故障诊断6-齿轮箱监测与诊断

教学内容0、课程准备 1、绪 论 2、信号分析及处理基础 3、监测与诊断系统 4、旋转机械的振动监测与诊断

5、滚动轴承的故障监测和诊断 6、齿轮箱的监测和诊断0

教学内容第六章 齿轮箱的监测与诊断 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 齿轮副的特点 齿轮和齿轮箱的失效形式和原因 齿轮的振动诊断原理 齿轮和齿轮箱的监测和诊断方法 齿轮箱的振动诊断实例

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教学内容 重点与难点 齿轮箱失效的基本形式及其失效原因分析； 齿轮箱的简易诊断； 齿轮箱的振动监测、故障频率特征与精密诊断； 齿轮箱的其他监测诊断方法，如复包络谱分析法、时序平均法等。

学习目标 了解齿轮箱的失效形式、原因，及其故障频率特征； 掌握齿轮箱的故障特征频率的计算及其频谱特征； 学会用时域分析法、简易诊断法和精密诊断法，如频谱分析法及倒频谱分析法等，分析齿轮箱的各种故 障，其产生各故障的原因。2

齿轮故障机理6.1、齿轮故障机理 认识齿轮及齿轮箱的工作特征

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齿轮和齿轮箱的失效形式和原因6.2、齿轮和齿轮箱的失效形式和原因齿轮箱的各类零件中， 失效比例分别为：齿轮 60%,轴承19%,轴10%,箱体7%,紧固件3%; 油封1%。

6.2.1 制造引起的缺陷制造缺陷包括偏心、周节误差、基节误差、齿形误 差等典型误差，见图6-5。

6.2.2 装配误差引起的缺陷由于装配技术和装配方法等原因，通常在装配齿轮 时造成“一端接触”和齿轮轴的直线性偏差(不同轴、 不对中)及齿轮的不平衡等异常现象。4

齿轮和齿轮箱的失效形式和原因6.2.3 运行中产生的故障 故障类型和失效比例 损伤发生的概率如下：齿 的断裂41%;齿面疲劳31%;齿 面磨损10%;齿面划痕10%; 其他故障8%。

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齿轮和齿轮箱的失效形式和原因 故障原因和特点

齿的断裂 齿面磨损或划痕：粘着磨损；磨粒磨损与划痕；腐蚀磨损；烧伤；齿面胶合。

齿面疲劳(点蚀与剥落) 齿面塑性变形

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齿轮的振动诊断原理6.3、齿轮的振动诊断原理由于制造、安装及轮齿刚度等问题，齿轮运行中会产生 振动。温度、润滑油中磨损物的含量及形态、齿轮箱的振动 及辐射的噪声、齿轮传动轴的扭转振动和扭矩、齿轮齿根应 力分布等从各个角度反映故障的信息。

6.3.1 啮合齿轮副的振动分析 直齿轮的啮合刚度k (t ) k0 Cs sin(2 f z t s )s 1

式中 fz为啮合频率，fz=Zfr,Z为齿轮齿数，fr为齿轮 旋转频率。7

齿轮的振动诊断原理齿轮系的传动误差e(t ) e0 Dr sin(2 f et c )r 1

式中 fe为传动误差的基频。

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齿轮的振动诊断原理齿轮系的传

动频率组成模型当基础激励不为零时会出现 k (t )e(t ) k 0 e0 e0 Cs sin(2 sf z t s )

多组频率，sfz-rfe和sfz+rfe称 为啮合频率fz的边频。 k 0 Dr sin(2 sf et r )s 1 r 1

Cs Dr sin(2 sf z t s ) sin(2 rf et r )s 1 r 1

f (0, sf z , rf e , sf z rf e , sf z rf e )

把齿轮视为刚体仅考虑轮齿、轴的弹性，将齿轮视为 弹性圆盘。如果将转轴视为弹性体，还会产生很多固有频 率，并产生相应的共振。9

齿轮的振动诊断原理6.3.2 齿轮诊断的特征频率齿轮传动中啮合刚度的周期性变化引起与振动频率、转 速、齿数和重叠系数等有关的参数振动。基于齿形误差的随 机激励，可能引起齿形弹性系统的共振，当齿形出现故障时， 振动加剧并产生新的频率成分—齿轮的特征频率。

1)轴的转动频率及其频谱 轴的转动频率： f r n / 60

谐频：

2 f r ,3 f r ,...

2)啮合频率及其频谱 定轴转动齿轮啮合频率： f z z1 f r1 z2 f r 2

有固定齿圈行星轮系啮合频率： f z zr ( f r f c )

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齿轮的振动诊断原理齿轮以啮合频率振动的特点 振动频率随转速变化而变化； 振动展开为傅里叶级数后，一般存在啮合频率的基频； 当啮合频率或其高阶谐频接近或等于齿轮的某阶固有频 率时，齿轮产生强烈振动；

由于齿轮的固有频率一般较高，但是振幅小、噪声大。

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齿轮的振动诊断原理正常齿轮的振动特点(1)时域特征 正常齿轮由于刚度的影响，其波形为周期性的衰减波形。其低频信号 具有近似正弦波的啮合波形，如图1所示。 (2)频域特征 正常齿轮的信号反映在功率上，有啮合频率及其谐波分量，即有nfc (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及其高次谐波mfr(m=1,2,…),其频谱 如图2所示。

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齿轮的振动诊断原理3)隐含成分隐含成分(鬼线):分布在啮合频率附近的，由加工过 程中滚齿机给齿轮带来的周期性缺陷。

隐含成分的特点 由周期性缺陷引起，振动 频谱存在高阶； 隐含成分由几何误差引起， 工作载荷对其影响小；

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齿轮的振动诊断原理4)边频带边频带：啮合频率或高阶谐频附近存在的等间距频率成 分。主要原因是振动信号的调制。

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齿轮的振动诊断原理齿轮啮合振动信号 偏心啮合时两齿轮的中心距 齿轮偏心啮合时的振动信号

幅值调制；

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