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