齿轮故障的振动信号特征
  
  齿轮故障比较复杂,在实际工作中,通常是先利用常规的时域分析、频谱方法对齿轮故障做出诊断,这时就需要我们对故障齿轮的信号特征有一定的了解。
  
  正常齿轮的振动信号特征
  
  正常运转而没有缺陷的齿轮由于齿轮自身刚度等原因在传动过程中也会产生振动。
  
  1.时域特征
  
  正常齿轮由于刚度的影响,其波形为周期性的衰减波形,其低频信号具有近似正弦波的啮合波形,如图1所示。
  
  图1 正常齿轮的低频振动波形
  
  2.频域特征
  
  正常齿轮的信号反映在功率谱上,有啮合频率及其谐波分量,即有nfc(n=1,2,…),且以啮合频率成分为主,其高次谐波依次减小;同时,在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波mfr(m=1,2,…),其频谱如图2所示。
 
  
  图2 正常齿轮的频谱
  
  故障齿轮的振动信号特征
  
  1.均匀磨损
  
  齿轮均匀磨损是指由于齿轮的材料、润滑等方面的原因或者长期在高负荷下工作造成齿面大部分磨损。
  
  (1)时域特征
  
  齿轮发生均匀磨损时,导致齿侧间隙增大,通常会使其正弦波式的啮合波形遭到破坏,图3所示的是齿轮发生磨损后引起的高频及低频振动。在此情况下发生的冲击振动频率为1kHz以上的高频,与此同时,正弦波中低频啮合的频率成分也增大。
 
  
  图3 磨损齿轮的高频振动(a)和低频振动(b)
  
  (2)频域特征
  
  齿面均匀磨损时,啮合频率及其谐波分量nfc(n=1,2,…)在频谱图上的位置保持不变,但其幅值大小发生改变,而且高次谐波幅值相对增大较多。分析时,要分析三个以上谐波的幅值变化才能从频谱上检测出这种特征。图4所示反映了磨损后齿轮的啮合频率及谐波值的变化。
  
  图4 均匀磨损时的频谱
  
  随着磨损的加剧,还有可能产生1/k(k=2,3 ,4 ,…)的分数谐波,有时在升降过程中还会出现如图5所示的呈非线性振动的跳跃现象。
  
  图5 振幅跳跃现象
  
  2.齿轮偏心
  
  齿轮偏心是指齿轮的中心与旋转轴的中心不重合,这种故障往往是由于加工造成的。
  
  (1)时域特征
  
  当一对互相啮合的齿轮中有一个齿轮存在偏心时,其振动波形由于偏心的影响被调制,产生调幅振动,图6为齿轮有偏心时的振动波形。
  
  图6 偏心齿轮的振动时域波形
  
  (2)频域特征
  
  齿轮存在偏心时,其频谱结构将在两个方面有所反映:一是以齿轮的旋转频率为特征的附加脉冲幅值增大;二是以齿轮每转为周期的载荷波动,从而导致调幅现象,这时的调制频率为齿轮的回转频率,比所调制的啮合频率要小得多。图7为具有偏心的齿轮的典型频谱的特征。
  
  
图7 齿轮偏心的频谱
  
  3.齿轮不同轴
  
  齿轮不同轴故障是指由于齿轮和轴装配不当造成的齿轮和轴不同轴。不同轴故障会使齿轮产生局部接触,导致部分轮齿承受较大的负荷。
  
  (1)时域特征
  
  当齿轮出现不同轴或不对中时,其振动的时域信号具有明显的调幅现象。如图8所示为其低频振动信号呈现明显的调幅现象。
  
  图8 不同轴齿轮波形
  
  (2)频域特征
  
  具有不同轴故障的齿轮,由于其振幅调制作用,会在频谱上产生以各阶啮合频率nfc(n=1,2,…)为中心,以故障齿轮的旋转频率fr为间隔的一阶边频族,即nfc±fr(n=1,2,…)。同时,故障齿轮的旋转特征频率mfr(m=1,2,…)在频谱上也有一定反映。图9为典型的具有不同轴故障齿轮的特征频谱。
 
  
  图9 不同轴齿轮的频谱
  
  4.齿轮局部异常
  
  齿轮的局部异常包括齿根部有较大裂纹、局部齿面磨损、轮齿折断、局部齿形误差等,图10表示了几种常见的异常情况。
 
  
  图10 齿轮的局部异常
  
  1-齿根部有裂纹;2-局部齿面磨损;3-局部齿形误差;4-断齿
  
  局部异常齿轮的振动波形是典型的以齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲,如图11所示。
  
  图11 局部异常齿轮的振动波形
  
  具有局部异常故障的齿轮,由于裂纹、断齿或齿形误差的影响,将以旋转频率为主要频域特征,即mfr(m=1,2,…),如图12所示。
  
  图12 局部异常的齿轮频谱
  
  5.齿距误差
  
  齿距误差是指一个齿轮的各个齿距不相等,存在有误差。齿距误差是由齿形误差造成的,几乎所有的齿轮都有微小的齿距误差。
  
  (1)时域特征
  
  具有齿距误差的齿轮,其振动波形理论上应具有调频特性,但由于齿距误差一般在整个齿轮上以谐波形式分布,故在低频下也可以观察到明显的调幅特征,如图13所示。
  
  图13 有齿距误差齿轮的振动波形
  
  (2)频域特征
  
  有齿距误差的齿轮,由于齿距的误差影响到齿轮旋转角度的变化,在频率域表现为包含旋转频率的各次谐波mfr(m=1,2,…)、各阶啮合频率nfc(n=1,2,…)以及以故障轮的旋转频率为间隔的边频nfc±mfr(n,m=1,2,…)等,图14表示具有齿距误差的齿轮的频谱特征。
  
  图14 有齿距误差齿轮的频谱
  
  6. 齿轮不平衡
  
  齿轮的不平衡是指齿轮的质心和回转中心不重合,从而导致齿轮副的不稳定运行和振动。
  
  (1)时域特征
  
  具有不平衡质量的齿轮在不平衡力的激励下会产生以调幅为主、调频为辅的振动,其振动波形如图15所示。
  

  图15 不平衡齿轮的振动波形
  
  (2)频域特征
  
  由于齿轮自身的不平衡产生的振动,将在啮合频率fc及其谐波两侧产生mfc±nfr( m,n=1, 2, 3,…)的边频族;同时,受不平衡力的激励,齿轮轴的旋转频率及其谐波nfr的能量也有相应的增加,如图16所示。
  
  图16 不平衡齿轮的频谱
  
  表1 常见齿轮故障的振动时域波形及频谱特征的对照
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