齿轮振动故障特征及分析时需注意的若干问题

2017-11-20 15:46| 发布者: weixin| 查看: 1220| 评论: 1|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 齿轮振动故障特征

　　七种特征频率：
　　    · 低速齿轮旋转频率frg
　　    · 高速齿轮旋转频率frp
　　    · 齿轮啮合频率fm=frg*Zg=frp*Zp
　　    · 低速齿轮边带频率(fm±ifrg)
　　    · 高速齿轮边带频率(fm±ifrp)
　　    · 齿轮摆动频率ftr或齿轮重复频率fHT=(fm*Na)/(Zg*Zp)
　　    · 齿轮组合状态通过频率fa=fm/Na(Na=齿轮组合状态数)

　　齿轮特征频率之间的关系：ftr≤frg≤frp≤fa≤fm

　　以上关系式适用于任何两个齿轮的啮合!

　　齿轮正常时的频谱

　　正常齿轮的频谱表示高速齿轮和低速齿轮的转速，齿轮的啮合频率(GMF)和非常小的齿轮啮合频率的谐波频率。齿轮的啮合频率(GMF)通常在它们的两侧有高、低速齿轮的转速频率边带。所有尖峰的幅值都很小，没有激起齿轮的自然频率。已知齿轮的齿数时，建议频率范围Fmax设定为3.25XGMF(最低)，如果不知道齿轮的齿数，把频率范围Fmax设定为每根轴的转速的200倍。

　　齿轮磨损故障

　　齿磨损的关键指示是激起齿轮的自然频率(Fn)和在此齿轮自然频率两侧伴有磨损的齿的转速频率边带。当齿磨损明显时，虽然边带的幅值高并且在齿轮啮合频率(GMF)两侧出现的边带数增多，但是齿轮啮合频率(GMF)的幅值可能变化也可能不变化。边带是比齿轮啮合频率(GMF)本身更好的齿磨损的指示。而且，虽然齿轮啮合频率的幅值是可以接受的，但是2×GMF或3×GMF(尤其是3×GMF)的幅值经常很高。

　　齿轮承受大的负载

　　齿轮啮合频率(GMF)往往对齿的负载非常敏感。齿轮啮合频率(GMF)的幅值高未必一定指示有故障，尤其是如果边带频率幅值保持较小，没有激起齿轮自然频率的时候。为了频谱比较有意义，每次测量分析都应该在系统处于最大负载下运转时进行。

　　齿轮在大负载下的作用下振动频谱的特征

　　齿轮偏心和齿隙游移

　　偏心和齿隙游移两者激起齿轮自振频率和齿轮啮合频率。它们也可能在齿轮自振频率和齿轮啮合频率两侧产生许多边带。

　　如果某齿轮偏心，它将调制齿轮自振频率和齿轮啮合频率，齿轮自振频率和齿轮啮合频率两侧都有偏心的齿轮1X转速频率的边带。如果偏心齿轮与啮合的齿轮一起被强制压向齿底下的话，偏心的齿轮可产生很大的力，应力和振动。

　　齿轮偏心和齿隙游移的频谱

　　偏心的齿轮

　　齿轮不对中

　　齿轮不对中几乎总是激起第二阶或高阶齿轮啮合频率(GMF)谐波频率，并且它们都伴有转速边带。往往只显示小的齿轮啮合频率(GMF)的幅值，但是2x(GMF)或3×(GMF)的幅值较高。设定足以采集至少3×(GMF)谐波频率的Fmax最高频率范围很重要。而且，2×(GMF) 两侧常伴有2×转速频率边带。请注意，由于齿不对中，齿轮啮合频率(GMF)及其谐波频率的左侧和右侧的边带频率的幅值不等，引起不均匀磨损。

　　2X低速齿轮转速的边带

　　齿轮的破碎或断齿

　　有一个裂纹的，破碎或断的齿轮将产生这个齿轮1X转速及齿轮自振频率，并且，在齿轮自振频率两侧有齿轮转速的边带大的振动。这个特性与有大的、明显的剥落的齿的齿轮的特性一样。当然，不平衡的齿轮也会引起1X转速频率的大振动。因此，如下图所示的时域波形对确定主要问题是不平衡还是齿轮的断齿问题大有帮助。

　　状态良好的齿轮与有一个裂的或断齿的齿轮的时域波形的比较

　　齿轮的破碎或断齿

　　如上图所示，发现状态良好的齿轮显示平稳的，正弦波形(假定支承该齿轮轴的轴承没有故障)。然而，裂的，破碎的或断的齿，齿轮每次进入和退出啮合时，产生一个明显的尖峰。观察时域波形，可以确定故障是齿轮的齿或是像滚动轴承故障那样其他冲击事件造成的。在滚动轴承情况下，如果两次冲击之间的时间间隔相当于该齿轮的转速，这就代表了齿故障的强有力证据。如图，转速为600转/的齿轮，显示每0.10秒一个尖峰(0.10秒/周=10周/秒=600周/分)，则这就是裂的，破碎的或断的齿的强有力的证据。

　　如果在一根装有一个以上齿轮的轴上采集频谱，并且显示明显的时域波形和频谱中伴有断齿齿轮转速边带的自振频率，这未必清楚指示就是轴上齿轮有故障问题。这种情况下，对轴上每个齿轮进行冲击自振频率试验，并识别啮合的齿轮中哪个齿轮有故障问题。

　　齿轮组合状态问题

　　齿轮组合状态数：

　　低速齿轮齿数为15，高速齿轮齿数为9，因此将产生三种不同的磨损图象：

　　低速齿轮的齿号将接触高速齿轮的齿：
　　    · 1-10-4-13-7 1-7-4
　　    · 2-11-5-14-8 2-8-5
　　    · 3-12-6-15-9 3-9-6

　　第一种组合为：
　　低速齿轮1#齿与高速齿轮1#齿啮合。低速齿轮1#齿将只能与高速齿轮的1#，7#和4#齿啮合。低速齿轮1#齿不可能与其他齿啮合。

　　第二种组合：
　　低速1#齿与高速2#齿啮合。则低速1#齿将只能与高速2#。8#和5#齿啮合。不可能与其他高速齿啮合

　　第三种组合：
　　低速1#齿与高速3#齿啮合，则低速1#齿将只能与高速3#，9#和6#齿啮合，不可能与高速齿轮的其他齿啮合。

　　这对齿轮开始组装低速1#齿和高速1#齿啮合：如果下次重新安装时，变为低速1#齿与高速2#齿啮合。那么将产生一种新的磨损图象。这样，标准的啮合频率fm很明显。此外还有1/3啮合频率分量。此分量原来的磨损图象与新产生的磨损图象相互作用造成复杂的啮合作用结果。形成许多和频及差频幅值和频率调制。

　　齿轮组合状态通过频率fa：fa=fm/Na赫兹

　　以上例子，低速齿轮齿数为15，高速齿轮齿数为9，则Na=3(这对齿轮齿数的最大公约数为3，即只有3种组合的可能)。所以，这对齿轮的组合状态通过频率为fa=fm/3。

　　齿轮组合状态频率GAPF=3000CPM=0.20XGMF(齿轮啮合频率的分数倍频率)

　　齿轮组合状态频率(GAPF)可产生齿轮啮合频率的分数倍频率(如果NA大于1)。这字面上意味着(Tp/NA)齿轮的齿将接触，产生NA磨损图象，这里，给定齿轮组合状态中的NA等于大齿轮齿数和小齿轮齿数的最大公约数(NA=组合状态因子)。如果齿轮有制造缺陷，则将出现齿轮组合状态频率(GAPF)(或其谐波频率)。如果污染颗粒通过齿轮啮合，导致吸入污染颗粒时啮合的齿进入和退出啮合中或者重新定位齿轮时使啮合的齿损坏，于是在定期监测的频谱中突然出现齿轮组合状态频率(GAPF)。

　　齿摆动故障

　　如果低速齿轮和高速齿轮都有故障，高、低速齿轮的各自的故障同时进入啮合时，将对振动产生最大的影响，这就是齿摆动频率。齿摆动频率非常低，一般在次声(低于20赫兹)范围。由于频率非常低，因此，常规振动传感器及频谱分析仪难以检测，需要低频检测技术。

　　齿轮摆动频率ftr：ftr=(fm*Na)/(Zg*Zp)赫兹

　　用振动分析可以检测齿轮的故障

　　    · 齿轮的齿的磨损
　　    · 齿轮的齿承受过大的负载
　　    · 齿轮偏心或齿隙游移
　　    · 裂的、破裂的或断的齿轮的齿
　　    · 齿轮组合状态问题
　　    · 齿轮的齿摆动故障

　　对于齿轮振动分析的若干说明：
　　1. 应该在每个可达的轴承座上进行振动测量。下图表示在位置3处双列轴承及位置4到位置7的四个锥形滚棒轴承上进行振动测量。重要之点是，振动传感器应该尽可能固定在靠近支承本身的地方。往往会遇到，在距轴承有一定距离的地方测量振动。然而，这种情况下，应确保框架或内部腹板直接连到轴承座上，在这些地方布置传感器并尽可能接近，进行振动测量。

　　2. 应该在三个方向。(水平，垂直和轴向方向)进行振动测量，尤其是当某些齿轮主要在一个方向产生力，或者根据负载，一次监测与下一次监测可能不一样的其他情况下。

　　伞齿轮，两级减速齿轮箱分析的典型设置

　　3. 通常，遇到螺旋，斜齿和伞齿轮时，在轴向方向产生明显的振动。这些类型齿轮最佳的状态监测往往在轴向方向。

　　4. 通常，对直齿圆柱齿轮，在径向方向评定最好，但有时可能会存在明显的轴向振动，尤其是如果齿的对准有问题时。为了评定齿轮的状态，往往必须测量非常高频率的振动。至少要评定3X啮合频率的频率范围Fmax=3.25X GMF，经常遇到在齿啮合频率基频(GMF)处没有什么振动，但是在2X齿啮合频率或3X齿啮合频率(2GMF或3GMF)处，出现比在GMF基频处振动10倍大得多的振动。因此，如果不测量这些高频率范围内的信号，必将忽略了潜在的，明显的故障。

　　5. 在大多数利用计算机软件的预测维修程序中，因为在低速谐波频率与齿轮啮合频率本身之间频率变化很广，所以在每个齿轮位置必须进行两个频率范围的两种测量。这些情况下，用低的频率范围评定诸如不平衡、不对中、松动和电气故障等，用另一高频率范围评定齿轮的状态。

　　来源：节选自百度文库《振动的基础知识及振动测量》，zah123分享与2016年2月18日

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