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1、 典型故障特征
泰興減速機2018年11月6日訊 利用振動理論和試驗研究分析了齒輪箱中齒形誤差、齒輪均勻磨損、箱體共振、軸輕度彎曲、斷齒、軸不平衡、軸嚴重彎曲、軸向竄動、軸承疲勞剝落和點蝕九種典型故障的振動特征。
1.1 齒形誤差
齒形誤差時，頻譜產(chǎn)生以嚙合頻率及其高次諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的嚙合頻率調制現(xiàn)象，譜圖上在嚙合頻率及其倍頻附近產(chǎn)生幅值小且稀疏的邊頻帶；解調譜上出現(xiàn)轉頻階數(shù)較少，一般以一階為主。而當齒形誤差嚴重時，由于激振能量較大，產(chǎn)生以齒輪各階固有頻率為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的齒輪共振頻率調制現(xiàn)象。
圖 1 為某水磨機減速器齒形不好時的頻譜圖、解調譜圖。該齒輪副嚙合頻率為 281.75HZ，轉頻為12.35HZ，從解調譜圖上可以看出，一階轉頻很大，而其倍頻幅值較小或沒有出現(xiàn)。
齒形誤差的主要特征為：
（1）以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的嚙合頻率調制；當齒形誤差嚴重時，由于激振能量較大，以齒輪各階固有頻率為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的齒輪共振頻率調制；
（2）振動能量（包括有效值和峭度指示）有一定程度的增大；
（3）包絡能量（包括有效值和峭度指示）有一定程度的增大。
1.2 齒輪均勻磨損
齒輪均勻磨損時由于無沖擊振動信號產(chǎn)生，所以不會出現(xiàn)明顯的調制現(xiàn)象。當磨損發(fā)展到一定程度時，嚙合頻率及其各階諧波幅值明顯增大，而且階數(shù)越高，諧波增大的幅度越大。同時，振動能量（包括有效值和峭度指標）有較大幅度的增加。
圖 2為某水泥磨機減速機齒輪均勻磨損頻譜圖，均勻磨損后出現(xiàn)了嚙合頻率（52.5HZ）及其2 倍頻（103.5HZ）、3倍頻、4倍頻、5 倍頻，根據(jù)測試的結果來看，各階諧波幅值明顯增高，高階增大的幅度大。
齒輪均勻磨損的主要特征為：
（1）齒輪嚙合頻率及其諧波的幅值明顯增大，階數(shù)越高，幅值增大的幅度越大；
（2）振動能量（包括有效值和峭度指標）有較大幅度的增加。
1.3 箱體共振
箱體共振時，在譜圖上出現(xiàn)了箱體的固有頻率成份，一般情況下共振能量很大，而其它頻率成份則很小或沒有出現(xiàn)。
圖3為某水泥磨機發(fā)生箱體共振時的頻譜圖。從圖中可以看出，磨機大齒輪嚙合頻率 52.50HZ （箱體固有頻率在52.50HZ附近）振動能量很大，該機停機后進行測試后發(fā)現(xiàn)該頻率成份由該車間的另一臺同種號的水泥磨機通過地基傳過來引起減速機殼共振幅值仍較大。
箱體共振的主要特征為振動能量很大。
1.4 斷齒
斷齒時域表現(xiàn)為幅值很大的沖擊型振動，頻率等于有斷齒軸的轉頻。而頻域上在嚙合頻率及其高次諧波附近出現(xiàn)間隔為斷齒軸轉頻的邊頻帶；邊頻帶一般數(shù)量多、幅值較大、分布較寬。解調譜中常出現(xiàn)轉頻及其高次諧波，甚至出現(xiàn) 10 階以上。同時由于瞬態(tài)沖擊能量大，時常激勵起固有頻率，產(chǎn)生固有頻率調制現(xiàn)象。
圖 4 為某東風 EQ—140 變速箱中間軸常嚙合齒輪斷齒時振動加速度時域信號、頻譜、細化譜及解調譜，在斷齒齒輪 1 階嚙合頻率468.7HZ附近出現(xiàn)明顯的有上述特點的邊頻帶，解調譜出現(xiàn)調制頻率為中間軸的轉頻 11.07HZ 及高次諧波。由于斷齒產(chǎn)生的瞬態(tài)沖擊能量大，時常激勵起齒輪固有頻率，產(chǎn)生固有頻率調制現(xiàn)象，圖4（D）上出現(xiàn)了一組以1082HZ 為中心頻率（自由態(tài)下斷齒齒輪某階固有頻率為1069HZ），以中間軸轉頻 ’11.07HZ為調制頻率的邊頻帶。在另一次變速箱中間軸常嚙合齒輪斷齒時也發(fā)現(xiàn)了上述現(xiàn)象。
斷齒的主要特征為：
（1）以齒輪嚙合頻率及其高次諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的嚙合頻率調制，調制邊頻帶寬而高，解調譜出現(xiàn)所在軸的轉頻和多次高階諧波；
（2）以齒輪各階固有頻率為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的齒輪共振頻率調制，調制邊頻帶寬而高，解調諧出現(xiàn)所在軸的轉頻和多次高階諧波；
（3）振動能量（包括有效值和峭度指標）有較大幅度的增加；
（4）包絡能量（包括有效值和峭度指標）有較大幅度的增加。
圖 4 變速箱斷齒振動信號及譜圖
1.5軸輕度彎曲
軸輕度彎曲時，在齒輪傳動中將導致齒形誤差，形成以嚙合頻率及其倍頻為載波頻率，以齒輪所在軸轉頻為調制頻率的嚙合頻率調制現(xiàn)象，如果彎曲軸上有多對齒輪嚙合，則會出現(xiàn)多對嚙合頻率調制。但一般譜圖上邊帶數(shù)量少而稀，它與齒形誤差雖有類似的邊帶，但其軸向振動能量明顯加大。
圖 5為一臺 車床 V 軸發(fā)生了 300um左右的2 階軸彎曲時的振動速度頻譜、細化譜和解調譜，譜圖上出現(xiàn)了以19/76 齒的IV 軸與 V 軸嚙合頻率262.8HZ的 2 倍頻 526.6HZ為中心頻率，以V 軸轉頻 3.45HZ 為調制頻率的邊頻帶。
軸輕度彎曲的主要特征為：
（1）以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的嚙合頻率調制，調制邊頻帶數(shù)量少而稀，解調譜上一般只出現(xiàn)所在軸的轉頻；
（2）如果彎曲軸上有多對齒嚙合，則會出現(xiàn)多對嚙合頻率調制；
（3）振動能量（包括有效值和峭度指標）有一定程度的增加；
（4）包絡能量（包括有效值和峭度指標）有一定程度的增加。
1.6軸嚴重彎曲
軸嚴重彎曲時，時域有明顯的沖擊振動，以一定的時間間隔出現(xiàn)，沖擊持續(xù)了整個周期的1/3 以上，這與單個斷齒和集中型故障產(chǎn)生的沖擊振動有明顯區(qū)別，這是軸嚴重彎曲造成的齒輪嚙合過程中連續(xù)多次沖擊振動構成的一次大的沖擊過程。當沖擊能量很大時激勵起箱體的固有頻率，振幅很大。軸嚴重彎曲振動能量很大，為一種嚴重故障，產(chǎn)生箱體共振調制現(xiàn)象。軸嚴重彎曲時，形成以嚙合頻率及其倍頻、齒輪固有頻率、箱體固有頻率為載波頻率，以齒輪所在軸轉頻為調制頻率的嚙合頻率調制現(xiàn)象，如果彎曲軸上有多對齒輪嚙合，則會出現(xiàn)多對嚙合頻率調制。譜圖上邊帶數(shù)量較寬，軸向振動能量明顯加大。
圖 6 為一臺6立式車床傳動箱 IV 軸嚴重彎曲時振動加速度的時域波形、解調譜，圖 6 （b）中出現(xiàn)了IV 軸轉頻 3.47HZ及其倍頻的調制頻率。
軸嚴重彎曲的主要特征為：
（1）以齒輪嚙合頻率及其諧波、齒輪固有頻率、箱體固有頻率為載波頻率，以齒輪所在軸轉頻為調制頻率的嚙合頻率調制，如果彎曲軸上有多對齒輪嚙合，則會出現(xiàn)多對嚙合頻率調制，譜圖上邊帶數(shù)量較寬，解調譜上出現(xiàn)所在軸的轉頻和多階高次諧波；
（2）如果彎曲軸上有多對齒輪嚙合，則會出現(xiàn)多對嚙合頻率調制；
（3）振動能量（包括有效值和峭度指標）有較大程度的增加；
（4）包絡能量（包括有效值和峭度指標）有大幅度的增加。
1.7軸向竄動
當軸上有兩個同時參與嚙合的斜齒輪時，有時會發(fā)生軸向竄動現(xiàn)象。此時，時域表現(xiàn)為頻率與有故障軸上相嚙合的兩對齒輪中較大的嚙合頻率相等，一周內有正負各一次大的尖峰沖擊振動，頻域中嚙合頻率幅值明顯增大。
圖7 變速箱疲勞壽命試驗中一次中間軸后軸承在軸上裝配不到位，軸承鎖緊螺母沒擰緊，松動，中間軸發(fā)生軸向竄動時振動加速度時域信號和頻譜，由于中間軸上常嚙合輪與2、3、4 檔齒輪旋向相反，齒輪從一對齒嚙合過渡到另一對齒嚙合過程中軸向合力大小方向變化一個周期，軸竄動一個周期，一次往復運動中兩次換向時產(chǎn)生沖擊，如圖 7（a）為一正一負兩個沖擊，其頻率成分與竄動軸上較大嚙合頻率469.97HZ 一致，嚙合頻率幅值增大（如圖7（b））。
軸向竄動的主要特征為：
（1）一根軸上有方向相反的兩個斜齒輪；
（2）有故障軸上齒數(shù)多的齒輪嚙合頻率的幅值大幅度增加；
（3）振動能量（包括有效值和峭度指標）有較大程度的增加。
1.8軸有較嚴重的不平衡
軸有較嚴重的不平衡時，在齒輪傳動中將導致齒形誤差，形成以嚙合頻率及其倍頻為載波頻率，以齒輪所在軸轉頻為調制頻率的嚙合頻率調制現(xiàn)象，但一般譜圖上邊帶數(shù)量少而稀。但在譜圖中其有故障軸的轉頻成分明顯加大。
圖 8 為一臺新制造的 精密車床在出廠前檢驗發(fā)現(xiàn)輸出軸發(fā)生有較嚴重不平衡時的振動加速度和速度頻譜、細化譜和解調譜，譜圖上出現(xiàn)了以39/44齒的嚙合頻率1198.85HZ 為中心頻率，以輸出軸和與其嚙合的軸的轉頻30.59HZ和 25.39HZ.為調制頻率的邊頻帶，并且轉頻成分的幅值相當大。
軸有較嚴重的不平衡時的主要特征：
（1）以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的嚙合頻率調制，調制邊頻帶數(shù)量少而稀，解調譜上一般只出現(xiàn)所在軸的轉頻；
（2）有故障軸的轉頻成分有較大程度的增加；
（3）振動能量（包括有效值和峭度指標）有一定程度的增加；
（4）包絡能量（包括有效值和峭度指標）有一定程度的增加。
1.9 軸承疲勞剝落和點蝕
滾動軸承內外環(huán)及滾動體疲勞剝落和點蝕后，在其頻譜中高頻區(qū)外環(huán)固有頻率附近出現(xiàn)明顯的調制峰群，產(chǎn)生以外環(huán)固有頻率為載波頻率，以軸承通過頻率為調制頻率的固有頻率調制現(xiàn)象。由于滾動軸承產(chǎn)生的振動在傳動箱中與齒輪振動相比能量較小，解調譜中調制頻率幅值較小，一般只出現(xiàn)1 階。
圖 9 為 變速箱中間軸后軸承（型號50308）內圈滾道有1/2 圈嚴重疲勞剝落，另半圈有一處大的剝落坑時振動加速度頻譜和濾波后解調譜。在2000—3000HZ 范圍內2258.3HZ 頻率附近出現(xiàn)了含有34.79HZ和23.80HZ成分的調制峰群，而實測自由態(tài)下外環(huán)一階固有頻率為2246.09HZ，計算所得外環(huán)及滾動體通過頻率分別為34.47HZ 和34.06HZ。由于滾動軸承產(chǎn)生的振動在傳動箱中與齒輪振動相比能量較小，解調譜中調制頻率幅值較小，一般只出現(xiàn) 1階（如圖9 （b））。
2、 診斷策略
為了綜合利用典型故障的特征，必須采用對加速度和速度進行兩時域（原始時域信號和包絡時域信號）特征值分析和三頻域（頻譜、細化譜、解調譜）分析的方法。由于振動信號的時域均方值反映了平均振動能量，時域峰值、峭度和峰值指標在一定程度上反映出振動信號是否含有沖擊成分，而包絡時域均方值可直接反映出振動信號包絡大小，峰值、峭度和峰值指標則可直接反映出振動沖擊信號的尖銳程度，所以在時域一般選用這四個特征值作為診斷參量。在齒輪箱故障診斷中頻譜主要用于分析振動加速度信號中齒輪嚙合頻率和軸承內、外環(huán)固有頻率等中高頻成分；細化譜主要用于分析振動速度信號中各軸轉頻和軸承各組件通過頻率等低頻成分；解調譜主要用于分析振動加速度信號中各軸轉頻和軸承各組件通過頻率等低頻成分。
齒輪箱因結構的復雜性，其振動的頻率成分很多，故一定要在建立檔案的基礎上來判斷是否存在故障，并在此基礎上進行故障診斷。建檔分為如下幾個方面：
（1）機器特征和參數(shù)特征：主要是建立各軸的轉頻、齒輪嚙合頻率、滾動軸承運動學和動力學特征頻率，設置振動速度和加速度的報警系數(shù)，為建檔和診斷建立相關參數(shù)表。
（2）在線或離線建檔：在診斷前必須建立被診斷齒輪箱各測點的振動速度的時域信號和包絡時域信號特征值的檔案值，振動加速度的中高頻頻域檔案，振動速度的低頻檔案，并建立相應的頻譜界限檔案，這些值和界限檔案是診斷的基礎。
3、 總 結
齒輪箱故障診斷應用的信號處理方法有時域分析和頻域分析兩個方面。時域分析常用統(tǒng)計值有均值、均方值、方差、均方根值、均方幅值、峭度和峰值指標等。頻域分析包括頻譜分析、細化譜分析和解調譜分析。本文利用振動理論和試驗研究分析了齒輪箱中九種常見的典型故障的振動特征，并提出采用在建檔基礎上對加速度和速度進行兩時域（原始時域信號和包絡時域信號）特征值分析和三頻域（頻譜、細化譜、解調譜）分析的方法進行齒輪箱自動診斷或智能診斷的策略。由于齒輪箱的結構復雜，工作環(huán)境一般比較惡劣，各種干擾較大，涉及問題較多，齒輪箱典型故障的提取是一項難度較大的工作，還需要進一步研究。