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精密齒輪常見故障特征及診斷——精密齒輪

時間 :2021-10-24 作者 : 來源: 瀏覽 : 分類 :技術文章
幾種信號分析處理方法針對齒輪故障診斷是非常有效的,但在實際工作中,通常是先利用常規的時域分析、頻譜方法對齒輪故障做出診斷。

齒輪故障比較復雜,上節所述的幾種信號分析處理方法針對齒輪故障診斷是非常有效的,但在實際工作中,通常是先利用常規的時域分析、頻譜方法對齒輪故障做出診斷,這種診斷結果有時就是精密診斷結果,有時還需要利用上節所述的分析處理方法進一步對故障進行甄別和確認,最終得出精密診斷結果。 


一、正常齒輪的時域特征與頻域特征  

沒有缺陷的正常齒輪,其振動主要是由于齒輪自身的剛度等引起的。 

(1)時域特征  

正常齒輪由于剛度的影響,其波形為周期性的衰減波形。其低頻信號具有近似正弦波的嚙合波形,如圖1所示。 

(2)頻域特征  

正常齒輪的信號反映在功率上,有嚙合頻率及其諧波分量,即有nf(n=1,2,…),且以嚙合頻率成分c

為主,其高次諧波依次減??;同時,在低頻處有齒輪軸旋轉頻率及其高次諧波mf(m=1,2,…),其頻r譜如圖2所示。    

二、故障情況下振動信號的時域特征與頻域特征 

1.均勻磨損  

齒輪均勻磨損是指由于齒輪的材料、潤滑等方面的原因或者長期在高負荷下工作造成大部分齒面磨損。  

(1)時域特征  

齒輪發生均勻磨損時,導致齒側間隙增大,通常會使其正弦波式的嚙合波形遭到破壞,圖3是齒輪發生磨損后引起的高頻及低頻振動。   

(2)頻域特征  

齒面均勻磨損時,嚙合頻率及其諧波分量nf(n=1,2,…)在頻譜圖上的位置保持不變,但其幅值c大小發生改變,而且高次諧波幅值相對增大較多。分析時,要分析三個以上諧波的幅值變化才能從頻譜上檢測出這種特征。圖4所示反映了磨損后齒輪的嚙合頻率及諧波值的變化。隨著磨損的加劇,還有可能產生1/k(k=2,3 ,4 ,…)的分數諧波,有時在升降還會出現如圖5所示的呈非線性振動的跳躍現象。 

2.齒輪偏心  

齒輪偏心是指齒輪的中心與旋轉軸的中心不重合,這種故障往往是由于加工造成的。 

(1)時域特征  

當一對互相嚙合的齒輪中有一個齒輪存在偏心時,其振動波形由于偏心的影響被調制,產生調幅振動,

(2)頻域特征  

齒輪存在偏心時,其頻譜結構將在兩個方面有所反映:一是以齒輪的旋轉頻率為特征的附加脈沖幅值增大;二是以齒輪一轉為周期的載荷波動,從而導致調幅現象,這時的調制頻率為齒輪的回轉頻率,比所調制的嚙合頻率要小得多。圖7為具有偏心的齒輪的典型頻譜的特征。   

3.齒輪不同軸  

齒輪不同軸故障是指由于齒輪和軸裝配不當造成的齒輪和軸不同軸。不同軸故障會使齒輪產生局部接觸,導致部分輪齒承受較大的負荷。 

(1)時域特征  

當齒輪出現不同軸或不對中時,其振動的時域信號具有明顯的調幅現象。如圖8所示為其低頻振動信號呈現明顯的調幅現象。   

(2)頻域特征  

具有不同軸故障的齒輪,由于其振幅調制作用,會在頻譜上產生以各階嚙合頻率nf(n=1,2,…)為cf中心,以故障齒輪的旋轉頻率為間隔的一階邊頻族,即nf士f(n=1,2,…)。同時,故障齒輪的旋轉 rcr特征頻率mf(m=1,2,…)在頻譜上有一定反映。圖9為典型的具有不同軸故障齒輪的特征頻譜。

4.齒輪局部異常  

齒輪的局部異常包括齒根部有較大裂紋、局部齒面磨損、輪齒折斷、局部齒形誤差等,圖10表示了

幾種常見的異常情況。  

局部異常齒輪的振動波形是典型的以齒輪旋轉頻率為周期的沖擊脈沖,如圖11所示。     

1-齒根部有裂紋;2-局部齒面磨損;3-局部齒形誤差;4-斷齒   

具有局部異常故障的齒輪,由于裂紋、斷齒或齒形誤差的影響,將以旋轉頻率為主要頻域特征  

5.齒距誤差  

齒距誤差是指一個齒輪的各個齒距不相等,存在有誤差。齒距誤差是由齒形誤差造成的。幾乎所有的齒輪都有微小的齒距誤差。 

(1)時域特征  

具有齒距誤差的齒輪,其振動波形理論上應具有調頻特性,但由于齒距誤差一般在整個齒輪上以諧波

形式分布,故在低頻下也可以觀察到明顯的調幅特征,如圖13所示。     

(2)頻域特征  

有齒距誤差的齒輪,由于齒距的誤差影響到齒輪旋轉角度的變化,在頻率域表現為包含旋轉頻率的各次諧波mf(m=1,2,…)、各階嚙合頻率nf(n=1,2,…)以及以故障輪的旋轉頻率為間隔的邊頻nf士

rccmf(n,m=1,2,…)等,圖14表示具有齒距誤差的齒輪的頻譜特征。     

6.不平衡齒輪的時域特征與頻域特征  

齒輪的不平衡是指齒輪的質心和回轉中心不重合,從而導致齒輪副的不穩定運行和振動。 

(1)時域特征  

具有不平衡質量的齒輪在不平衡力的激勵下會產生以調幅為主、調頻為輔的振動,其振動波形如圖

15所示。   

(2)頻域特征  

由于齒輪自身的不平衡產生的振動,將在嚙合頻率fc及其諧波兩側產生mf±nf( m,n=1, 2, 3,…)cr的邊頻族;同時,受不平衡力的激勵,齒輪軸的旋轉頻率及其諧波nfr的能量也有相應的增加,如圖16所示。    

三、常見齒輪故障的振動時域波形、頻譜特征對照  

表1-1是幾種常見齒輪故障的振動時域波形、頻譜特征的對照。 

四、齒輪箱常見故障診斷  

實際工程中是沒有孤立的齒輪副,所有的齒輪副都需要安裝到齒輪箱中或安裝到特定的支架上,還需要配以軸承或軸瓦。因此,對齒輪的故障診斷實際上是對齒輪箱的故障診斷。對齒輪箱的故障診斷綜合了對轉子(參考旋轉機械部分)、滾動軸承和齒輪故障診斷內容,在此給出一個簡表供參考。  


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