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齿轮故障的振动诊断及案例分析摘要:齿轮故障通常具有相似的现象,即振动和噪声明显增加,但产生齿轮故障的原因却很难从表象作出判断。本文从振动分析的角度阐述齿轮振动的时域与频域特征,并结合实测案例进行分析。关键词:齿轮故障;振动特征;时域;频域;案例分析齿轮传动的常见故障有齿断裂,齿磨损,齿面疲劳(点蚀、剥落)和齿轮安装不当。由结构和工作时受力条件决定,齿轮传动的振动信号较为复杂,故障诊断需同时进行时域与频域分析。齿轮工作过程中的故障信号频率基本表现为两部分,一为啮合频率及其谐波(高频部分)构成的载波信号;二为低频成分的幅值和相位变化所构成的调制信号。1.啮合频率及其谐波当轮齿进人或脱离啮合时,载荷和刚度均突然增大或减小,形成啮合冲击。齿轮啮合频率为fm=f1•Zl=f2•Z2,当齿轮出现故障时,将引起啮合频率及其各次谐波幅值的变化。2.幅值调制和频率调制所构成的边频带(1)幅值调制。幅值调制相当于两个信号在时域上相乘。假定载波信号为g(t),调制信号为e(t),则调制后的时域总信号为X(t)=g(t)•e(t)将上式转换到频域上,则为X(f)=G(f)•E(f).通常幅度调制的调制频率为旋转频率。(2)频率调制。齿轮的转速波动,若载波信号为Asin(2пfmt+φ0),调制信号为βsin2пfmt,频率调制可表示为x(t)=Asin[2пfmt+βsin(2пf1t)+φ0]。频率调制不仅产生围绕啮合频率fm的一族边频带,而且在相位信号中产生一个正弦波。通常频率调制的频率为分度不均匀齿轮的转频。实际上,齿轮故障中调幅与调频现象可能同时存在,因而在频谱上得到调幅与调频综合影响下形成的边频带。3.由齿轮转频的低次谐波构成的附加脉冲齿轮的低频故障(不平衡、不对中等)也会对齿轮振动时域波形产生影响,但不会在齿轮频率两侧产生边频带。4.由齿轮加工误差形成的隐含成分。该成分的振动通常由加工机床分度齿轮误差造成,它对齿轮的整体运行影响很小。以下是一个齿轮故障的案例分析。1.某采油平台原油外输泵(螺杆泵)传动齿轮局部断齿(1)设备形式及参数。电机驱动直联双螺杆泵,螺杆之间以同步齿轮传动,齿轮齿数z=67;电机转速n=995r/min(16.57Hz)。(2)故障现象。泵的非驱动端(同步齿轮安装在此侧)振动速度值增加,图1、图2是时域波形及频谱图。图3是图2的局部细化谱。(3)振动特征及分析。在时域波形图中(图1)出现明显的冲击峰值,表明齿轮可能存在局部缺陷;频谱图(图2)中有齿轮啮合频率及二倍谐频,边频丰富,从图3可以看到,边频为转子工频,这说明啮合频率的振动幅值被转子工频冲击振动调制。图1时域波形图图2频谱图图3二倍啮合频率局部放大图(4)结论。齿轮局部缺陷。齿轮箱拆检后发现齿轮局部断齿,缺陷齿共五个。2.某浮式储油轮热介质提升泵齿轮啮合不良(1)设备形式与参数。电机驱动直联齿轮泵,电机转速n=1478r/min、齿轮齿数z=12。(2)故障现象。该泵运行时发出连续尖啸,非驱动端轴承温度偏高。非驱动端轴承位置的时域和频域谱见图4、图5。(3)振动特征及分析。时域图中有很高的冲击值,频谱图中存在较高峰值的齿轮啮合频率及二倍频,且其振动速度值高于一倍频,但边频很少且幅值较低,表明齿轮啮合频率的振动并不是由于齿轮本身缺陷造成;齿轮泵非驱动端轴承温度偏高。图4时域图图5频谱图(4)诊断结论。由此可以判断,该齿轮泵齿轮啮合严重不良,主要原因是两齿轮轴平行度超差。拆检后发现齿轮泵非驱动端的滑动轴承偏磨,造成两齿轮中心线不平行,导致齿轮啮合故障。更换轴瓦后,设备运行正常。参考文献:[1]沈庆根.化工机器故障诊断技术[M].浙江大学出版社出版,1994.12.