测振仪齿轮故障--测振仪系列知识讲座十九

测振仪齿轮故障--测振仪系列知识讲座十九

齿轮箱有一些特殊的故障，如节线偏斜、偏心、齿距误差、齿面磨损、点蚀和剥落、断齿等，如下图所示。造成测振仪齿轮故障的原因有：制造缺陷、安装调整不当、过量磨损、润滑不足、污染、金属疲劳和超负荷运转等。

                                                                齿轮常见缺陷示意图

 

这些测振仪齿轮故障虽然能在频谱上反映出来，但由于齿轮箱频谱看起来比较复杂，辨认比较困难。一个有效可行的方法是，针对每个齿轮箱，在状态良好、工作正常情况下采集得到其基准频谱，并在状态监测和故障诊断中通过对比基准频谱发现问题。一般齿轮箱的基准频谱如下图所示。

                                                        齿轮箱基准频谱

 

测振仪齿轮故障——啮合频率及其谐波

一对齿轮在作啮合运转时，其参与工作的齿数由一对变为两对，又由两对变为一对，如此交替变化引起轮齿刚度的变化，对齿轮形成周期性的冲击，从而产生齿轮振动。这种振动在频率图上就会出现啮合频率（f_m）及其各次谐波成分，啮合频率（f_m）计算如下式所示：

啮合频率 f_m = f₁ ×Z₁ = f₂ ×Z₂                

式中：

f₁、f₂ —— 分别为两轴的转频；

Z₁、Z₂ —— 分别为两轴上的齿轮齿数。

齿轮啮合情况良好时，啮合频率及其谐波的幅值很小。当出现故障时，齿轮啮合情况将变坏，啮合频率及其谐波地幅值将产生明显增大，见下图所示。

（  附注：① 刚度 —— 指设备构件在外力作用下抵抗变形的能力；② 强度 —— 材料在外力作用下抵抗破坏的能力。 ）

 

 

                           齿轮的啮合频率及其谐波幅值图

从上图中可以看到，啮合频率各次谐波（2次谐波2f_{m 、}3次谐波3f_m）幅值L_2、L₃的增长比基频（f_m）幅值L₁增长的还要快，磨损严重时二次谐波（2f_m）的幅值可能超过啮合的基频（f_m）幅值。这样，通过对齿轮啮合频率的分析，可以了解齿轮表面的受损情况。图中所示的是：齿轮均匀磨损前后齿轮啮合频率及其谐波幅值比较。

测振仪齿轮故障——齿轮啮合幅值调制及边频带

幅值调制 是由齿轮传动系统的周期性变化引起的，如：齿面上负荷波动、齿距的周期性变化、齿轮安装偏心，齿面上的裂纹、断齿、剥落等局部性的缺陷和点蚀、划痕等分布性的缺陷。

幅值调制就是一种调幅波，其中频率较高的啮合频率（f_m）称为载波频率；频率较低的称为调制频率（f_r），也就是故障信息。其幅值制调过程见下图所示。

(a) 载波信号、（b）调制信号; (c) 幅值调制后的信号

                                幅值调制过程示意图

 

故障信息往往能在调制频率上得到反映，分析调制频率的分布状态对于齿轮的故障诊断是很有用的。图中的调制频率（f_r）对称的分布在载波频率[啮合频率（f_m）]的两侧，它是载波频率和调制频率的和频（f_m ＋f_r）及差频（f_m－f_r），这就是边频带，简称为边频。                               

                             边频带

然而，由于受系统传递特性的影响以及在幅值调制的同时还存在着频率调制、相位调制，所以频谱图上的边频带分布不会象上图所示那样的规则和对称，大多数的场合下表现为下图所示的那种形式。

  

                                                          实际边频带分布形式

 

测振仪齿轮故障——典型的齿轮故障频谱

1）局部缺陷

当齿轮出现局部缺陷时，例如：断齿、或大的剥落等局部缺陷，齿轮每转一周时就会产生一个时域包络较窄的冲击脉冲（这个冲击脉冲的频率就等于齿轮的转速频率f_r），齿轮的啮合频率（f_m）被这个冲击脉冲所调制。

   

                                                                             局部缺陷

 

在频谱图中表现为在齿轮的啮合频率（f_m）两侧出现大量的边频带，其特点是：幅值较低，分布均匀且平坦。

2）均匀分布缺陷

而当缺陷进一步恶化、扩展时，例如普遍轮齿出现点蚀、划痕等分布比较均匀的缺陷，齿轮每转一周时就会产生一个时域幅值变化较小、脉动频率较低且包络较寛的冲击脉冲，齿轮的啮合频率（f_m）同样也被这个冲击脉冲所调制。

    

                                                                         均匀分布缺陷

 

在频谱图中表现为在齿轮的啮合频率（f_m）两侧也出现大量的边频带，其特点是：幅值较高，分布较窄，且缺陷分布越均匀，频谱上的边频越高越窄。

3）附加脉冲

 

失衡、不对中、及机械松动等缺陷都会引起附加脉冲。由于附加脉冲是直接迭加在齿轮的常规振动上的，而不是以调制的形式出现的，且频率是小于齿轮

的旋转频率的低次谐波。所以附加脉冲与幅值调制、频率调制效应不同，前者的幅值不对称于时间轴线、且在齿轮的啮合频率（f_m）两侧不形成边频带；后者的幅值却对称于时间轴线。值得注意的是，当齿轮出现严重局，附加脉冲缺陷时，如严重剥落、断齿等也会产生附加脉冲的。

4）齿轮轴不对中

齿轮轴不对中,会产生齿轮啮合频率（f_m）的两倍边频带（f_m±2f_r），详见上图所示。

5）齿轮安装偏心

当齿轮安装偏心时，将会出现齿轮轴不对中频谱。

              （f_m – n f_r）边频带

也就是说边频带仅集中在齿轮啮合频率（f_m）的左侧，而右侧却为空白。

6）齿距误差、载荷波动、联轴节不平衡齿轮安装偏心边频带，

当出现齿距误差、载荷波动、联轴节不平衡时，其特征是会在齿轮啮合频率（f_m）的两侧形成（f_m±nf_r，n = 1，2，3，…）的一簇的边频带，齿距误差、载荷波动、联轴节不平衡边频带。

测振仪齿轮故障——齿轮的追逐齿频率

所谓“追逐齿频率”就是指齿轮上的某个齿与另一个齿轮上的某个特定齿相啮合的频率。齿轮在旋转过程中假定有一对齿啮合不良，在它们相遇时就会产生一次较大的冲击。那么这一对齿在第一次相遇后需要经过多少转或者需要经过多长时间（追逐齿频率的倒数）才能相遇呢？即其相遇的频率（“追逐齿频率”）是多少呢？长此下去，其中一个齿会因自身的缺陷而重复的去冲击另一齿轮与它固定相遇的好齿，从而引起这个好齿的局部不均匀磨损和损伤将会越来越严重。伴随着的吼叫声也会越来越大。

如果齿数比为整数，如1、2、3等，则对应的追逐齿频率就等于较大齿轮的转速；如果齿数比不为整数，则对应的追逐齿频率就等于齿轮啮合频率除以两个齿轮齿数的最小公倍数。最小公倍数通常就等于两个齿轮齿数的乘积。

通过在频谱图上辨别齿轮的追逐齿频率，也可以作为判断轮齿早期故障（故障可能是在制造、安装的过程中产生的）的一种辅助手段。

齿轮的追逐齿频率及追逐时间计算公式为：

追逐齿频率= 齿轮啮合频率/两个齿轮齿数的最小公倍数   
追逐时间= 1/追逐齿频率（赫兹）              

注：测振仪系列知识讲座为连载文章，大家感兴趣的话，请继续往下阅读。阅读本文的用户还对以下文章感兴趣：
测振仪故障机械松动--测振仪系列知识讲座十七
测振仪状态监测和故障诊断成效评价
测振仪振动原因及破坏诊断方式