机车走行部牵引齿轮的故障诊断及检测.docx

机车走行部齿轮的故障诊断及检测
20116767刘宇珂
摘要：机车走行部安全是机车运行安全的重要条件之一，而齿轮正是走行部的重要组成部分。因此对于齿轮的故障诊断及检测尤为重要。而常见的齿轮失效有4种基本形式。对于齿轮的故障诊断方法目前大都以振动理论为基础，振动信号处理技术是设备故障诊断中最有效、最常用的方法。
关键字：检测振动
齿轮失效的基本形式
1.齿轮的疲劳断裂失效
齿轮运行过程中承受载荷。当根部收到周期应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展，甚至断裂。并齿轮在工作中受到严重的冲击、偏载以及材质不均匀也可能会引起断齿。当齿轮收到过高的交变周期应力时，也会引起疲劳断裂。
2.齿轮的磨损失效
当齿轮工作面间润滑油不足或油质不清洁，有硬质磨料存在时，会引起磨料损耗。
3.齿轮的擦伤失效
重载和高速的齿轮传动，使齿面工作温度很高。当润滑油过低、转速过低、运行温度过高以及接触面积过小，均会使油膜破裂而造成齿面摩伤。
齿面接触疲劳剥落
齿轮在齿合过程中，即有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生脉动载荷。这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的剪应力。剪应力导致点蚀。当“点蚀：扩大，连成一片时，形成齿面上金属块剥落，齿面上剩余的工作面积无法再继续承受外部载荷。从而使整个齿产生断裂。
二.信号特征
2.2.1正常齿轮的频域特征
正常齿轮的信号反映在功率谱上,有啮合频率fm及其谐波分量,即有nfm(n=1,2,...),且以啮合频率成分为主,其高次谐波依次减小。同时,在低频处有齿轮轴旋转频率fz及其高次谐波mfz(m=1,2,...)。
2.2.2均匀磨损齿轮的频域特征
均匀磨损时,啮合频率及其谐波分量保持不变,但其幅值大小改变,且高次谐波幅值相对增大较多[6]。分析时,至少要分析3个以上谐波的变化,才能从谱上检测出这种磨损。另外,随着磨损的加剧,还可能产生1/k(k=2,3,4,...)的分数谐波,有时在升降速时,还会出现非线性振动特点的跳跃现象。
2.2.3局部异常齿轮的频率特征齿轮局部异常含义很广,包括齿根部有较大裂纹,局部齿面磨损,轮齿折断,局部齿形误差等。具有局部异常的齿轮,由于裂纹,折断或齿形误差的影响,将以旋转频率为主要的频率特征,即mfz(m=1,2,...)[7]。
1.2.4齿轮点蚀的特征
在啮合过程中齿轮每转到此部分接触时,由于摩擦力突然加大,会产生一次或几次冲击现象,啮合振动受到调制,其频域表现为信号谱中出现一系列等间隔的频率簇,尤其是在高频的啮合频率两侧,还经常分布一系列以旋转频率为间隔的边频带,这就是发生点蚀的故障特征。
三.齿轮振动信号的提取
轴承、齿轮等旋转机械故障检测一般均使用振动的方法。通过时域信号特征参数及频谱分析判断其运行状态。轴承和齿轮安装在同一根轴上,检测时只有一个测点,两者的振动叠加在一起均被采集,形成信号干扰。要想单独检测齿轮振动,就需要将轴承振动信号尽量排除。轴承的振动是高频振动,一般在4000Hz以上。当轮对转速在400r/min时,轴承振动信号在8000Hz以下,因此检测轴承时信号的截止频率定在8000Hz。而齿轮的振动主要反映在它的啮合频率上,啮合频率计算公式如下:

式中Fm为啮合频率;fr为轴的转频;N为齿轮齿数。
在机车顶轮检测时,轮对转速在400r/min,DF4B货机车的齿轮传动比是63Ø14(大齿轮齿数63,电机轴小齿轮齿数14),这样啮合频率Fm=(400/60)@63=420Hz;DF8B的齿轮传动比是77Ø17,它的啮合频率Fm=(400/60)@77=513Hz。因此单独对齿轮检测时,截止频率既要包含齿轮振动,又要躲开轴承的振动,考虑到观察啮合频率倍频的情况,截止频率选取啮合频率的3)4倍,因此采集齿轮振动信号的截止频率设在2000Hz,就可以排除轴承振动的干扰。
四.齿轮的故障类型和诊断
4.1齿面过度磨损或间隙过大
齿轮正常振动啮合频率幅值较小,如图1。齿轮在经过较长时间运用后,会过度磨损齿面,造成齿隙过大,啮合时附加冲击力加大。反映到振动信号上就是啮合频率的各次谐波幅值增大,尤其高次谐波幅值增大更大,如图2。采集信号,做频谱分析,观察啮合频率的峰值,与正常值比较可以判断是否过度磨损。

图1正常齿轮啮合频率图

图2齿轮过度磨损及间隙大啮合频率图
4.2齿变形、点蚀、齿根裂、断齿
齿轮每转一周,在齿面缺陷处(一齿或几个齿)载荷平稳波动一次、这种故障程度较小,在振动信号中形成调制波,如图3。采集信号,以啮合频率为中心,做细化谱分析,可以看到以啮合频率为中心的边频存在,如图4。

图3齿轮振动调制波时域信号

图4齿轮振动频谱细化谱
4.3齿面大的剥落
这种故障引起大冲击的振动,在时域信号中有明显冲