齿轮传动系统的故障诊断方法研究

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1、齿轮传动系统的故障诊断方法研究1引言随着5学技术的不断进步，机械设备向着高性能、高效率、高自动化和高可靠性的方向发展。齿轮由于具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，是改变转速和传递动力的最常用的传动部件，是机械设备的一个重要组成部分，也是易于故障发生的一个部件，其运行状态对整机的工作性能有很大的影响。在机械设备运转过程中，齿轮传动系统通过主、从动齿轮的相互啮合传递运动和能量，这个过程将产生一定形式的机械振动。而诸如磨损、点蚀、制造误差、装配误差等齿轮和齿轮传动系统的各种缺陷和故障必然引起机械振动状态（或信

2、号）发生变化。因此，在齿轮传动系统的振动信号中，蕴涵有它的健康状态（故障与无故障）信息，监测和分析振动信号自然就可以诊断齿轮和齿轮传动系统的故障02影响齿轮产生振动的因素在齿轮的传动啮合过程屮，影响齿轮产生振动的原因很多，有人周期的误差也有小周期的误差。产生大周期振动的因素主要是齿轮加工过程中的运动偏心和几何偏心以及安装中的对中不良；产生小周期振动的因素主要有齿轮加工中的主轴回转误差，啮合刚度的变化，齿轮咆入、啮出冲击，以及在运行过程中产生的断齿、齿根疲劳裂纹、齿面磨损、点蚀剥落、严重胶合等等。其中啮合刚度的周

3、期性变化是齿轮系统振动的重要激振源之一。它的周期性变化主要由以K两个原因所致:一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一齿轮的刚度发生了变化；二是参加啮合的齿数在变化。如图1所示，在啮合开始时（A点），主动轮齿1在齿根处咄合，弹性变形较小；被动齿轮2在齿顶处啮合，弹性变形大，而在啮合终止吋（D点），情况则相反。设齿副I的啮合刚度为k:,齿副n的啮合刚度为k2,则总的啮合刚度为k=k,k2。由图1可以看出总的啮合刚度随着从单啮合区到双啮合区而作周期性的变化。图1直齿轮嚙合刚度变化图当齿轮存在人周期故障时，如运动偏心

4、和几何偏心，则仿真出來的齿轮啮合振动信号的频谱图形如图2所示。由图中可以知道，随着齿轮大周期误差幅值的增大，谐波分量的幅值也会线性增大。而以啮合频率为中心以旋转频率为间隔的边带频率是由于信号调制产生的，即高频的齿轮啮合频率受到齿轮的旋转频率的调制,且随着大周期误差的增大而增大。图2齿轮偏心时的频谱图当齿轮存在诸如点蚀剥落等小周期误差时，则仿真出来的齿轮啮合振动信号的频谱图形如图3所示。齿轮在运转过程中存在小周期误差吋齿轮的运转速度大小会有所变化，当小周期误差大时这种现象会更加严重。根据频率调制理论可知，齿轮的运

5、转振动信号的频谱图会形成啮合频率及其高次谐波以及分布在它们周围的以旋转频率为间隔的边带成分，它们的振幅随故障的恶化面加大。图3齿轮点蚀剥落故障时的频谱图3齿轮故障诊断的方法在各种齿轮故障诊断方法中，以振动检测为基础的齿轮故障诊断方法具冇测量简便、实时性强等优点，通过测量齿轮运行过程屮所产生的振动信号，作为故障诊断的重耍信息来源，是一种理想的齿轮传动状态的在线运行监测工具。振动检测和故障诊断的关键是怎样从复杂的振动信号中提取和分离与齿轮故障特征有关的微弱信息。目前研宄和应用的振动检测与故障诊断的方法可以分为以下几

6、类:3.1时域法在状态监测和故障诊断的过程屮，我们常常会直接利用振动时域信号进行分析并给出结果，这是最简单且最直接的方法，特别是当信号中明显含有简谐成分、周期成分或瞬时脉冲成分时更为有效。当然这种方法要求分析人员具有比较丰富的实际经验。振动时域波形是一条时间历程的波动曲线。根据测量所用传感器类型的不同，曲线的幅值可代表位移、速度或加速度。进行波形分析时，主要采用如下特征量，也称示性指标：（1）振动幅值，振动幅值包括峰值、有效值（均方根值）和平均幅值，其中峰值又分为零峰值和峰-峰值。（2）振动周期与频率，不同的故

7、障源通常会产生不同频率的机械振动，因此频率分析在故障诊断中占有十分重要的地位。（3）相位，在实际应用中，相位主要用于比较不同振动运动之间的关系，或确定一个部件相对于另一个部件的振动状况。通常不同振源产生的振动具有不同相位。（4）其它指标为Y有效描述复杂的振动，在实际应用屮也经常使用一些示性指标如：偏度、峭度，有时还需要利用一些无量纲示性指标来完成诊断或进行趋势分析，如：峰态因数、波形因数、脉冲因数、峰值因数、裕度因数等无量纲示性指标。它们的诊断能力由大到小依次为：峰态因数裕度因数脉冲因数峰值因数——波形因数。3

8、.2频域法频谱分析是在频域中对原信号分布情况的描述，通常能够提供比时域波形更加直观的特征信息。因此频谱〔包括功率谱和幅值谱等）被广泛用作为故障诊断的依据。频谱可以通过傅里叶变换的方式获取。值得一提的是，机器振动频谱中，有些振动分量虽然较大，但不随吋间而变化，对机器的正常运行也不会构成什么威胁。相反有一些幅值较小，但增长很快的频率分量却往往预示着故障的产生和发展，应该引起足够的重视。3.