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齿轮箱的各类故障振动信号分析的方法与故障特征

【摘要】:
由于齿轮箱频谱分析比较复杂,辨认比较困难。有效可行的方法是,针对每个齿轮箱,在其工作状态良好的情况下,采集得到基准的频谱,在状态监测和故障诊断中通过与基准频谱进行对比,来发现问题。

     齿轮箱的各类故障在时域波形中都有典型的特点,由时域波形分析,可以大致得到三方面的故障信息,即时域函数的类型(确定性的还是随机的),波形中频率成分是否复杂;振动幅值是否变化,变化规律如何;波形中有无明显的冲击和调制成分。而时域特征值分析则为故障诊断提供了定量参考。所以,借助于时域分析可对有无故障进行直观的初步判断。但要准确地判断齿轮箱故障的性质、程度、部位和原因,还需借助频谱分析、解调分析、细化谱分析等方法。

 

    频谱分析将复杂的时域信号转化为简单的单频率简谐振动频域信号的合成。频谱分析能够分析信号能量和频率的分布,为进一步分析和判断故障提供依据。

 

    解调分析能够获得故障信号的调制频率成分,求出信号的包络曲线和包络谱。观察解调谱频率成分的幅值和分布,对深入查找齿轮箱故障的性质、部位非常有用。

 

    对于齿轮箱的故障诊断,啮合频率是齿轮振动中较为突出的成分,它是齿轮齿廓磨损的一个灵敏指标,同时齿面上产生点蚀、剥落等损伤以及齿轮发生断裂、胶合等故障也会在啮合频率及其各次谐波成分上表现出来。齿轮传动中的许多缺陷都是以边带形式呈现出来,因此在频谱图上对啮合频率成分两侧的边频带进行分析也是一个重要环节,这就需要运用解调分析、细化谱分析。

 

    实际上,由于故障所产生的振动频率对啮合频率的调制,所以通过对边频带的中心频率,边频带呈现的形式和谱线的间隔的分析,可对故障的存在及其部位作出判断。

 

    许多机械设备在带故障运转时,都要伴随振动和冲击的发生,反之,振动和冲击的发生也常常反映了机械的故障。因此目前的故障诊断方法大都以振动理论为基础。共振解调技术即是振动分析方法的新发展。

 

    共振解调技术是近年来发展起来的对滚动轴承的点蚀、剥落、擦伤和裂纹等所谓元件工作表面损伤类故障行之有效的方法。齿轮的故障与滚动轴承的故障很相似,因此从理论上讲完全可以将共振解调技术推广应用到齿轮的故障诊断中。共振解调模块对齿轮箱信号进行共振解调分析,可弥补齿轮箱同时存在多个故障时其它振动分析方法无法有效诊断的不足。

 

    征对齿轮箱振动信号的特点介绍最常用的几种分析方法:频率细化分析技术局部提高频率分辨率,细化谱可以清晰的看出边频带的结构。

 

倒频谱

    对于多对齿轮啮合的齿轮箱,由于边频带的交叉仅进行细化时看不清。倒频能较好的检测出功率谱上的周期成分,将原来谱上成族的边频带谱线简化为单根谱线。齿轮发生故障时振动频谱一般具有等到间隔(故障频率)的结构,利用倒频测周期。

 

瀑布图分析法

    改变输入轴的转速,得到瀑布图。做阶次分析。有些谱峰的位置转速面偏移有些则不变。由此可以分出强迫振动和共振。

 

时域同步平均

    从振动中提出啮合成分,将它同齿轮的轴的旋转频率同步相加、平均。对诊断齿轮的局部异常并确定其位置很有效。推荐秦树人的齿轮传动系统检测与诊断技术

 

齿轮故障频谱和波形特征

1) 故障齿轮在啮合频率及其谐波频率上有较大的振动分量。

2) 在啮合频率及其谐波分量附近调制作用的边频带。

★ 由边频间距代表的调制频率可以是

  • 各轴转速(输入轴、输出轴、中间轴);

  • 外部转速或负荷的波动频率;

  • 波动啮合频率。即(啮合频率)/(主动齿轮与被动齿轮转速的最小公倍数)

  • 如果同时存在两种以上故障,则故障频率之和或差也可以成为调制频率,称为中间频率。

3) 对于螺线齿轮、斜齿轮和人字齿轮,轴向振动大,频谱特征与径向振动相同。