齿轮箱复合故障的频谱分析
发布时间：2013-07-31 浏览次数：939
陈宇晓
（宁波职业技术学院，宁波 315800）
摘 要：设计了齿轮箱故障模拟器，对基础松动+齿轮断齿、联轴器单侧不对中+齿轮断齿、基础松动+联轴器单侧不对中+齿轮断齿等复合故障进行了模拟及频谱分析，并与单一故障进行了比较分析。
关键词：复合故障；频谱分析
齿轮箱在现代旋转机械中应用极广，它具有传递运动、扭矩和变速的作用。目前国内在齿轮箱故障诊断上做的工作较多，但主要是根据现有设备，对测得的振动时域或频域波形进行事后分析，并且大多是对单一故障进行分析。本文试制了齿轮箱故障试验台，试图对齿轮箱的复合故障进行频谱分析，以便找出复合故障频谱与单一故障频谱的不同点及它的自身特点，为故障诊断打下基础。
1 齿轮箱复合故障频谱分析的实现方法
复合故障的频谱分析采用齿轮故障试验台。该试验台由故障模拟器、数据采集器及计算机等组成。故障的模拟通过故障模拟器中的可调齿轮箱来实现。加载装置采用磁粉制动器加载。其具体模拟结构为：
1.1 齿轮断齿或磨损故障模拟的结构
采用主动轴选配结构。将主动轴、齿轮、轴承作为一个组件，制作若干个故障结构，通过快拆结构，互换故障结构与正常结构，并进行频谱比较。轴承分别采用6207、6304深沟球轴承。
1.2 联轴器不对中故障模拟的结构
该装置中联轴器采用梅花型弹性联轴器。其不对中故障模拟采用机架上的可调垫片实现。
1.3 基础松动故障模拟的结构
通过定量松动基础螺栓实现。定量松动结构采用螺栓松动圈数来实现。
试验台及故障模拟器的组成框图如图1、图2所示。
2 测试传感器的安装
因本齿轮箱采用滚动轴承作为支承，根据GB8543-87的规定，测振点选择在箱体上。具体测点为：主动轴侧3点，轴向、垂直、水平各一点。被动轴侧3点，轴向、垂直、水平各一点。共6点。测点如图3所示。
3 复合故障频谱分析
3.1 单一故障引起的多种后果
根据频谱图分析及实际试验，在试验时间8小时内，单一故障一般不会引起其它故障。
3.2 多种故障同时发生时的频谱分析
在加载25Nm时，进行了下列复合故障频谱分析
（1）基础松动+齿轮断齿，该种复合故障频谱与单独故障频谱的主要区别有：在幅值谱方面，以测点1为例，其复合故障幅值谱如图4所示，同测点1基础松动的幅值谱（图5）及齿轮断齿的幅值谱（图6）相比，峰值增加不大，峰值频率也基本相同。测点4情况类似。说明轴向测点在该种复合故障中频谱变化不大。其它各测点的幅值谱与功率谱大大增加，特别是功率谱增加幅度达数百至数千倍，甚至数万、十几万倍。
图7为测点3的复合故障功率谱，同测点3基础松动时的功率谱（图8）及齿轮断齿的功率谱（图9）相比，功率谱峰值分别增加约17.6万倍及2.2万倍，且峰值出现在四分之一转频上。测点6增幅也特别明显，说明在这种复合故障下，侧面频谱变化特别明显。
（2）联轴器单侧不对中+齿轮断齿，该种复合故障频谱与单独故障频谱的主要区别有：在幅值谱方面，以测点1为例，同测点+联轴器单侧不对中的幅值谱及齿轮断齿的幅值谱相比，峰值增加约7倍，峰值频率有所不同，出现在十分之一转频上。测点4情况类似。其它各测点在该种复合故障中频谱变化也不大。但测点3、6（侧面）幅值谱增加幅度达近百倍。测点3的复合故障功率谱，同测点3联轴器单侧不对中的功率谱及齿轮断齿的功率谱相比，功率谱峰值分别增加约3900倍及4900倍，且峰值出现在三分之一转频上。测点6情况类似。但其它各点复合故障功率谱变化不大。说明在这种复合故障下，侧面频谱变化特别明显。
（3）基础松动+联轴器单侧不对中+齿轮断齿，该种复合故障频谱与单独故障频谱的主要区别有：在幅值谱方面，以测点1为例， 其复合故障幅值谱同测点1基础松动的幅值谱、联轴器单侧不对中的幅值谱及齿轮断齿的幅值谱相比，峰值增加不大，峰值频率也基本相同。测点4情况类似。说明轴向测点在该种复合故障中频谱变化不大。其它各测点的幅值谱与功率谱大大增加，特别是功率谱增加幅度达数百至数千倍，甚至数万、十几万倍，测点3的复合故障功率谱，同测点3基础松动时的功率谱、联轴器单侧不对中的功率谱及齿轮断齿的功率谱相比，功率谱峰值分别增加约6.4万倍、0.6万倍及0.8万倍，且峰值出现在二分之一转频上。测点6增幅也特别明显，说明在这种复合故障下，侧面频谱变化特别明显。
4 结论
（1）单一故障一般不会引起其它故障。
（2）基础松动+齿轮断齿复合故障，轴向测点在该种复合故障中频谱变化不大。其它各测点的幅值谱与功率谱大大增加，其中又以侧面频谱变化Z为明显。
（3）联轴器单侧不对中+齿轮断齿复合故障，其它各测点在该种复合故障中频谱变化不大，但侧面频谱变化特别明显。倒频谱峰值反而减少。
（4）基础松动+联轴器单侧不对中+齿轮断齿复合故障，轴向测点在该种复合故障中频谱变化不大。其它各测点的幅值谱与功率谱大大增加，其中又以侧面频谱变化Z为明显。倒频谱峰值相差不大。
（5）所谓轴向测点即传感器测杆与电机轴或加载装置轴平行的测点1、4点。所谓垂直测点即传感器测杆与水平面垂直的测点2、5点。所谓侧面测点即传感器测杆与水平面水平的测点3、6点。复合故障中侧面测点的频谱幅值增加特别明显，可作为判断故障是否为复合故障的重要判据。其作用机理尚待研究。
（6）根据齿轮箱故障诊断谱图库中的故障频谱去诊断、确认故障，是一项重要工作，这里拟从以下角度考虑：
♦根据故障频谱的峰值及峰值频率去诊断、确认故障类型。
♦根据故障类型，排除该类型故障后，再作进一步分析。
♦在单一故障频谱的基础上，根据异常频谱去诊断复合故障（特别是侧面异常频谱），渐次排除单一故障后，再作进一步分析。
来源：《机械设计与制造》2004年04期
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