-峰值。（2）振動周期與頻率，不同的故障源通常會產(chǎn)生不同頻率的機械振動，因此頻率分析在故障診斷中占有十分重要的地位。（3）相位，在實際應用中，相位主要用于比較不同振動運動之間的關(guān)系，或確定一個部件相對于另一個部件的振動狀況。通常不同振源產(chǎn)生的振動具有不同相位。（4）其它指標為了有效描述復雜的振動，在實際應用中也經(jīng)常使用一些示性指標如：偏度、峭度，有時還需要利用一些無量綱示性指標來完成診斷或進行趨勢分析，如：峰態(tài)因數(shù)、波形因數(shù)、脈沖因數(shù)、峰值因數(shù)、裕度因數(shù)等無量綱示性指標。它們的診斷能力由大到小依次為：峰態(tài)因數(shù)裕度因數(shù)脈沖因數(shù)峰值因數(shù)波形因數(shù)。3.1.2頻域法頻譜分析是在頻域中對原信號分布情況的描述，通常能夠提供比時域波形更加直觀的特征信息。因此頻譜〔包括功率譜和幅值譜等）被廣泛用作為故障診斷的依據(jù)。頻譜可以通過傅里葉變換的方式獲取。值得一提的是，機器振動頻譜中，有些振動分量雖然較大，但不隨時間而變化，對機器的正常運行也不會構(gòu)成什么威脅。相反有一些幅值較小，但增長很快的頻率分量卻往往預示著故障的產(chǎn)生和發(fā)展，應該引起足夠的重視。3.1.3倒頻譜分析齒輪振動的頻譜通常主要表現(xiàn)為嚙合頻率及諧波的邊帶，這種邊帶的產(chǎn)生是齒輪軸的轉(zhuǎn)頻調(diào)制齒輪軸的嚙合頻率而產(chǎn)生。在正常運轉(zhuǎn)情況下，它們保持不變。齒輪出現(xiàn)故障時，邊帶的數(shù)目和幅值發(fā)生變化。如上所述，輪齒發(fā)生裂紋時，故障齒輪每轉(zhuǎn)都會產(chǎn)生一次局部調(diào)制，由于齒輪箱結(jié)構(gòu)復雜，多種調(diào)制現(xiàn)象可能同時存在，每種調(diào)制現(xiàn)象都會產(chǎn)生不同系列的等間隔周期頻譜。因為它們與調(diào)制波源相關(guān)，這些邊帶包含豐富故障診斷信息。根據(jù)利用FFT進行時-頻域轉(zhuǎn)換的概念，可以將頻譜分析結(jié)果再次利用FFT技術(shù)轉(zhuǎn)換到一個新的分析域中。這樣就形成了所謂的倒頻譜分析。倒頻譜具有檢測和分離頻譜中周期性成分的能力，會使原來譜圖上成族的邊頻譜線簡化為倒頻譜上的單根譜線，從而使頻譜中的復雜周期成分變得清晰易辨，以利于故障診斷。這種方法的缺點是倒譜的幅值大小對裂紋長度的發(fā)展不敏感，不易進行故障定位。3.1.4包絡(luò)分析包絡(luò)分析就是提取載附在高頻信號上的低頻信號，從時域上看，為取時域波形的包絡(luò)軌跡。像具有齒輪、軸承等零部件的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷常常用到包絡(luò)分析。當旋轉(zhuǎn)機械的軸承零部件有點蝕、剝落等損傷類故障時，伴隨設(shè)備運轉(zhuǎn)這些故障會產(chǎn)生周期性脈沖沖擊力，激起設(shè)備的各階固有振動。選擇沖擊激起的高頻固有振動為研究對象，通過濾波將其從信號中分離出來，然后通過包絡(luò)檢波，提取出載附在其上的與周期脈沖沖擊力對應的包絡(luò)信號，從其強度和頻次就可以判斷零件損傷的程度和部位。這種技術(shù)稱為包絡(luò)解調(diào)，也稱為早期故障探測法，它是判斷設(shè)備零件損傷類故障的一種有效的手段。3.1.5小波分析方法小波變換作為一種新的數(shù)學理論和方法，己在不少領(lǐng)域得到了廣泛的應用。在振動信號分析中，小波變換屬于一種多分辨率的時頻分析方法，具有很多優(yōu)點，為非平穩(wěn)信號的分析提供了一個有價值的工具。實際應用中常使用簡單方便的二進離散小波變換。從多分辨率分析的角度上看，小波分解相當于一個帶通濾波器和一個低通濾波器，每次分解總是把原信號分解成兩個子信號，分別稱為逼近信號和細節(jié)信號，每個部分還要經(jīng)過一次隔點重采樣。如此分解N次即可得到第N層（尺度N上）的小波分解結(jié)果。小波變換常以下面3種方法用于齒輪箱運行狀態(tài)和故障診斷分析：（1）小波包能量譜進行監(jiān)測；（2）邊帶識別；（3）奇異點的模極大值及過零點檢測。隨著小波分析技術(shù)的發(fā)展及計算機容量和運算能力的飛速發(fā)展，最近人們開始對連續(xù)小波變換應用于故障診斷分析。連續(xù)小波變換能為基小波的選擇提供很大方便，當己知需檢成分的特征時，就可以選取成構(gòu)造與之對應的基小波，作連續(xù)小波變換來揭示這些成分的分布和大小。小波變換雖然是一種很好的信號分析工具，但它仍然存在下面兩個問題：（1）小波變換分析的結(jié)果不如傅立葉變換那樣直觀明了，需要分析人員具有一定的小波分析理論基礎(chǔ)進行判斷，不宜于使用計算機對結(jié)果進行自動分析和處理。（2）小波變換的核函數(shù)不是唯一確定的，需要根據(jù)工程應用中的實際進行選擇。3.2齒輪故障診斷技術(shù)的展望十幾年來，隨著科研人員的不斷努力探索，我國故障診斷技術(shù)有了突飛猛進的發(fā)展，新技術(shù)、新方法層出不窮。展望今后齒輪故障診斷技術(shù)發(fā)展方向。有如下幾點看法:（1）傳統(tǒng)的頻譜分析技術(shù)將日趨完善。（2）專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等新技術(shù)將從實驗室研究階段，逐步走向?qū)嶋H應用階段。（3）目前，齒輪故障診斷技術(shù)多集中于采用振動監(jiān)測手段，可以預見，在今后幾年里，鐵譜技術(shù)、油樣光譜技術(shù)及聲發(fā)射技術(shù)將會在齒輪故障診斷中占有一席之地。（4）隨著企業(yè)管理的現(xiàn)代化綜合計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等多種科學技術(shù)的虛擬現(xiàn)實與現(xiàn)代通訊技術(shù)的國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)絡(luò)、調(diào)制解調(diào)器等相結(jié)合，實現(xiàn)遠程診斷，將是今后