浅析齿轮故障振动诊断技术.docx

7-3齿轮故障振动诊断技术

7.3.1概述

齿轮传动在机械设备中应用很广，齿轮损伤是导致设备故障的重要原因，据统计在齿轮箱中齿轮损坏的百分比最大，约占60%。并且齿轮损伤造成的后果也十分严重，所以开展齿轮状态监测与故障诊断具有重大的实际意义。

一、齿轮常见故障
传动齿轮常见的故障按产生的原因划分有以下几种。
（1）齿面磨料磨损
润滑油不清洁、磨损产物以及外部的硬颗粒侵入接触齿面都会在齿面滑动方向产生彼此独立的划痕，使齿廓改变，侧隙增大，甚至使齿厚过度减薄，导致断齿。
（2）齿面粘着磨损
重载、高速传动齿轮的齿面工作区温度很高，如润滑不好，齿面间油膜破坏，一个齿面上的金属会熔焊在另一个齿面上，在齿面滑动方向可看到高低不平的沟槽，使齿轮不能正常工作。
（3）齿面疲劳磨损
疲劳磨损是由于材料疲劳引起，当齿面的接触应力超过材料允许的疲劳极限时，在表面层将产生疲劳裂纹，裂纹逐渐扩展，就要使齿面金属小块断裂脱落，形成点蚀。严重时点蚀扩大连成一片，形成整块金属剥落，使齿轮不能正常工作，甚至使轮齿折断。
（4）轮齿断裂
轮齿如同悬臂梁，根部应力最大，且有应力集中，在变载荷作用下应力值超过疲劳极限时，根部要产生疲劳裂纹，裂纹逐渐扩大就要产生疲劳断裂。轮齿工作时由于严重过载或速度急剧变化受到冲击载荷作用，齿根危险截面的应力值超过极限就要产生过载断裂。
传动齿轮的常见故障按分布特征划分有以下两种。
（1）分布故障
齿轮损伤分布在所有轮齿的齿面上，如磨料磨损等。
（2）局部故障
齿轮损伤只在一个或几个轮齿上，如剥落、断齿等。

二、齿轮监测诊断方法
监测诊断齿轮工作状态的方法大体分两大类：
第一类是采集运行中的动态信息（一般是振动或噪声）根据它们的变化进行诊断；
第二类是对润滑油进行分析，根据油中磨损产物的状况进行诊断。
在这里只介绍根据振动信号监测诊断齿轮状态的方法。
齿轮振动监测时，由于实际上的种种困难，一般都把传感器布置在齿轮箱的轴承盖上或轴承座附近刚性好的部位，所以传感器的输出不仅有被监测齿轮特定周期的振动信息，还有许多其它齿轮等零件的周期振动信息和随机振动信息，而且被监测齿轮的振动信息由于传递环节多，损失还很大（特别是高频成分）。因此，齿轮振动监测需要完善的信号分析技术才能排除干扰，得到被监测齿轮的振动信号。这一过程很难由一个简单仪器实现，所以至今还没有专门的齿轮诊断仪问世。
7.3.2齿轮振动分析

齿轮有误差、轮齿不是刚体，即使是合格的一对新齿轮在啮合运行时也要产生振动，所以研究齿轮振动机理，掌握齿轮故障振动特点具有十分重要的意义。

一、轮齿刚度变化和齿轮误差引起的振动（齿轮的基本振动）

1．齿轮啮合的数学模型
齿轮具有一定质量，轮齿可看成弹簧，一对齿轮副可看成一个振动系统，其力学模型如图7－20所示。
在载荷平稳、没有阻尼、没有齿面磨擦、轴的扭转刚度很小的条件下，根据动力学基本定律可得如下运动方程：
图7-20齿轮副力学模型
对于主动轮
或①
对于从动轮
或②
式中：——主动轮、从动轮对轴线的转动惯量；
——主、从动轮的基圆半径；
——主、从动轮在啮合线上的等效质量，；
——主、从动轮的角位移；
——主、从动轮角位移换算到啮合线上的线位移，，；
——主动轮的驱动力矩，；
——从动轮的阻力矩，；
——主动轮上的驱动力；
——齿面法向动载荷。
令（沿啮合线齿轮的相对位移，不分离时为正值），则

代入（1）式得

将（2）式代入上式得

③
式中：——齿轮副等效质量，
若啮合齿的合成弹簧刚度（啮合刚度,即啮合齿在啮合点抵抗变形的能力）为；齿轮误差在啮合线上引起的相对位移为（与轮齿弯曲方向相同者为正值）时，则

代入③式得

若考虑与相对速度成正比的阻尼力，则上式为
④
式中：——齿轮副的啮合阻尼系数。
上式称为齿轮副的数学模型，它表明正常齿轮的振动主要由两部分组成：一部分来源于刚度的周期变化，与齿轮的误差无关，称为常规振动；另一部分来源于周期变化的齿轮误差，与齿轮的加工精度有关。

2．刚度变化引起的振动
1）刚度变化规律
在啮合过程中，由于啮合点的位置改变；由于参加啮合的齿数改变，啮合刚度要发生改变，这种改变每转动一齿就要重复一次，频率为
（——两齿轮的转速与齿数）
称此为啮合频率（简称啮频）。如图7-21所示，对于直齿啮合刚度变化陡峭，几乎是矩形周期函数，对于斜齿啮合刚度变化小，一般近似正弦函数。

直齿直齿斜齿
图7-21啮合刚度变化曲线

2）刚度变化引起的振动
由（4）可知在理想条件下（）齿轮的运动方程为

这是一个单自由度线性微分方程，其稳态响应就是齿轮的常规振动，它与激振函数（周期变化的啮合刚度）有相同的频率和变化规律。因此对于直齿齿轮，刚度周期变化使齿轮产生的常规振动除基频（）成分外，还有丰富的高