齿轮箱中滚动轴承的故障诊断

齿轮箱中滚动轴承的故障诊断

安博

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摘要：齿轮箱中滚动轴承故障诊断具有技巧性，通过振动技术应用特点的阐述以及实际案例的诊断分析，总结出判断该故障应注意有关事项。

关键词：齿轮箱；滚动轴承；故障；诊断

1.前言

据资料统计，齿轮箱内零部件失效情况中，齿轮和轴承的失效所占比重最大，分别为60%和19%。因此，齿轮箱故障诊断研究的重点是齿轮和轴承的失效机理与诊断方法。

2.齿轮箱的典型故障特征分析

2.1齿形误差

齿形误差时,频谱产生以啮合频率及其高次谐波为载波频率,齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制现象,谱图上在啮合频率及其倍频附近产生幅值小且稀疏的边频带;解调谱上出现转频阶数较少,一般以一阶为主。而当齿形误差严重时,由于激振能量较大,产生以齿轮各阶固有频率为载波频率,齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制现象。齿形误差的主要特征为:

(1)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;当齿形误差严重时,由于激振能量较大,以齿轮各阶固有频率为载波频率,齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制;

(2)振动能量(包括有效值和峭度指示)有一定程度的增大;

(3)包络能量(包括有效值和峭度指示)有一定程度的增大。

2.2齿轮均匀磨损

齿轮均匀磨损时由于无冲击振动信号产生,所以不会出现明显的调制现象。当磨损发展到一定程度时,啮合频率及其各阶谐波幅值明显增大,而且阶数越高,谐波增大的幅度越大。同时,振动能量(包括有效值和峭度指标)有较大幅度的增加。

2.3箱体共振

箱体共振时,在谱图上出现了箱体的固有频率成份,一般情况下共振能量很大,而其它频率成份则很小或没有出现。

2.4断齿

断齿时域表现为幅值很大的冲击型振动,频率等于有断齿轴的转频。而频域上在啮合频率及其高次谐波附近出现间隔为断齿轴转频的边频带;边频带一般数量多、幅值较大、分布较宽。解调谱中常出现转频及其高次谐波,甚至出现10阶以上。同时由于瞬态冲击能量大,时常激励起固有频率,产生固有频率调制现象

2.5轴轻度弯曲

轴轻度弯曲时,在齿轮传动中将导致齿形误差,形成以啮合频率及其倍频为载波频率,以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象,如果弯曲轴上有多对齿轮啮合,则会出现多对啮合频率调制。但一般谱图上边带数量少而稀,它与齿形误差虽有类似的边带,但其轴向振动能量明显加大。

2.6轴严重弯曲

轴严重弯曲时,时域有明显的冲击振动,以一定的时间间隔出现,冲击持续了整个周期的1/3以上,这与单个断齿和集中型故障产生的冲击振动有明显区别,这是轴严重弯曲造成的齿轮啮合过程中连续多次冲击振动构成的一次大的冲击过程。当冲击能量很大时激励起箱体的固有频率,振幅很大。轴严重弯曲振动能量很大,为一种严重故障,产生箱体共振调制现象。轴严重弯曲时,形成以啮合频率及其倍频、齿轮固有频率、箱体固有频率为载波频率,以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象,如果弯曲轴上有多对齿轮啮合,则会出现多对啮合频率调制。谱图上边带数量较宽,轴向振动能量明显加大。

2.7轴向窜动

当轴上有两个同时参与啮合的斜齿轮时,有时会发生轴向窜动现象。此时,时域表现为频率与有故障轴上相啮合的两对齿轮中较大的啮合频率相等,一周内有正负各一次大的尖峰冲击振动,频域中啮合频率幅值明显增大。

2.8轴有较严重的不平衡

轴有较严重的不平衡时,在齿轮传动中将导致齿形误差,形成以啮合频率及其倍频为载波频率,以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象,但一般谱图上边带数量少而稀。但在谱图中其有故障轴的转频成分明显加大。

3.齿轮箱中滚动轴承故障的特点

一般情况下，当齿轮箱发生故障时，故障的特征频率会大量出现谐波，同时其周边会存在许多边频带。由于引起故障的原因很多，许多故障的振动现象不是单一的，轴承故障特征频率也会受到调制。当齿轮箱滚动轴承出现故障时，在滚动体相对滚道旋转过程中，常会产生有规律的冲击，能量较大时，会激励起轴承外圈固有频率，形成以轴承外圈固有频率为载波频率，以轴承通过频率为调制频率的固有频率调制振动现象。当齿轮箱滚动轴承出现严重故障时，在齿轮振动频段内可能会出现较为明显的故障特征频率成分。这些成分有时单独出现，有时表现为与齿轮振动成分交叉调制，出现和频与差频成分，和频与差频会随其基本成分的改变而改变。

4.齿轮箱中滚动轴承故障诊断的难点

4.1确定齿轮箱中间传动轴的转速难

齿轮箱通常具有多级结构，每级传动产生不同的速比。一般情况下，齿轮箱厂家仅提供齿轮总速比，并不详细提供每级传动速比以及齿轮齿数，这为准确判断中间传动轴的轴承故障增加了难度。确定每根传动轴的转速，是正确分析判断轴承故障的关键，因为轴承故障特征频率是与轴承结构尺寸及轴的转速相关。轴承的结构尺寸（滚子直径、滚子分布圆直径、接触角）以及轴承滚子数量等是内在因素，是由轴承制造商决定的。而转速是属外在因素，同一轴承在不同的转速上，轴承的故障特征频率不同。

4.2确定频谱中故障特征频率成分难

目前齿轮箱故障诊断方法是以箱体振动信号进行研究的，信号在传递过程中经过的环节很多，例如齿轮信号传递会经过以下环节：齿轮—轴—轴承—轴承座—测点，这样会导致部分信号在传递过程中衰减或受调制。另外，由于齿轮箱结构复杂，工作条件多样，箱内多对齿轮和滚动轴承同时工作，频率成分多且复杂，各种干扰较大。所以传感器所提取的振动信号中，各信号频率杂、多且不易区分，确定其中某故障特征频率就存在一定难度。滚动轴承故障产生的振动信号能量要比齿轮或轴系故障产生的振动能量小，其故障信号很容易被淹没在其他振动信号中，故障特征更不明显，这为确定轴承故障特征频率增加了很大难度。

5.诊断策略

为了综合利用典型故障的特征,必须采用对加速度和速度进行两时域(原始时域信号和包络时域信号)特征值分析和三频域(频谱、细化谱、解调谱)分析的方法。由于振动信号的时域均方值反映了平均振动能量,时域峰值、峭度和峰值指标在一定程度上反映出振动信号是否含有冲击成分,而包络时域均方值可直接反映出振动信号包络大小,峰值、峭度和峰值指标则可直接反映出振动冲击信号的尖锐程度,所以在时域一般选用这四个特征值作为诊断参量。在齿轮箱故障诊断中频谱主要用于分析振动加速度信号中齿轮啮合频率和轴承内、外环固有频率等中高频成分;细化谱主要用于分析振动速度信号中各轴转频和轴承各组件通过频率等低频成分;解调谱主要用于分析振动加速度信号中各轴转频和轴承各组件通过频率等低频成分。齿轮箱因结构的复杂性,其振动的频率成分很多,故一定要在建立档案的基础上来判断是否存在故障,并在此基础上进行故障诊断。建档分为如下几个方面:

5.1机器特征和参数特征:主要是建立各轴的转频、齿轮啮合频率、滚动轴承运动学和动力学特征频率,设置振动速度和加速度的报警系数,为建档和诊断建立相关参数表。

6.结束语

综上所述，由于齿轮箱的结构复杂,工作环境一般比较恶劣,各种干扰较大,涉及问题较多,齿轮箱典型故障的提取是一项难度较大的工作,还需要进一步研究。

参考文献

[1]张辉.现代造纸机械状态监测与故障诊断.北京，中国轻工业出版社,2016.12

[2]丁康等.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术.北京，机械工业出版社,2016.5