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1、 2 0 1 2年 5月 第 5期(总第 1 6 2期)轻工科 技 u G H T u s T R Y s c I E N c E A N D T E c H N o L，0 G Y 机械 与 电气 齿轮的振动分析和故障诊断方法 谭 琛 (柳州职业技术学院，广西 柳州 5 4 5 0 0 6)【摘 要】针对电 机 行业 齿轮运行中出 现的问 题，分 析齿 轮箱的 振动和故障 特征，研究齿 轮的 工作稳定性，探讨齿 轮的 故障 诊断标准，分析齿轮在工作过程中的故障以及故障的诊断方法，为现代的工业设备控制提供解决方案。【关键字】齿轮；振动；故障 诊断；小波变 换【中图分类号】T H 1 3 2 【
2、文献标识码】A 【文章编号】2 0 9 5 3 5 1 8(2 0 1 2)0 5 7 0 0 2 在现代工业当中，齿轮有着非常重要的作用，无论是在工 业传动，农业机械，汽车工业，机床加工，船舶等很多领域当中 都有着十分广泛的应用，在现代工业的发展当中，可以说离开 了齿轮整个现代工业史将无法正常运转。随着技术的发展，在 工业领域中，齿轮也朝着小型化高效化的方向发展。齿轮的机 械强度在不断的提高，齿轮的制造尺寸又在不断的缩小，齿轮 传动过程中的传动效率在不断提高，在这一过程中对齿轮的稳 定性和可靠性也提出了更高的要求。在电机行业当中，为了提 高齿轮的传动效率，有时会将多个齿轮组合在一起形成一套齿
3、 轮传动组件，这种齿轮传动组件也被称之为齿轮箱，是 目前现 代机械领域当中的一个非常重要的机械部件。齿轮箱的应用非 常广泛，有用于控制运动机构加速或减速的变速齿轮箱，也有 用于控制运动部件运动方向的传动齿轮。此外，还可以通过齿 轮箱给运动部件传递不一样的力矩，实现传动动力的不同分配 和传输。再者，也可以实现齿轮的啮合与分开的功能，最为常见 的汽车离合器事实上就是一个齿轮箱。无论是单个的齿轮，还 是多个齿轮组成的齿轮箱都是现代机械工业中的重要基本元 件，这些元件的工作可靠性直接影响着现代工业设备的运行稳 定性。因此，研究齿轮的工作稳定性，分析齿轮在工作过程中的 故障以及故障的诊断方法对现代的工业
4、设备控制具有非常明 显的现实意义。1 齿轮箱的振动和故障特征 齿轮箱的故障主要是齿轮在工作过程当中表现出与其预 期功能状态严重不一致的情况，比如齿轮失效，齿轮断裂，齿轮 传动的力矩方向不到位等这些功能性的缺失或改变，或者在运 行性能精度上的明显改变，都可以称之为齿轮箱的故障。造成 这种故障的原因有很多，有些是齿轮箱设计上存在缺陷；也有 可能是由于齿轮箱在装配安装的时候有误差导致齿轮箱工作 不正常；还有可能是因为齿轮箱因为长期工作而产生的磨损使 得齿轮箱工作的性能和预期相差甚大；还有可能是齿轮箱在工 作过程中由于工作环境和工作条件的因素导致齿轮箱工作不 正常，最为典型的比如齿轮箱在力矩负荷的时候
5、超出了其预期 的负荷范围就有可能导致齿轮箱失效。目前针对的齿轮箱当中基本上都是由各种齿轮以及传动 轴轴承，齿轮箱体等主要部件所组成。在所有这些组成部件中，齿轮是最为核心的部件，传动轴和轴承是起着动力传动和支撑 的作用，从齿轮箱发生的故障情况来分析，目前绝大多数的齿 轮箱故障都是集中在齿轮故障方面，因此对齿轮箱的故障研究 重点也就集中在对齿轮的故障研究。针对齿轮箱故障的研究，目前主要有两种研究的方法：一 种是通过对齿轮箱当中的齿轮工作机理进行研究，分析齿轮箱 在什么工作条件下可能会导致齿轮的工作失效，比如通过研究 齿轮的机械尺寸和受力分析，掌握齿轮的正常工作条件范围，确定齿轮在装配和运行过程中需
6、要注意的各种条件，形成齿轮 故障检测的相关标准；另外一种研究方法主要集中在对齿轮采 集到的振动信号进行分析，通过对齿轮振动过程中的振动信号 进行采集，再采用一定的振动信号分析手段，比如基于快速傅 里叶变换(F a s t F o u r i e r T r a n s f o r m，F F T)的信号处理方法，或者 基于小波变换的信号处理方法实现对采集的齿轮振动信号进 行深入的分析，获取齿轮的工作情况是否正常，是否存在某些 潜在的故障危险。本文围绕振动信号分析的方法对齿轮的故障 进行深入的研究，主要是通过在电主轴中部署一定的振动传感 器，对齿轮的工作状况进行检测，获取齿轮工作状况的原始信 息
7、，然后再采用一系列的信号处理方法对齿轮的工作状况进行 判断，检测齿轮箱在工作过程当中是否有故障。2 齿轮箱故障的主要特征 齿轮箱出现故障的时候有的现象是比较明显，有的现象并 不是太明显，归纳起来主要可以从齿轮箱的外在特征和齿轮箱 的内在特征去判断齿轮箱是否存在故障，从外在特征来分析，当齿轮箱存在故障的时候主要的表现情况可能会有齿轮箱在 工作过程当中出现比较明显的噪音或者异响，这说明齿轮箱内 部的齿轮啮合存在问题。由于在齿轮箱内部有大量的润滑液，如果齿轮箱出现漏液或者渗液等情况则也可以说 明齿轮箱可 能存在有故障。当齿轮箱散发出某些特殊的气味，或者温度出 现明显的异常时，则表明齿轮箱内部出现故障
8、导致润滑液挥发 出来，并可能使箱体急剧发热。对齿轮箱内部的一些故障表现【作者简介】谭琛(1 9 7 2 一)，女，广西东 兰 人，工 程硕士，高 级工程师，从事机 机电设 备维护工 作与 教学 工作。【基金项 目】2 0 1 2 年广西教育厅科 研课题：加工中 心电 主轴振动故障诊断与 检测 7 0 主要集中在齿轮箱功能特征的变化，即齿轮箱在正常情况下会 有一个工作指标，当齿轮箱出现故障之后则有可能会表现出齿 轮箱的输出功率不正确，输出的传动力矩与预期不一致等，这 些都是齿轮箱发生故障的特征。3 齿轮的故障诊断标准 齿轮从设计、制造、到安装使用过程中，有很多因素都会导 致齿轮工作发生故障。针对
9、不同的故障原因有不同的诊断标 准。齿轮在设计过程当中存在的最主要的故障是齿形故障，齿 形故障指的是齿轮表面的齿形与设计要求的齿形曲线不一致，或者齿轮在制造和安装之后齿轮表面的运动曲线与设计时要 求的运动曲线不一致。当齿轮在工作过程当中存在齿形故障 时，齿轮工作时就会产生异常的工作信号，此时需要将这种齿 轮的振动信号进行提取，并分析其是否存在齿形故障。第二种 故障的原因是齿轮在工作过程中长期的磨损导致齿轮表面发 生摩擦和损耗，此时齿轮表面的曲面与设计时的要求曲面方程 不一致，这也将会导致齿轮在工作的时候发生故障，这种故障 的特征与齿轮固有的齿形故障不一样，因此他们所产生出来的 振动信号经过分析应
10、是能够区分开来的。除此之外，齿轮在工 作过程当中还有另外两种非常重要的故障因素：一种是齿轮轴 的轴向振动，另一种是齿轮沿着轴向发生振动。齿轮轴的轴向 振动指的是齿轮在工作的时候齿轮轴沿着轴向的方向发生上 下的振动，由于齿轮是固定在齿轮轴上面，因此当齿轮轴发生 轴向振动的时候就会导致齿轮和齿轮之间的啮合面也在不断 的发生改变，这一改变会直接导致齿轮的严重磨损，并且会出 现不均匀的磨损，大大缩短齿轮的工作寿命，从而很容易会产 生齿轮在工作过程当中啮合力和传动效率的不稳定。另一种常 见的齿轮故障是齿轮沿径向发生振动，是指齿轮在工作过程当 中沿着与轴垂直的方向发生振动，这种振动会导致齿轮和齿轮 之间的
11、啮合面发生偏移，齿轮与齿轮之间所传递的啮合力和力 矩都是处在一个动态变化的过程中，这也会导致齿轮工作发生 故障。因此这两种振动也是在齿轮工作过程当中重点进行分析 和研 究的。4 齿轮的故障诊断方法 由于齿轮发生故障的时候都会产生一些振动，因此对齿轮故 障的诊断方法主要是基于对齿轮的振动情况进行分析，得出齿轮 是否存在故障的结论。目前这种振动的方法主要分为三大类：第一类是针对齿轮振动的绝对值(如轴向振动、径向振动 等参数)进行监测，检测齿轮的振动是否正常，这种监测方法的 思想是首先对齿轮的工作过程进行理论上的分析，建立齿轮工 作的相应模型，得出齿轮在正常工作期间的振动范围，然后对 齿轮实际工作的
12、情况进行监测，实时的采集齿轮在工作过程中 的各种振动指标，比如齿轮的轴向振动，径 向振动等参数是否 正常，并将采集到的数值与齿轮振动的参考值进行对比，如果 在参考值范围内则认为齿轮的工作属于正常状态，如果超出了 齿轮的振动范围，则认为齿轮可能存在一定的故障。这种方法 要求在监测之间拥有齿轮的正常工作参考数值，这种参考数值 既可以是通过对齿轮的工作过程建模分析得到，也可以是齿轮 在设计时所遵循的设计规范推导而出。但是在实际过程当中无 论是哪一种方法都是很难得到齿轮理想的参考值。尤其是当齿 轮是用在不同的工作环境不同的负荷场合时，齿轮的参考振动 范围数值很难被确定，因此也就无法对齿轮工作过程中的振
13、动 是否异常做出判断。第二类齿轮故障的诊断方法是采用齿轮的相对参考值进 行故障诊断。在前面的检测方法当中，由于很难准确地获得齿 轮的理想参考值，因此可以采用一种近似的方法来获取齿轮的 参考振动值，即采集一批正常工作的齿轮振动数值，然后再计 算这些数值的平均值，得出齿轮正常工作时候的平均振动值，以这个平均振动值来作为齿轮工作的参考值进行齿轮故障的 判断。这种振动方法具有一定的实用性，并且齿轮的参考振动 值也是比较容易获得，但是它的局限性也是非常明显的，主要 表现在通过求平均值的方式获取的参考值并不是太准确，当顾 客采取不同的齿轮样本集进行分析将会得到不一样的齿轮参 考平均值，由于齿轮参考平均值不
14、一样必然也会导致齿轮故障 诊断得出的结论的不一样。此外，这种诊断方式是一种低效率 的诊断方式，其检测的时候只能够针对每一个瞬间的齿轮振动 情况进行判断，如果要知道齿轮箱长时间的工作过程是否处于 一个正常状态，那么要进行监测和对比的数据量将会非常庞 大，增加齿轮故障判断的成本，而对于齿轮瞬间的工作状态用 这种方式来检测时很难得到理想的效果，因为齿轮瞬间状态下 的振动参考值和齿轮瞬间采样点的选取都是不太容易实现的，因此这种故障诊断所得到的诊断精度也很低。第三类故障的诊断方法是基于齿轮振动的信号处理算法 来进行齿轮故障判断的。目前针对齿轮故障的信号处理方法主 要有基于傅立叶变换的信号处理方法和基于小
15、波变换的信号 处理方法。这两种信号的处理方法都是将空间域上的一种信号 转换到频率域上进行分析，在 日常生活中大量的信号在空间域 上的变化并不明显，我们采用传统的方式很难针对这种空间域 上的信号发现差异和差别，但是如果将这种空间域上的信号转 换到频率域上之后，按照信号的这种数控转换原理转换之后信 号的能量都被集中在低频信号的系数上面而在一些高频信号 的系数上则将反应这些信号与信号之间的差异，因此采用这种 时频转换的方式将会对这种空域的方式有非常明显的处理效 果，尤其是以小波分析为代表的信号处理方法在很多信号处理 领域中已经获得了广泛的应用，而基于傅立叶变换的信号处理 方法本质是与小波变换是一致的
16、，从数学的角度来分析，傅立 叶变换实际上属于小波变换的一种特殊情况，本文在研究齿轮 信号故障方法的时候也将主要采用小波变换的原理来对齿轮 的故障进行分析和处理。参考文献【1】姜万录，张淑清，王益群 液压泵故障的小波变换诊断方法 机械工 程学报，2 0 0 1，3 7(0 6)：3 4-3 7 2 孙 小毅，张 昌明，彭玉 海 精 密 电主轴 装配 工艺研 究U】机 械与 电子，2 0 1 0 (0 1)：7 5 7 7 3 宋德儒。吴 玉厚，张坷 高速精密 实验磨床 电主轴振动特性 的实验研 究 】中国设备工程，2 0 0 5，(0 8)：4 6 4 8 4】熊万里，吕浪，阳雪兵，等 高频变流诱发的电主轴高次谐波振动及其 抑制方法U 振 动工程学报，2 0 0 8，2 1(0 6)：6 0 0 6 0 7