机械故障诊断学钟秉林第章旋转机械的状态检测与故.pptx

第10章 旋转(xunzhun)机械的状态监视与故障诊断 l 机械振动及其种类(zhngli)l 转子(zhun z)系统振动故障诊断 机械故障诊断理论与方法第3篇 机械故障诊断技术的工程应用 2023/3/171内容安排l齿轮箱故障诊断l滚动轴承的振动信号分析应用篇。工程领域进行理论探索、方法研究和技术开发的终极目标终极目标是将其有关成果成功地应用于工程实践，取得直接的经济效益和社会效益。第一页，共161页。n旋转机械故障诊断技术是近些年来国内外开展广泛研究，发展比较成熟的故障诊断技术，具有一定的代表性，因此是应用篇的重点部分。n旋转机械是指齿轮箱、离心风机、离心泵、汽轮机、燃气轮机(rnqlnj)、发电机、电动机、离心压缩机、水轮机、航空发动机等机械设备，可见，机械设备中大部分都是旋转机械，它们广泛应用于电力、石化、冶金、机械、造纸、船舶、航空以及军事等重要工程领域。一、概述(i sh)2023/3/172第二页，共161页。n旋转机械运行速度一般较高，且往往是关键设备，其工况状态影响机器设备自身的安全稳定、甚至可能导致重大经济损失、机毁人亡的事故。n随着(su zhe)科学技术和现代工业的发展，旋转机械正朝着大型、高速和自动化方向发展，这对提高安全性和可靠性，发展先进的状态监测与故障诊断技术，提出了迫切要求。n本章以旋转机械中最基本的转子系统、齿轮箱和轴承为对象，讨论工况监视和故障诊断方法。一、概述(i sh)2023/3/173第三页，共161页。一、概述(i sh)2023/3/174第四页，共161页。n在众多可用于检测与诊断的信号中，如振动、温度、压力、声响、位移、变形等，振动信号能够迅速、直接地反映机械设备的运行状态。n据统计，70%以上的故障都是以振动形式表现出来，用振动方法可以发现(fxin)使用中的航空发动机故障的34%。n关于振动的一些概念：二、振动(zhndng)基础2023/3/175第五页，共161页。2.1机械振动及其种类(zhngli)机械振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象。各种机械在运动时，由于诸如旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑(rnhu)不良、支撑松动等因素，总是伴随着各式各样的振动。二、振动(zhndng)基础2023/3/176第六页，共161页。振动测试的3个基本参数：幅值、频率和相位。幅值幅值是振动强度大小的标志，它可以用不同的方法表示，如单峰值、有效值、平均值等；频率为周期的倒数。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而可以寻找振源，采取措施；相位振动信号的相位信息十分重要，利用相位关系确定共振(gngzhn)点、振型测量、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。二、振动(zhndng)基础2023/3/177第七页，共161页。机械振动稳态振动能够用数学式明确表示的函数随机振动需用数理统计方法来描述周期振动振动以周期T重复出现非周期振动振动无固定的周期平稳随机振动振动统计特性对时间为常数非平稳随机振动振动统计特性随时间而变化二、振动(zhndng)基础2023/3/178n从统计(tngj)角度，旋转机械振动可分成：第八页，共161页。2.2简谐振动简谐振动是最基本的周期运动，周期运动都可以用多个不同频率(pnl)的简谐运动的组合来表示。简谐振动的运动规律可以用简谐函数表示：位移(wiy)速度(sd)加速度二、振动基础2023/3/179第九页，共161页。2.3周期(zhuq)振动n周期(zhuq)振动的定义：n（按周期(zhuq)T重复）n周期函数可以展开(zhnki)为傅里叶级数：旋转机械的振动过程是一个以周期振动为主导主导的 随机过程。二、振动基础2023/3/1710第十页，共161页。2.4转子(zhunz)的临界转速旋转机械在启停升降速过程中，往往在某个(或某几个)转速下出现振动急剧增大(znd)的现象，有时甚至在工作转速下振动也比较强烈。其振动原因往往是由于转子系统处于临界转速附近产生共振：二、振动(zhndng)基础第十一页，共161页。在无阻尼的情况下，转子的临界转速等于其横向固有频率；在有阻尼的情况下，转子的临界转速略高于其横向固有频率。转子的临界转速个数与转子的自由度相等。对实际转子来说，理论上有无穷多个临界转速，但由于转子的转速限制(xinzh)，往往只能遇见数个临界转速。二、振动(zhndng)基础2023/3/1712第十二页，共161页。刚性(nxn)转子准刚性(nxn)转子挠性转子第一(dy)阶临界转速 二、振动(zhndng)基础2023/3/1713n根据转子的工作转速n与其第一阶临界转速ncr1之间的关系，可划分为划分为：第十三页，共161页。3.1旋转机械振动评定(pngdng)标准目前最常采用的是通频振幅来衡量机械运行状态的，根据所使用(shyng)传感器的种类分为：轴承振动评定利用接触式传感器(例如磁电式振动速度传感器或压电式振动加速度传感器)放置在轴承座上进行测量；三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1714第十四页，共161页。轴振动值评定轴振动值评定 这这可可利利用用非非接接触触式式传传感感器器(例例如如电电涡涡流流式式传传感感器器)测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。测量轴相对于机壳的振动值或轴的绝对振动值。评评定定参参数数可可用用振振动动位位移移峰峰峰峰值值和和振振动动烈烈度度(即即均均方方根根(fnggn)值，它代表了振动能量的大小值，它代表了振动能量的大小)来表示。来表示。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1715第十五页，共161页。q以轴承振动位移峰峰值作评定(pngdng)标准转速/rpm标准/mm优良合格15003050703000203050水电部汽轮机组振动(zhndng)标准(双振峰)三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/17162023/3/1716第十六页，共161页。机械部离心(lxn)鼓风机和压缩机振动标准标准转速/mm300065001000010000-16000主轴主轴轴承50403020齿轮齿轮轴承404030三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1717第十七页，共161页。IEC汽轮机振动汽轮机振动(zhndng)标准标准标准转速/mm10001500300036006000轴承轴承上7550252112轴轴上(靠近轴承)150100504420三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1718第十八页，共161页。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1719可以看出(knch)转速低，则允许的振动值大；转速高，允许的振动值小。第十九页，共161页。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1720可以看出转速(zhuns)低，则允许的振动值大；转速(zhuns)高，允许的振动值小。第二十页，共161页。在制定上述振动标准时，假设：在制定上述振动标准时，假设：机组振动为单一频率的正弦波振动；机组振动为单一频率的正弦波振动；轴承振动和转子振动基本上有一固定的比值，因此轴承振动和转子振动基本上有一固定的比值，因此 可利用可利用(lyng)轴承振动代表转子振动；轴承振动代表转子振动；轴承座在垂直、水平方向上的刚度基本上相等，即轴承座在垂直、水平方向上的刚度基本上相等，即 认为是各向同性的。认为是各向同性的。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1721第二十一页，共161页。实际证明上述假设与事实不尽相符：实际证明上述假设与事实不尽相符：所测得的振动多数是由数种频率的振动合成的；所测得的振动多数是由数种频率的振动合成的；转子振动和轴承座振动的比值，可以是转子振动和轴承座振动的比值，可以是250倍，倍，它它和和轴轴承承型型式式，间间隙隙、轴轴承承座座刚刚度度、油油膜膜特特性性等有等有 关，且同类机组亦不尽相同；关，且同类机组亦不尽相同；轴承组水平刚度明显低于垂直刚度；轴承组水平刚度明显低于垂直刚度；因因此此，为为了了较较全全面面的的反反映映机机组组的的振振动动情情况况，必必须须制定其它制定其它(qt)的振动标准：的振动标准：三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1722第二十二页，共161页。q以轴承振动(zhndng)烈度作为评定标准n振动(zhndng)烈度三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1723第二十三页，共161页。ISO3945振动标准：适用于大于 300kW，转速为60012000r/min的大型原动机和其它具有(jyu)旋转质量的大型机器，例如电动机和发电机、蒸汽轮机和燃气轮机、涡轮压缩机、涡轮泵和风扇等。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1724第二十四页，共161页。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1725第二十五页，共161页。2023/3/1726第二十六页，共161页。草案(con)三、转子(zhun z)系统振动故障诊断第二十七页，共161页。q以轴振动的位移(wiy)峰峰值作为评定标准n美国石油学会给出了功率不超过1000kW的中小型涡n轮机械轴振动的振动标准(biozhn)API617，其振动许可值为：n式中：A振动许可值（双振幅），单位：m;nn机器转速，单位为r/min。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1728第二十八页，共161页。趋势(qsh)监测三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1729第二十九页，共161页。分频段(pndun)监测三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1730第三十页，共161页。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1731第三十一页，共161页。3.2监测(jinc)参数及分析方法q监测参数q动态参数q振幅表示(biosh)振动的严重程度，可用位移、速q度或加速度表示(biosh)；qq振动烈度描述机器振动状态的一种特征量；q相位对于确定旋转机械的动态特性、故障q特性及转子的动平衡等具有重要意义。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1732第三十二页，共161页。静态参数轴心位置在稳定情况下，轴承(zhuchng)中心相对于转轴轴颈中心的位置；轴向位置是机器转子上止推环相对于止推轴承的位置；差胀旋转机械中转子与定子之间轴向间隙的变化值。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1733第三十三页，共161页。n对中度指轴系转子之间的连接对中程度，它n与各轴承之间的相对位置有关；n温度轴瓦温度反映轴承运行情况；止推瓦n反映轴承和静止部件的轴向间隙。n润滑油压反映滑动轴承(hudnzhuchn)油膜的建立情况。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1734第三十四页，共161页。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1735第三十五页，共161页。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1736第三十六页，共161页。涡流(wli)传感器的安装三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1737第三十七页，共161页。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1738第三十八页，共161页。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1739第三十九页，共161页。相对(xingdu)轴位移三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1740第四十页，共161页。相对(xingdu)轴膨胀三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1741第四十一页，共161页。输入保护滤波正峰值保持负峰值保持峰峰峰峰叠叠加加比较比较电路电路报警门限精密稳压源振动信号振动(zhndng)信号峰峰值超限报警原理三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1742第四十二页，共161页。间接测量电机(dinj)电流三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1743第四十三页，共161页。1-20均为齿轮，其中5，6，17，18为涡轮涡杆，20为扇形(shnxn)齿轮，H为周转轮系系杆三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1744第四十四页，共161页。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1745第四十五页，共161页。q常用图形分析方法q波特图q振幅与频率(pnl)，相位与频率(pnl)的关系曲线。010203040506070809001020304050振幅/m m频率/Hz01020304050607080903033027021015090相位角/度频率/Hz三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1746第四十六页，共161页。n从波特图中可以得到：n转子(zhunz)系统在各个转速下的振幅和相位、转子(zhunz)系统在运行范围内的临界转速值、转子(zhunz)系统阻尼大小和共振放大系数、综合转子(zhunz)系统上几个测点可以确定转子(zhunz)系统的各阶振型。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1747第四十七页，共161页。极坐标图转轴随转速(zhun s)变化时的工频振动矢量图三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1748幅频特性和相频特性曲线(qxin)综合在极坐标图上得到。第四十八页，共161页。轴心(zhuxn)位置图三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1749第四十九页，共161页。n轴心位置(wizhi)图是指：转轴在没有径向振动情况下轴心相对于轴承中心的稳态位置(wizhi)。n通过轴心位置(wizhi)图可判断：轴颈是否处于正常位置(wizhi)、对中好坏、轴承标高是否正常、轴瓦有否变形等情况，从长时间轴心位置(wizhi)的趋势可观察出轴承的摩损等。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1750第五十页，共161页。轴心(zhuxn)轨迹图-1.2-0.8-0.40.00.40.81.2-1.0-0.50.00.51.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1751第五十一页，共161页。n转子在轴承中高速旋转时，不仅围绕自身中心旋转，而且还环绕某一中心作涡动运动(yndng)。n产生涡动运动(yndng)的原因可能是转子不平衡、对中不良或动静摩擦等，这种涡动运动(yndng)的轨迹称为轴心轨迹。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1752第五十二页，共161页。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1753第五十三页，共161页。n机械振动信号绝大多数是由多种激励信号合成n的复杂信号，按照傅里叶分析原理，这种复杂n信号可以分解为一系列谐波分量（即频率成n分，包含幅值和相位特征量）。n各谐波分量以频率轴为坐标，按转速(zhuns)频率高低排列起来的谱图，称为频谱图。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1754 频谱图和瀑布(pb)图 n当把启动或停机时各个不同转速的频谱图画在一张图上时，就得到瀑布图。其横坐标为频率，纵坐标为转速和幅值。第五十四页，共161页。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1755第五十五页，共161页。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1756第五十六页，共161页。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1757瀑布(pb)图第五十七页，共161页。利用瀑布图可以判断机器的临界(lnji)转速、振动原因等。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1758第五十八页，共161页。趋势(qsh)分析图n趋势分析是把所测得的特征(tzhng)数据值和预报值按一定的时间顺序排列起来进行分析。n这些特征(tzhng)数据可以是通频振动、1振幅、2振幅、0.5振幅、轴心位置等，时间顺序可以按前后各次采样、按小时、按天等，趋势分析在故障诊断中起着重要的作用。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断第五十九页，共161页。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/17601振动(zhndng)峰值趋势图第六十页，共161页。振动(zhndng)可接受区域 xxxxxxxxx1x或2x幅值或相位矢量域旋转方向2709018001x或2x幅值或相位矢量域三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1761n振动可接受区域是指：把振动矢量绘制(huzh)在极坐标图上，并在极坐标图上划分出一定的范围作为振动可接受区域。第六十一页，共161页。3.3转子系统主要故障及其诊断旋转机械的故障种类已知的有二三十种，介绍(jisho)几种常见的故障机理及诊断方法。q不平衡旋转机械最常见(chnjin)的故障n由于设计、制造、安装中转子材质不均匀、结构(jigu)不对n称、加工和装配误差等原因和由于机器运行时结垢、热n弯曲、零部件脱落、电磁干扰力等原因而产生质量偏心。n转子旋转时，质量不平衡将激起转子的振动。三、转子系统振动故障诊断2023/3/1762第六十二页，共161页。特征(tzhng)振动频率和转速频率一致，转速频率的高次谐波幅值很低，时域波形接近正弦波；刚性转子不平衡产生的离心力与转速的平方成正比，而在轴承座测得的振动随转速增加而加大，但不一定(ydng)与转速的平方成正比，这是由于轴承与转子之间的非线性所致；在临界转速附近，振幅出现峰值，且相位在临界转速前后相差近180。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1763第六十三页，共161页。分类固有(gyu)不平衡；转子弯曲：初始弯曲、热弯曲转子部件脱落；联轴节精度不良。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1764第六十四页，共161页。DDDDDDDDb)a)联轴节精度不良(bling)引起的初始弯曲a)端面偏摆b)径向偏摆DDDDDDDD三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1765第六十五页，共161页。q转子(zhunz)不对中n旋转机械一般(ybn)是由多根转子所组成的多转子系n统，转子间一般(ybn)采用刚性或半挠性联接轴联接。n由于制造、安装及运行中支承轴架不均匀膨胀、n管道力作用、机壳膨胀、地基不均匀下沉等多种n原因影响，造成转子不对中故障，从而引起机组n的振动。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1766第六十六页，共161页。DDDDDDDDDDDD平行(pngxng)不对中角度(jiod)不对中组合(zh)不对中三、转子系统振动故障诊断2023/3/1767第六十七页，共161页。特征(tzhng)改变轴承的支承负荷，使轴承的油膜压力也随之改变，负荷减小的轴承可能会产生油膜失稳；最大振动往往在不对中联轴器两侧的轴承上，且振动值与转子的负荷有关，随负荷的增大而增高；平行不对中主要引起径向振动，振动频率(pnl)为两倍旋转频率(pnl)，同时也存在高倍频振动。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1768第六十八页，共161页。q 滑动轴承(hu dn zhu chn)的半速涡动和油膜振荡 轴在轴颈中作偏心(pinxn)旋转时，形成一个进口断面大于出口断面的油楔，如果出口处的油液流速不马上下降，则轴颈从油楔中间隙大的地方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量。由于液体的不可压缩性，多余的油就推动轴颈前进，形成与轴旋转方向相同的涡动运动，涡动速度即为油楔本身的前进速度：三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1769第六十九页，共161页。n实际产生(chnshng)涡动频率约为：三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1770n流入B侧的流量分n成3部分：nA侧流出部分n轴承两端(lindun)泄露部分n油膜下不由于涡动n增加部分。半速涡动。第七十页，共161页。频率振幅振幅转速wc1wc12a)频率振幅振幅转速 b)wc12wc1频率振幅振幅转速 c)wc1wc12不同载荷(zih)下的油膜振荡特点轻载转子中载转子重载转子三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1771第七十一页，共161页。频率振幅振幅转速wc1wc12a)三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1772n轻载转子在第一临界转速之前就发生了不稳定的半速涡动，n但不产生大幅度的振动；n当转速达到第一临界转速cr1时，转子由于共振而有较大的n振幅；n越过cr1后振动再次减少(jinsho)，当转速达到两倍cr1时，振幅增n大并且不随转速的增加而改变，即油膜振荡。第七十二页，共161页。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1773n中载转子在过了一阶临界转速(zhuns)cr1后会出现半速涡动，而油膜振荡则在2cr1后出现。频率振幅振幅转速 b)wc12wc1第七十三页，共161页。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1774n对于重载转子，因为轴颈在轴承(zhuchng)中相对偏心率较大，转子的稳定性好，低转速时并不存在半速涡动现象，甚至转速达到cr1时，还不会发生很大的振动；n当转速达到2cr1后的某一转速时，才突然发生油膜振荡。频率振幅振幅转速 c)wc1wc12第七十四页，共161页。n消除油膜振荡的措施有：n增加转子系统的刚度。转子固有频率越高，n产生油膜振荡的失稳转速也越高，系统失稳n转速应在工作转速的125以上；n选择合适的轴承形式和轴承参数。圆柱轴承n制造(zhzo)简单，但抗振性最差，椭圆轴承、三油n楔、多油楔轴承次之。可倾瓦轴承最好；三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1775第七十五页，共161页。增加外阻尼；增加轴承比压，改变进油温度或粘度。如切短轴承长度，在下瓦中部开环形槽等，国产300MW汽轮(qln)发电机组的油膜振荡是通过将轴瓦长度从430mm缩减到320mm以及将原30号油改用20号油来解决的;减小轴承间隙；改变进油压力。三、转子系统(xtng)振动故障诊断2023/3/1776第七十六页，共161页。q 动静(dng jing)摩擦 由于转子弯曲、转子不对中引起轴心(zhu xn)严重变形，间 隙 不 足 和 非 旋 转 部 件 弯 曲 变 形 等 原 因 引起 转 子 与 固 定 件 接 触 碰 撞 而 引 起 的 异 常 振 动。摩 擦 分 全 圆 径 环 形 摩 擦 和 局 部 摩 擦 两 种。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1777第七十七页，共161页。特征(tzhng)振动频带宽，既有与转速频率相关的低频部分，也有与固有频率相关的高次谐波分量，并伴随有异常噪声，可根据振动频谱和声谱(shngp)进行判别；振动随时间而变。在转速、负荷工况一定，由于接触局部发热而引起振动矢量的变化，其相位变化与旋转方向相反；三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1778第七十八页，共161页。接触摩擦开始瞬间会引起严重相位跳动(大于10相位变化)。局部摩擦时，无论是同步还是异步其轨迹均带有附加的环。摩擦时，轴心轨迹总是反向进动，即与转轴旋转(xunzhun)方向相反，由于摩擦还可能出现自激振动，自激的涡动频率为转子一阶固有频率，但涡动方向与转子旋转(xunzhun)方向相反。三、转子(zhun z)系统振动故障诊断2023/3/1779第七十九页，共161页。4.1 4.1 齿轮常见故障及形成原因齿轮常见故障及形成原因(yunyn)(yunyn)1.1.齿轮故障的常见形式：齿轮故障的常见形式：(1)齿的断裂(dun li)(3)齿面磨损或划痕(2)齿面疲劳(plo)(点蚀、剥落)(4)齿面塑性变形四、齿轮箱故障诊断2023/3/1780第八十页，共161页。断齿：41%齿面疲劳（点蚀、剥落、龟裂）：31%齿面磨损(msn)：10%齿面划痕：10%其它故障（塑性变形、化学腐蚀、异物嵌入等）：8%常见故障类型和失效常见故障类型和失效(sh xio)比例比例四、齿轮箱故障诊断2023/3/1781第八十一页，共161页。q 齿断裂 q 分 疲劳断裂或过负荷(fh)断裂。q 最常见的是疲劳断裂，通常先从受力侧齿根产生龟裂、q 逐渐向齿端发展而致折断。q 过负荷(fh)断裂是由于机械系统速度的急剧变化、轴系共振、q 轴承破损、轴弯曲等原因，使齿轮产生不正常的一端接触q ，载荷集中到齿面一端而引起的。四、齿轮箱故障诊断2023/3/1782图图 齿根部齿根部(n b)(n b)的应力集中的应力集中第八十二页，共161页。q 齿面疲劳q 由于齿面接触应力超过材料允许的疲劳极限。表面层先是产生细微裂纹，然后(rnhu)是小块剥落，直至严重时整个齿断裂。四、齿轮箱故障诊断2023/3/1783第八十三页，共161页。q 齿磨损q 由于金属微粒、污物、尘埃(chn i)和沙粒等进入齿轮而导致材料磨损、齿面局部熔焊随之又撕裂的现象。q分：粘着磨损、磨粒磨损与划痕、腐蚀磨损等。q 齿面塑性变形q 软齿面齿轮传递(chund)载荷过大（或在大冲击载荷下）时，易产生齿面塑性变形。如压碎、趋皱。四、齿轮箱故障诊断2023/3/1784第八十四页，共161页。四、齿轮箱故障诊断2023/3/17852.齿轮失效齿轮失效(sh xio)的主要原因的主要原因1）由制造(zhzo)误差引起的缺陷2）由装配(zhungpi)误差引起的故障3）运用中产生的故障第八十五页，共161页。失效原因失效比重（%）齿轮箱缺陷设计1240装配9制造8材料7修理4运行缺陷维护2443操作19相邻部件（联轴器、电动机等）缺陷17齿轮箱失效(shxio)原因及失效(shxio)比重四、齿轮箱故障诊断2023/3/1786第八十六页，共161页。失效零件失效比重（%）齿轮60轴承19轴10箱体7紧固件3油封1齿轮箱的失效(shxio)零件及失效(shxio)比重四、齿轮箱故障诊断2023/3/1787第八十七页，共161页。n在生产条件下很难直接检测(jinc)某一个齿轮的故障信号，一般是在轴承、箱体有关部位测量。n当齿轮旋转时，无论齿轮发生了异常与否，齿的啮合都会发生冲击啮合振动，其振动波形表现出振幅受到调制的特点，甚至既调幅又调频。四、齿轮箱故障诊断2023/3/1788第八十八页，共161页。四、齿轮箱故障诊断2023/3/17894.2 4.2 齿轮齿轮(chln)(chln)的振动机理的振动机理1.齿轮齿轮(chln)副的力学模型分析副的力学模型分析齿轮具有一定的质量，轮齿可看作是弹簧，所以若以一对齿轮作为研究对象(duxing)，则该齿轮副可以看作一个振动系统。n齿轮的振动主要是由k(t)的周期变化引起的。nk(t)为周期性的变量：一是一是随着啮合点位置而变化；二是二是参加啮合的齿数在变化。第八十九页，共161页。四、齿轮箱故障诊断2023/3/1790对于如图所示的齿轮副力学模型，其振动(zhndng)方程为：Mrx+Cx+K(t)x-E(t)=(T2-iT1)/r2n式中，x齿轮作用线上的相对位移(wiy)；nC齿轮啮合阻尼；nK(t)齿轮啮合刚度；nT1，T2作用于主动齿轮和从动齿轮上的扭矩；nr2从动齿轮的节圆半径；ni齿轮副的传动比；nE(t)由于轮齿变形和误差及故障而造成的两个齿轮在作用线方向上的相对位移(wiy)；nMr等效质量，等于m1m2/(m1+m2)。第九十页，共161页。四、齿轮箱故障诊断2023/3/1791若忽略齿面上摩擦力的影响，则(T2-iT1)/r2。E(t)分解为两部分E(t)=E1+E2(t)，E1为齿轮受载后的平均静弹性变形；E2(t)为齿轮的误差和故障造成的两个(lin)齿轮间的相对位移。这样上式可简化为：Mrx+Cx+K(t)x=K(t)E1+K(t)E2(2)n公式的左端代表齿轮副本身的振动特征，右端为激振函数。由激振函数可以看出，齿轮振动来源于两部分：一部分为K(t)E1，称为常规振动，与齿轮的误差和故障无关；n另一部分为K(t)E2(t)，它取决于齿轮的综合刚度和故障函数n由此可以较好地解释齿轮信号中边频的存在以及(yj)它们和故障的关系。第九十一页，共161页。2.齿轮的特征频率齿轮的特征频率(pnl)(1)啮合频率啮合频率(pnl)从这个意义上说：齿轮传动系统的啮合振动从这个意义上说：齿轮传动系统的啮合振动是不可避免的。振动的频率是不可避免的。振动的频率(pnl)就是啮合频率就是啮合频率(pnl)。也就。也就是齿轮的特征频率是齿轮的特征频率(pnl)，其计算公式如下：，其计算公式如下：齿轮(chln)一阶啮合频率i=2、3、4、n其中：n齿轮轴的转速(zhun s)（r/min）Z齿轮的齿数n60Zf c 啮合频率的高次谐波f ci i f c四、齿轮箱故障诊断2023/3/1792第九十二页，共161页。式中：n1、n2主、从动轮(dngln)转速，Z1、Z2主、从动轮(dngln)的齿数。Z 2n260n160Z1f c 啮合频率(pnl)fc 也可表示为：从一个齿轮开始啮合(nih)到下一个齿轮进入啮合(nih)，齿轮的啮合(nih)刚度就变化一次，由此可以计算出齿轮的啮合周期及频率。齿轮啮合(nih)刚度的变化频率即为啮合(nih)频率。四、齿轮箱故障诊断2023/3/1793第九十三页，共161页。(2)轴的转动频率(pnl)（简称转频）齿轮及轴的转频fr为:式中：n为齿轮(chln)及轴的转速(r/min)fr n/60(Hz)四、齿轮箱故障诊断2023/3/1794第九十四页，共161页。齿轮(chln)以啮合频率振动的特点:（1）振动频率随转速(zhun s)变化而变化；（2）一般(ybn)存在啮合频率的谐频（整数倍频）；（3）当啮合频率或其高阶谐频接近或等于接近或等于齿轮的某阶固有频率时，齿轮产生强烈振动；由于齿轮固有频率一般较高，产生强烈振动的可能性不大，但常为强烈噪声。四、齿轮箱故障诊断2023/3/1795第九十五页，共161页。(3)齿轮的固有频率(yu pn l)一对齿轮副的固有频率(yu pn l)式中：m一对齿轮的等效(dn xio)质量mc、mr大、小齿轮的等效(dn xio)质量（HZ）Km12f n 1mr1mc1m四、齿轮箱故障诊断2023/3/1796第九十六页，共161页。K齿轮副的等效(dn xio)弹簧常数（等效(dn xio)刚度）Kc、Kr 大、小齿轮的等效(dn xio)弹簧刚度。齿轮(chln)的固有频率多为110kHz的高频1K r1K c1K四、齿轮箱故障诊断2023/3/1797第九十七页，共161页。3.幅值调制幅值调制(tiozh)与频率调制与频率调制(tiozh)齿轮振动信号的调制(tiozh)现象中包含有很多故障信息，从频域上看，信号调制(tiozh)的结果是使齿轮啮合频率周围出现边频带成分。信号调制可分为(fn wi)两种：幅值调制和频率调制。四、齿轮箱故障诊断2023/3/1798第九十八页，共161页。（1 1）幅值调制）幅值调制(tiozh)(tiozh)幅值调制是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响而造成(zochn)的。幅值调制从数学上看，相当于两个信号在时域上相乘；而在频域上，相当于两个信号的卷积。载波信号频率相对来说较高；调制(tiozh)信号频率相对于载波频率来说较低。在齿轮信号中，啮合频率成分通常是载波成分，齿轮轴旋转频率成分通常是调制(tiozh)波成分。四、齿轮箱故障诊断2023/3/1799第九十九页，共161页。幅值调制幅值调制(tiozh)图图6-12 调幅调幅(dio f)信号波形及频谱信号波形及频谱四、齿轮箱故障诊断2023/3/17100第一百页，共161页。齿轮啮合齿轮啮合(nih)的特征频率的特征频率边频带边频带由于传递(chund)的扭矩随着啮合而改变，它作用到转轴上，使转轴发生扭振。而转轴上由于(yuy)键槽等非均布结构的存在，轴的各向刚度不同，刚度变动的周期与轴的周转时间一致，激发的扭振振幅也就按转轴的转频变动。这个扭振对齿轮的啮合振动产生了调制作用，从而在齿轮啮合频率的两边产生出以轴频为间隔的边频带。边频带也是齿轮振动的特征频率，啮合的异常状况反映到边频带，造成边频带的分布和形态都发生改变。可以说：边频带包含了齿轮故障的边频带包含了齿轮故障的丰富信息丰富信息。四、齿轮箱故障诊断2023/3/17101第一百零一页，共161页。一组频率间隔(jin g)较大的脉冲函数和一组频率间隔(jin g)较小的脉冲函数的卷积，在频谱上就形成若干组围绕啮合频率及其倍频成分两侧的边频族。边频带（由幅值调制(tiozh)、频率调制(tiozh)及相位调制(tiozh)产生）四、齿轮箱故障诊断2023/3/17102第一百零二页，共161页。（2）频率(pnl)调制齿轮载荷(zi h)不均匀、齿距不均匀及故障造成的载荷波动，除了对振动幅值产生影响外，同时也必然产生扭矩波动，使齿轮转速产生波动。这种波动表现在振动上即为频率调制(也可以认为是相位调制)。四、齿轮箱故障诊断2023/3/17103第一百零三页，共161页。频率调制(tiozh)与相位调制(tiozh)图 频率调制或相位(xingwi)调制信号波形及频谱四、齿轮箱故障诊断2023/3/17104第一百零四页，共161页。用于齿轮箱振动信号(xnho)的分析方法有：功率谱分析法 边频带分析法 倒谱分析法 时域平均法四、齿轮箱故障诊断2023/3/171054.3齿轮箱振动(zhndng)信号的分析 希尔伯特包络(bo lu)分析法 时频分析法 时域模型法第一百零五页，共161页。图 齿轮(chln)振动信号典型的功率谱图1 功率谱分析法功率谱分析法功率谱可确定齿轮振动信号能量的频率结构功率谱可确定齿轮振动信号能量的频率结构(jigu)(a)线状谱线状谱:齿轮的啮齿轮的啮合频率及其谐波；合频率及其谐波；(b)山状谱山状谱:结构结构(jigu)共共振，如轮轴横向振动振，如轮轴横向振动固有频率；固有频率；(c)随机谱随机谱:随机振动随机振动信号；(d)同时(tngsh)存在三种谱。四、齿轮箱故障诊断2023/3/17106第一百零六页，共161页。功率谱分析可确定齿轮振动信号的频率构成和振动能量在各频率成分上的分布(fnb)，是一种重要的频域分析方法。幅值谱也能进行类似的分析，但由于功率谱是幅值的平方关系，所以功率谱比幅值谱更能突出啮合频率及其谐波等线状谱成分而减少了随机振动信号引起的一些(yxi)“毛刺”现象。四、齿轮箱故障诊断2023/3/17107第一百零七页，共161页。（1）正常(zhngchng)齿轮的时域特征与频域特征（a）时域特征正常齿轮由于刚度的影响，其波形(b xn)为周期性的衰减波形(b xn)。其低频信号具有近似正弦波的啮合波形(b xn)。（b）频域特征正常(zhngchng)齿轮的信号反映在功率谱上，有啮合频率及其谐波分量，且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小；在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波。四、齿轮箱故障诊断2023/3/17108第一百零八页，共161页。（2）故障情况(qngkung)下振动信号的时域特征与频域特征（a）均匀(jnyn)磨损齿轮均匀磨损是指由于齿轮的材料、润滑等方面的原因(yunyn)或者长期在高负荷下工作造成大部分齿面磨损。时域特征：正弦波的啮合波形遭到破坏 四、齿轮箱故障诊断2023/3/17109第一百零九页，共161页。频域特征：齿面均匀磨损时，啮合(nih)频率及其谐波分量n倍频在频谱图上的位置保持不变，但其幅值大小发生改变，而且高次谐波幅值相对增大较多。分析时，要分析三个以上谐波的幅值变化才能从频谱上检测出这种特征。随着磨损(m sn)的加剧，还有可能产生分数谐波，