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基于振动信号分析的齿轮箱故障诊断

发布时间：2012-07-16 浏览次数：608

作者：张玉
（华北电力大学机械工程系）

　　引　言
　　齿轮箱作为连接和传递动力的通用部件，在现代工业设备中得到了广泛的应用。齿轮传动的特点决定了齿轮也是一个易于发生故障的部件，其运行状态对整机的工作性能有很大的影响。因此，齿轮箱的故障诊断技术一直都是人们研究的重要课题。
　　齿轮特有的啮合传动方式使得齿轮传动有着明显的缺点：相对于其他传动方式而言，齿轮传动的振动、噪声更大；齿轮本身对制造工艺、材料的热处理和装配的要求高，稍有不慎就会成为导致机器故障的主要因素。齿轮多以齿轮箱的结构形式出现，随着轴承等零部件的增多，这就又增加了故障诊断的难度。但由于各个组件结构参数等的不同，各个零部件所引起的振动信号的频率、幅值是不同的。所以当某一部件出现故障时就会出现特定与其相对应的振动信号，通过对振动信号的分析就能得出齿轮箱的故障范围和性质。
　　通过理论研究和实验分析，对具有故障的齿轮箱振动信号进行时域分析和频域分析，其中在频域分析中除了传统的频谱分析外，还采用细化谱分析以及解调分析方法，并与正常状态下的振动信号进行比较，从而提取该故障的特征，进而提出行之有效的诊断方法。
　　1　齿轮箱主要的故障信号特点
　　齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时都会产生振动。当正常工作时，齿轮箱的振动信号是平稳的，其主要成分是各轴的转频和齿轮的啮合频率。当任一部件发生故障时，其振动信号的幅值、频率都会发生相应的改变。
　　1.1 齿轮箱振动信号时域特征分析
　　1）振动信号是稳态信号
　　与正常齿轮箱振动信号相比，这种信号的变化仅仅是幅值的变化，它所对应的故障主要是齿轮的均匀磨损，使得轮齿变薄、齿型误差变大，引发振动的能量变大。
　　2）振动信号是周期平稳信号
　　在这种信号中出现有规律的冲击或者是调制现象，它所对应的故障主要有齿轮的点蚀、疲劳剥落、齿型误差、安装误差，轴的弯曲、不平衡、不对中以及滚动轴承的剥落等情况。
　　3）振动信号是非周期性信号
　　在这种信号中出现了无规律的冲击或调制现象，它所对应的主要是齿轮或轴承的严重故障，比如齿轮的断齿、胶合，轴承的压痕、断裂等。
　　1.2 齿轮箱振动信号频域特征分析
　　下面对这些振动信号常出现的频率特点、调制规律进行介绍，在设置采样频率以及进行数据分析时应引起注意。
　　1）振动信号中出现轴频及其高次谐波；
　　2）振动信号中出现齿轮的啮合频率及其高次谐波；
　　3）振动信号出现以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率边频带；
　　4）振动信号出现以齿轮固有频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的边频带；
　　5）振动信号出现以齿轮箱固有频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的边频带；
　　6）振动信号出现以外圈的各阶固有频率为载波频率，产生剥落元件的通过频率为调制频率。
　　2　齿轮箱的主要故障形式
　　作为一个整体，齿轮箱的故障形式是多种多样的，但齿轮箱主要是由齿轮、轴承、轴和箱体等几部分组成的，因此对齿轮箱工作状态的监测识别可以分为对这些零部件的工作状态的监测识别。由于各个组件结构参数等的不同，各个零部件所引起的振动信号的频率、幅值是不同的。所以当某一部件出现故障时就会出现特定与其相对应的振动信号，通过对振动信号的分析就能得出齿轮箱的故障范围和性质。下面就各个部件出现故障时的振动信号特征进行介绍。
　　2.1 齿轮的主要故障特征及频率特点
　　1）齿形误差
　　这种情形下振动信号出现以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在转轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制；一般的齿形误差产生的调制边频带窄，以一阶边频调制为主，且边频带的幅值较小；若齿形误差较为严重，则会激起齿轮的固有频率，出现以齿轮故有频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴的转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制，振动能量（有效值和峭度）有一定程度的增大。其特征频谱如图1所示。

　　2）齿轮齿面均匀磨损
　　齿轮的啮合频率及其谐波的幅值明显增大；如果为不均匀磨损，会产生以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率，但幅值小。特征频谱如图2所示。

　　3）断齿
　　以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率，调制边频带宽而高；以齿轮各阶固有频率及其谐波为载波频率，故障齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率，调制边频带宽而高；振动能量有很大的增加。特征图谱如图3所示。

　　2.2 齿轮箱轴承的主要故障特征及频率特点
　　轴承疲劳剥落和点蚀：在齿轮箱轴系中，一般滚动轴承内圈和轴多为紧密地过盈配合，即轴和内圈牢固的连为一体，要激起固有频率需要很大的能量，且内圈固有频率与自由状态下测得或者计算的频率完全不同。外圈和箱体轴承座也是过盈配合，但同内圈相比要松得多。且外圈在工作中一直受到滚动体对其较大的压力，当轴承有故障并运行一段时间后，外圈与轴承座之间基本完全松动，外圈固有频率与自由状态下测得或者计算的频率基本相同。由于外圈松动且质量轻，轴承元件出现故障时，振动能量通过滚动体传到外圈上，激起外圈固有频率。齿轮箱中轴承故障的载波频率一般为外圈的各阶固有频率，调制频率为产生剥落元件的通过频率。如图4所示。

　　由于轴承结构的特殊性，对于轴承故障产生的振动信号频率还有一点应引起重视，以便正确地监测轴承的故障振动信号。轴承主要由外圈、滚动体、保持架和内圈组成，当转轴旋转时不同零件之间会产生冲击力。以轴承外圈有故障缺陷为例，转轴每转一圈（内圈），一定数量的滚动体就会经过外圈上的缺陷点并冲击此缺陷点，每转一圈的冲击次数就是该轴承的？外圈缺陷放大倍数#,它可能使得振动信号的频率远大于轴的转频，称为外圈缺陷放大。如果轴承缺陷放大倍数为305,而机器的运转速度为1000rpm,则故障频率为3050cpm。这就意味着机器的故障导致每分钟有3050次冲击。有一点需要注意，轴承的缺陷放大不能精确地放大轴的转速，因此滚动轴承总是产生非同步转速。在上述的例子中，轴承的故障频率为3050,而轴转速的三次谐波频率为3000,两者非常相近，可能会更容易混淆和误诊。
　　表1是常见轴承的典型频率范围，一些轴承可能有更高的故障频率，其决定性因素主要是滚动体的数量（它与轴承的负载等级有关）。

　　有了以上的认识，在进行齿轮箱的轴承故障诊断时就要有目的地提高采样频率，以防止丢失故障振动信号。
　　2.3 齿轮箱轴系的主要故障特征及频率特点
　　1）轴不对中
　　这时的振动信号将以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率；调制频率的2倍频幅值Z大；齿轮啮合频率及其谐波幅值增大；振动能量（有效值和峭度）有一定程度增大。特征频谱见图5。

　　2）轴轻度弯曲
　　振动信号将以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制，但调制边频带窄且稀；如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对齿轮啮合调制；振动能量（有效值和峭度）一定程度增加，特别是轴向振动能量有较大增加。特征频谱见图6。

　　3）轴严重弯曲
　　振动信号将以齿轮啮合频率及其谐波、齿轮固有频率、箱体固有频率为载波频率，此轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制，但边频带较宽，解调谱上出现轴的转频和多阶高次谐波；如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对齿轮啮合调制；振动能量（有效值和峭度）有一定程度增加，特别是轴向振动能量有较大增加，特征频谱见图7。

　　4）轴向窜动
　　有故障轴上齿数多的齿轮啮合频率的幅值大幅度增加，振动能量有较大增加。特征频谱见图8。

　　5）轴有严重的不平衡
　　振动信号将以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频频率的啮合频率调制，但边频带较少而稀，解调谱上出现轴的转频；有故障轴的转频成分有较大的增加；振动能量（有效值和峭度）有一定程度增加，特别是轴向振动能量有较大增加。特征频谱见图9。

　　2.4 齿轮箱体的主要故障特征及频率特点
　　齿轮箱是一个封闭的环境，齿轮箱内零部件所产生的振动向外传播的媒介。在某个零部件出现故障时箱体的振动极有可能掺杂其中，对信号分析与处理造成很大不便。
　　箱体共振：齿轮箱的一阶固有振动频率为主导地位，其他频率成分很低；振动能量有很大的增加。如果是箱体共振调制，以箱体、齿轮固有频率和齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮或轴所在轴转频及其倍频为调制频率；齿轮啮合频率及其谐波幅值明显增大；特征频谱见图10。

　　3　振动信号诊断方法
　　齿轮箱各个部件有其对应的故障特征，为了综合利用这些典型的故障特征，对齿轮箱更加准确地进行故障诊断，就必须在时域和频域对振动加速度和速度信号进行全面分析，尽可能多地提取有用信息。
　　时域主要是针对原始时域信号和包络时域信号，一般选均方值、峰值、峭度和峰值指标作为诊断参量。振动信号的时域均方值反映了平均振动能量，而时域峰值、峭度和峰值指标在一定程度上能够显示振动信号是否含有冲击成分。包络时域均方值则直接反映振动信号包络的大小，其峰值、峭度和峰值指标反映出振动冲击信号的尖锐程度。
　　频域主要从频谱、细化谱和解调谱进行分析。频谱主要分析加速度信号中齿轮啮合频率和轴承内外圈固有频率的中高成分；细化谱主要分析速度信号中轴的转频和轴承组件的通过频率的低等成分，而解调谱则主要用于分析振动加速度信号中各轴和轴承各组件通过频率的低频成分。
　　除此之外，由于齿轮箱结构的复杂性，其振动的频率成分很多，所以需要对齿轮箱的有关参数建立档案。比如说各轴的转频，齿轮的啮合频率，轴承的运动学和动力学特征频率，并对振动的速度和加速度设置报警参数。该档案建立以后要根据实际故障情况不断地完善，成为齿轮箱故障诊断的参考和依据。
　　4　结论
　　齿轮箱的故障形式是多种多样的，故障主要集中在齿轮、轴承、轴和箱体等几个主要部件上，各个部件均有其典型的故障特征与频率特点。通过监测齿轮箱的振动速度和加速度信号，在两时域（原始时域信号和包络时域信号）以均方值、峰值、峭度和峰值指标作为诊断参量来检测振动中的冲击成分，然后在频域利用频谱、细化谱和解调谱分别对各个组件的振动频率中的低频、中频、高频成分进行分析，Z后结合对齿轮箱建档的措施，可以实现齿轮箱故障的自动诊断或智能诊断的目的。由于齿轮箱结构复杂，工作环境一般比较恶劣，并且干扰大、涉及问题较多，对齿轮箱典型故障的提取仍然存在一定的难度，还需要进一步研究。