齿轮故障的振动诊断技术

齿轮失效是造成机器故障的重要因素之一。 据统计,在齿轮箱的各类零件的失效比例分别为:轴承19%、轴10%、箱体7%、紧固件3%、油封1%,而齿轮失效的比例则高达60%。 齿轮失效后,会引起异常振动,通过对振动特性的分析,便可对故障进行诊断。 引起齿轮振动的原因大致有如下三类:

1)制造误差引起的齿轮失效

齿轮制造时造成的主要误差有偏心、齿距偏差和齿形误差等,当齿轮的这些误差较严重时,会引起齿轮传动中忽快忽慢,使啮合时产生冲击,引起较大噪声等。

2)由于箱体、轴等零件的加工误差及装配方法等因素引起的齿轮失效

齿轮装配后会在齿宽方向产生只有一端接触或齿轮轴的直线性偏差(不同轴、不对中)等现象。 在这种情况下,齿轮所承受的载荷在齿顶方向是不均匀的,因此会使齿轮的局部受力增加,个别齿载荷过重,从而引起齿轮的早期磨损甚至断裂。

3)齿轮使用中的齿面损伤失效

齿轮使用中的齿面损伤失效主要为磨损失效、表面接触疲劳失效、塑性变形失效、轮齿损伤失效等。

(1）齿轮的振动机理

在齿轮传动过程中,每个轮齿是周期性地进入和退出啮合的,以直齿圆柱齿轮转动为例,其啮合区分为单齿啮合区和双齿啮合区。 在单齿啮合区,全部载荷由一对齿副承担,当进入双齿啮合区时,载荷则分别由两对齿副按其啮合刚度的大小分别承担(啮合刚度是指啮合齿副在其啮合点处抵抗挠曲变形和接触变形的能力)。 在这个过程中,引起齿轮振动的原因大致有以下三个方面:

1)齿副载荷变化

在单、双齿啮合区的交变部位,每对齿副所承受的载荷会发生突变,这种突变必将激发齿轮的振动。

2)啮合刚度变化

在传动过程中每个轮齿的啮合点均从齿根向齿顶(主动齿轮)或从齿顶向齿根(从动齿轮)逐渐移动,由于啮合点沿齿高方向不断变化,各啮合点处齿副的啮合刚度也随之改变,这种啮合刚度的变化,也将激发齿轮产生振动。

3)轮齿受载变形

齿轮在传动过程中其轮齿因受载变形会使基圆齿距发生变化,这将使轮齿进入啮合和退出啮合时产生啮入冲击和啮出冲击,从而使齿轮振动加剧。

由于以上原因引起的齿轮振动是以每齿啮合为基本频率进行的,其频率的高低与齿轮的转速、齿数等有关。 当齿轮失效时,振动会加剧,随之会产生一些新的频率成分,齿轮故障的振动诊断就是利用这些特征频率进行的。

(2）齿轮故障振动诊断的特征频率

1)轴的转动频率及其谐频

由于齿轮-轴系统不平衡引起的离心惯性力,使齿轮-轴系统产生强迫振动,当转动频率接近齿轮-轴系统横向振动的固有频率时,将产生临界转速现象,使转轴大幅度变形,恶化齿轮的啮合关系,造成更大的振动。

齿轮及轴的转动频率fr 为

式中　n——齿轮及轴的转速, r/min。

若齿轮已有一齿断裂,每转动一周轮齿将猛烈冲击一次,此时的振动频率结构将增加谐频成分,谐频为转动频率的整倍数,如2fr,3fr,…。

2)啮合频率

齿轮在啮合中由于节线冲击、啮合冲击、轮齿弹性、变形误差与故障等会使齿与齿之间发生冲击,冲击的频率称为啮合频率。(www.xing528.com)

定轴转动齿轮的啮合频率为

式中　fr1——主动轮的旋转频率,Hz;

z1——主动轮的齿数;

fr2——从动轮的旋转频率,Hz;

z2——从动轮的齿数。

齿轮以啮合频率振动的特点如下:

①振动频率随转速变化而变化。

②当啮合频率或其高阶谐频接近或等于齿轮某阶固有频率时,齿轮将产生强烈振动。

③由于齿轮固有频率一般较高,因此这种振动振幅不大,常表现为强烈噪声。

(3）齿轮故障的振动诊断

齿轮故障的振动诊断是通过分析振动特性或由振动产生的噪声频谱实现的。 齿轮振动诊断的主要项目是齿轮的偏心、齿距误差、齿形误差、齿面磨损和齿根部裂纹等。

齿轮工作中发生异常时的振动特性见表5.5。

表5.5　齿轮异常及其振动特性

由表5.5 可知,各种齿轮异常的振动特性具有如下特点:

①当齿轮所有齿面均产生磨损或齿面上有裂痕、点蚀、剥落等损伤时,其振动频谱中存在啮合频率的2 次、3 次及高次谐波成分。

②当齿轮存在偏心时,齿轮每转中的压力时大时小地变化,致使啮合振动的振幅受旋转频率的调制,其频谱包括旋转频率fr、啮合频率fm 成分及其边频带fm ±fr。

③齿轮回转质量不平衡。 主要频率成分为旋转频率fr 和啮合频率fm,但旋转频率振动的振幅较正常情况大。

④齿轮局部性缺陷是指齿轮个别轮齿存在折损、齿面磨损、点蚀、齿根裂纹等局部性缺陷时,在啮合过程中,该齿轮将激发异常大的冲击振动,在振动波形上出现较大的周期性脉冲幅值,其主要频率成分为旋转频率fr 及其高次谐波nfm。

⑤当齿轮存在齿距误差时,齿轮在每转中的速度会变化,致使啮合振动的频率受旋转频率振动的调制,其频谱包括旋转频率fr、啮合频率fm 成分及其边频带fm ±nfr(n=1,2,3,…)。

⑥高速涡轮增速机中所用的齿轮,其啮合频率高达5 kHz 以上,其振动特性与常速旋转齿轮有所不同。 常速旋转的齿轮,其振动波形包含啮合频率和啮合冲击引起的自由振动的固有频率两个主要成分;而高速旋转的齿轮,因啮合频率大于固有频率,故齿轮只发生啮合频率成分的振动,而不发生固有频率的振动。 两种转速下的齿轮振动特性比较见表5.6。

表5.6　常速和高速齿轮的振动特性比较表

注: fm——啮合频率; fe——齿轮的固有频率。