《机械故障诊断技术》读书报告.docx

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《机械故障诊断技术》读书报告

《机械故障诊断技术》读书报告

齿轮诊断案例分析综述

Reviewoncaseanalysisofgeardiagnosis

摘要

齿轮传动是机械设备中最常用而且最重要的传动方式，随着国家经济的飞速发展和国家对重点工程的建设，它在航空、航天、机械等各个工业部门都取得了普遍的应用。

有传动的地方就有齿轮，齿轮的轮齿在传动过程中要传递力矩而承受弯曲、冲击等载荷，通过一段时间的使用，轮齿还会发生齿面磨损、表面咬合、齿面塑性变形和齿面点蚀等情况而造成精度丧失，从而产生振动和噪声，所以不可避免的需要学习齿轮故障诊断知识。

特别是近年来，随着国家“中国制造2025”的战略实施，齿轮减速机将面向高速、重载并请求振动小、噪声低以进步寿命和改善运转环境的方向开展，齿轮的故障诊断问题已逐步成为一个需深化研讨的热门课题。

关键词：

故障诊断；故障特征；故障实例；时频分析；倒频谱分析；细化谱分析

Abstract

Geartransmissionismechanicalequipmentinthemostcommonlyusedandmostimportanttransmissionmode,withtheconstructionofkeyprojectsintherapiddevelopmentofthenationaleconomyandnational,itinaviation,aerospace,machineryandothervariousindustrialsectorshavemadewidespreadapplication.Wherethereisatransmissiongear,gearteethinthetransmissionprocesstotransfertorqueunderbendingandimpact,throughtheuseofaperiodoftime,theteethwilloccurtoothwear,occlusalsurface,toothMiansudeformationandtoothsurfacepitting,andcauseprecisionloss,resultinginvibrationandnoise,sotheinevitableneedforlearningknowledgeofgearfaultdiagnosis.Especiallyinrecentyears,withthenational"Chinesemanufacturing2025"strategyimplementation,gearreducerorientedhighspeed,heavyloadandrequestofsmallvibration,lownoisetocarryoutthedirectionofthelifeofprogressandimprovedoperationenvironment,thefaultdiagnosisofgearhasgraduallybecomeaneedtodeepentheresearchhottopic.

Keywords：

Faultdiagnosis;Faultfeatures;Faultinstance;Thetime-frequencyanalysis;Thecepstrumanalysis;Spectrumanalysis

目录

1齿轮的振动信号分析方法1

1.1时域分析1

1.2频谱分析，解调分析1

1.3细化谱分析......................................................................................................1

1.4倒频谱分析......................................................................................................1

1.5瀑布图分析......................................................................................................1

1.6阶次分析..........................................................................................................1

1.7时域同步平均分析..........................................................................................1

2齿轮故障特征...........................................................................................................1

3故障实例...................................................................................................................2

3.1某采油平台原油外输泵（螺杆泵）传动齿轮局部断齿..............................2

3.2某浮式储油轮热介质提升泵齿轮啮合不良..................................................3

3.3冷轧厂开卷设备齿轮故障案例......................................................................4

3.4某风电场风电机组齿轮箱高速轴齿轮损伤诊断案例..................................5

3.5二次圆筒混合机的齿轮减速机故障..............................................................8

参考文献.....................................................................................................................10

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1.齿轮的故障振动信号分析方法

1.1时域分析

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。

1.2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[1]。

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米。

1.3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。

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。

1.4倒频谱分析：

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。

1.5瀑布图分析：

改变输入轴的转速，得到瀑布图。

1.6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。

1.7时域同步平均分析：

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。

2.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：

a）各轴转速（输入轴、输出轴、中间轴）；b）外部转速或负荷的波动频率；c）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）；d）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。

另外，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[2]。

3.故障实例

3.1某采油平台原油外输泵（螺杆泵）传动齿轮局部断齿。

3.1.1设备形式及参数。

电机驱动直联双螺杆泵，螺杆之间以同步齿轮传动，齿轮齿数z=67电机转速n=995r/min（16.57Hz）。

3.1.2故障现象。

泵的非驱动端（同步齿轮安装在此侧）振动速度值增加，图1、图2是时域波形及频谱图3是图2的局部细化谱。

  3.3.1.3振动特征及分析。

在时域波形图中（图1）出现明显的冲击峰值，表明齿轮可能存在局部缺陷；频谱图（图2）中有齿轮啮合频率及二倍谐频，边频丰富，从图3可以看到，边频为转子工频，这说明啮合频率的振动幅值被转子工频冲击振动调制[3]。

                                             图1时域波形图

                                                        图2频谱图

                           图3二倍啮合频率局部放大图

（4）结论。

齿轮局部缺陷。

3.2某浮式储油轮热介质提升泵齿轮啮合不良

3.2.1设备形式与参数。

电机驱动直联齿轮泵，电机转速n=1478r/min、齿轮齿数z=12。

 3.2.2故障现象。

该泵运行时发出连续尖啸，非驱动端轴承温度偏高。

非驱动端轴承位置的时域和频域谱见图4、图5。

3.2.3振动特征及分析。

时域图中有很高的冲击值，频谱图中存在较高峰值的齿轮啮合频率及二倍频，且其振动速度值高于一倍频，但边频很少且幅值较低，表明齿轮啮合频率的振动并不是由于齿轮本身缺陷造成；齿轮泵非驱动端轴承温度偏高。

                                                      图4时域图

                                                        图5频谱图

       3.2.4诊断结论。

由此可以判断，该齿轮泵齿轮啮合严重不良，主要原因是两齿轮轴平行度超差。

       拆检后发现齿轮泵非驱动端的滑动轴承偏磨，造成两齿轮中心线不平行，导致齿轮啮合故障。

更换轴瓦后，设备运行正常[4]。

3.3冷轧厂开卷设备齿轮故障案例

冷轧厂开卷机设备简图及主要技术参数冷轧厂开卷机设备的简图见图1，

3.3.1其主要技术参数:

电动机转速为1 280 r/min;齿轮均为斜齿轮;联轴器为齿式联轴器。

图中的②一⑥点轴承均为心滚子轴承。

3.3.2测试参数及测点布置：

测试参数为速度、加速度，测点布置如图1的①一⑥所示。

3.3.3故障分析 

2004年以来，开卷机的振动增大，为此进行振动测试，共测试了②，③，④，⑤共4个测点，其中③测点的水平方向速度振值显著，加速度振值达107.30m/s，已是标准值的3倍多（标准值为30m/s），峭度指标为20.2，这预示齿轮箱在测点③附近存在故障。

在测点③水平方向的时域波形图（图2）中清晰地显示出每转一周都出现一个脉冲信号，脉冲间隔为134ms，频率值7.5Hz。

这恰与大齿轮箱高速轴（小齿轮所在轴）转速频率一致。

测点③水平方向频谱图（图3）上，由于故障信号的影响调制出大量的边频，谱线密集难以辨认，故取80一200Hz频段细化处理（图4）。

为了进一步验证结论，又进行了该点的倒频谱分析（图5），从倒频谱图上更清楚地看到主要的频率成分，其倒频率为134ms（即7.5Hz），正好对应大齿轮箱高速轴的转速频率[5]。

3.3.4诊断结论

根据齿轮故障诊断的原理，哪一对齿轮的啮率所对应的峰值较高，就说明哪一对齿轮出现了故障。

边频带的间隔等于哪一根轴的旋转频率，就说哪一根轴上的齿轮出现了故障。

经过上述分析，初判定开卷机大齿轮箱的小齿轮存在着故障。

不久，对该机进行停机检修，发现小齿轮上有个轮齿出现塑性变形，其中2个轮齿齿面上有凹坑，比较严重，属于小齿轮个别齿出现了局部损伤，因此，在啮合时，我们的分析判断得到了证实。

更换新齿轮后，再次进行测量，测点③的水平方向的速度幅值从3.9mm/s降到2.9mm/s，加速度幅值从107.3m/s降到6.2m/s，峭度指标从原来的20.2降到3.17。

说明该机已正常运行。

时域波形图上基本显示出正弦波状态（图6），的脉冲信号已消除。

从频谱图中看,187.7Hz、367.5565Hz是该轴的啮合频率及其2倍频，3倍频（此时该转速为340r/min，啮合频率为1~7.3Hz）。

啮合频率的边频幅值也很小（图7），这也说明故障已不存在。

3.4某风电场风电机组齿轮箱高速轴齿轮损伤诊断案例

3.4.1 概述 

中能电力科技开发有限公司于2010年9月在某风电场QL.I.5-8#机组（机型华锐SL82-1500）安装了风电机组振动在线监测系统ZNW1000。

2012年3月14日依据系统监测数据出具《某风电场风电机组振动分析报告》，报告分析指出齿轮箱高速轴齿轮存在轮齿损伤，建议加强该机组的日常维护，必要时对齿轮箱高速轴齿轮部分进行内窥镜检查[6]。

2012年5月该风电场对QL.I.5-8#号风力发电机组进行了检修，发现该机组齿轮箱高速轴齿轮存在严重的齿轮损伤现象，发生断齿现象。

3.4.2诊断过程 

齿轮箱、发电机参数信息：

齿轮箱：

大连重工 PPSC129（传动比：

1/104.125）

3.4.3振动监测测点部署 

华锐SL82-1500风电机组机械传动结构如图3所示，主要结构由主轴、齿轮箱、发电机三部分组成，齿轮箱传动结构为两级行星、一级平行传动。

本次在如图3所示的1-7个测点部位进行振动在线监测[7]。

趋势图分析：

图2（a）主轴前轴承垂直方向测点趋势图正常；图2（b）在齿轮箱高速轴轴垂直方向趋势图中可明显看出，在转速相同的情况下，该测点的RMS值在后期较前期有明显的增大，并有进一步增大的趋势，以上现象表明：

在机组相同工况条件下，齿轮箱高速后轴承部分的振动值在逐渐增大；图2（c）发电机前轴承垂直方向测点趋势图正常。

（2）基于故障频谱进行速度谱、加速度包络谱分析:

齿轮箱方面：

 如图3、5在齿轮箱高速端、低速端后轴承垂直方向包络谱图（2012-2-24 15:

04:

09）中存在29.91Hz和30.03Hz故障冲击频率成分，当时发电机转速为1800rpm左右，考虑风况变化认为两个冲击频率是一种故障冲击频率成分即齿轮箱高速轴转频；如图4、6在齿轮箱高速端、低速端后轴承垂直方向包络谱图（2012-2-23 20:

25:

27）中存在25.63Hz故障冲击频率成分，当时发电机转速为1600rpm左右，认为该故障冲击频率成分即为齿轮箱高速轴转频；四幅谱图中均存在齿轮箱高速轴转频故障冲击成分，则存在两种可能：

齿轮箱高速轴后轴承存在异常或齿轮箱高速轴齿轮轮齿存在损伤，该频率成分在低速轴、高速轴均存在，因此诊断认为齿轮箱高速轴齿轮轮齿存在损伤，结合其幅值该故障处于早中期阶段[8]。

3.4.4结论

根据以上分析，分析人员针对该机组的情况给某风场出具了相关诊断分析报告，说明机组齿轮箱高速轴轮齿存在损伤。

经风场工作人员协调联系，召集风机整机厂家人员、齿轮箱厂家人员及诊断分析人员到达现场，对该机组齿轮箱进行现场查看检查。

打开高速轴观察孔后，发现齿轮箱高速轴轮齿已严重折断，与诊断结论完全吻合一致。

3.5二次圆筒混合机的齿轮减速机故障。

3.5.1在运行点检时发现其振动噪声较大，随之用测振仪测量一段轴的垂直振动值为7.95mm/s.发现齿轮减速机存在较大隐患，需要及时在线做出诊断和制定处理方案。

3.5.2诊断过程

两齿轮啮合时产生了振动，该振动频率称为啮合频率。

啮合频率及其他一些高频成分两侧是由于故障调制效应产生的边频带。

经计算，该齿轮减速机的轴和齿轮啮合的特征频率见表1

利用振通932双通道振动信号分析仪及振通MCM3.0设备状态监测诊断软件进行测量、分析。

首先，从齿轮减速机的加速度频谱图〔图1）上发现，除齿轮转频之外还有1个比较明显的频率372.5H正好接近齿轮减速机一级啮合频率，且该处边频的频率间隔为3.5Hz与啮合频率符合测量频率372.5Hz，说明第一级齿轮与第二级齿轮啮合存在问题。

其次，由于轴弯曲和齿轮本身存在的缺陷和故障均可产生调制现象。

调制的载波频率有三种:

啮合频率及其高次谐波、齿轮谐振频率、箱体谐振频率。

不同激励能量有不同的调制振动:

①故障较轻.如轻微的轴弯曲或面积小、数最少的齿面点蚀，啮合频率为载频，轴频为调制频率;②故障严重、激振能量较大时，齿轮本身的谐振频率为载波频率;③故障非常严重、激励能量非常大时，箱体固有频率为载波频率[9]。

不同故障情况下，啮合频率呈现不同的形态:

①正常齿轮在一转内时域平均信号，信号由均匀的啮合频率分量组成;②齿轮安装对中不良，啮合频率受幅值调制，调制频率为转频及其低阶谐频;③齿面严重磨损，啮合频率严重偏离正弦信号，由于是均匀磨损故振幅起伏不大;④齿轮有局部剥落，振幅在某一部位有突跳。

3.5.3结论

从图I可看出是以一段轴齿轮的啮合频率和倍频为载波频率，并且二倍频也比较明显，通过对频谱图以及其边频带分析，可知，故障主要是由齿形误差引起的，原因是由齿轮安装对中不良或者联轴器安装不同心造成的齿形误差。

为此，利用停机检修时间拆解齿轮减速机，分别对齿轮表面进行清洗检查，未发现点蚀或齿面磨损;检查联轴器对中发现，联轴器对接缝处呈喇叭口形状，这正是齿轮减速机频谱异常的原因所在。

重新找正电机和齿轮减速机对中后开机运行，噪声降低、振动异常消失。

参考文献：

[1]沈庆根．化工机器故障诊断技术[M]．浙江：

浙江大学出版社出版，1994.

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上海交通大学出版社,1989.

[3] 季文美等.机械振动[M].北京：

科学出版社,1985.

[4] 方宗德.正齿轮传动的动载荷影响因素分析[J].西安交通大学学报,1988.5.

[5] 魏任之等.齿轮的修形与降噪[J].第二届全国齿轮动力学会议论文,1987.

[6]张超,陈建军,郭迅.基于EMD能量熵和支持向量机的齿轮故障诊断方法［J］.振动与冲击，29（10）:

216-220.

[7]李兵，米双山，刘鹏远，等．二维非负矩阵分解在齿轮故障诊断中的应用[Ｊ]．振动、测试与诊断2012,32（5）:

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[8]乔明，林飞，孙湖，等．基于异步电机的风力机模拟实验平台的研究[J]．电气传动，2009，39

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[9]陈雪峰，李继猛，程航，等．风力发电机状态监测和故障诊断技术的研究与进展[J]．机械工程学报，2011，47（9）：

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