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论文作者签名:
日期:
指导教师签名:
专科学生毕业论文
齿轮箱故障诊断的研究
系部名称:
机电工程学院
专业班级:
机电一体化Z08-2班
学生姓名:
路遥
指导教师:
马武学
职称:
黑龙江工程学院
二○一一年六月
Collegestudentgraduationthesis
GearboxFaultDiagnosisOfResearch
Candidate:
LuYao
Specialty:
Electromechanicalintegration
Class:
Z08-2
Supervisor:
AssociateProf.MaWuxue
HeilongjiangInstituteofTechnology
2011-06·
Harbin
摘要
随着科学技术的不断发展,机械设备向着高性能、高效率、高自动化和高靠
性的方向发展。
齿轮箱由于具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点,是用于改变转速和传递动力的最常用的传动部件,是机械设备的一个重要组成部分,也是故障易于发生的一个部件,其运行状态对整机的工作性能有很大的影响。
它的损伤和失效常常导致传动系统或整机的故障,从而导致重大安全事故。
本文首先从齿轮箱故障定义出发分别介绍了齿轮箱各个部位在出现故障时
会出现什么样的征兆和现象。
然后从齿轮的角度出发,介绍了齿轮箱中齿轮在日常工作中会出现哪些故障和发生故障时所出现的现象以及解决方法。
其次从齿轮产生故障时的调制现象和边频带分布特点进行研究。
找到相应的解决办法最后介绍了时域和频域以及小波分析在齿轮箱故障诊断中的应用。
以及我国风力发电的发展现状和发展趋势,并对风电齿轮箱的现状进行了介绍。
[关键词]:
时域、频域、风电。
ABSTRACT
Alongwiththedevelopmentofscienceandtechnology,mechanicalequipmenttowardhighperformance,highefficiency,highautomationandhighdependSexualdirection.Gearboxduetoitsratiofixed,transmissiontorque,compactstructureetc,andisusedtochangespeedandtransmitpowertransmissioncomponentsofthemostcommonlyusedmechanicalequipment,isanimportantpartofthefault,ispronetoacomponentofthemachine,theoperationstateoftheworkingperformancehasverybigeffect.Itsdamageandfailureoftenledtodrivesystemormachine'
sfault,resultinginseriousaccidents.
Thispaperfromthegearboxfaultdefinitionrespectivelyintroducesgearboxeachplaceinmalfunction
Willappearwhatkindofwarningsignsandphenomena.ThenfromtheAngleofgears,introducesthegearboxofgearindailyworkwillappearwhatfaultsandfaultphenomena,andwhathappensolutions.Secondgearnoisefaultfromthemodulationphenomenonandedgebanddistributioncharacteristicswerestudied.Findthecorrespondingsolutionandfinallyintroducesthetimedomainandfrequencydomainandwaveletanalysisingearboxfaultdiagnosisofapplication.AndthedevelopmentofwindpowerinChina,andthepresentsituationanddevelopmenttrendofwindpowergearboxstatuswereintroduced.
Keywords:
fortimedomain.forfrequencydomain,thewindpower.
第1章绪论
1.1选题的背景
齿轮箱作为机械设备中一种必不可少的连接和传递动力的通用零部件,在金属切削机床、航空、电力系统、农业机械、运输机械、冶金机械等现代工业设备中得到了广泛的应用。
在今天科学技术飞速发展的时代,机械装备向着大型化、高效率、自动化和高性能的方向发展,作为传递运动和动力的齿轮装置几乎在大型设备中都具有重要的作用。
但由于其本身结构复杂,工作环境恶劣等原因,齿轮箱容易受到损害和出现故障。
齿轮失效又是诱发机器故障的重要因素。
据统计,传动机械中80%的故障是由齿轮引起的,旋转机械中齿轮故障占其故障的10%左右。
齿轮故障将直接影响设备的安全可靠运行,降低加工精度和生产效率。
随着设备的不断大型化、高速化、复杂化、自动化和连续化,齿轮箱的故障和失效给整个生产和社会造成的损失将越来越大,行驶中汽车的齿轮箱将直接造成人身伤亡;
而一些处于连贯工作状态的设备,如电力行业的发电机组、钢铁行业的轧辊机组,由于齿轮箱的意外故障造成的停机停产的损失难以估计。
我国的水泥行业,水泥磨齿轮箱故障使水泥产量每年减少200万吨以上。
我国某科学测量船在一次航行中发生主减速器传动齿轮局部折断,只得被迫减速航行,以致整个船队的行动受到影响。
十年前,一家很有声望的美国齿轮公司所生产的提升机,在进行建筑物外表清洁作业时齿轮箱轮齿发生断裂,造成清洁工人从高空坠落,这一事故的发生使这家公司的产品质量信誉受到了很大的影响。
1986年10月,一架英国斯威士兰公司的直升机在英国北海油田上空执行任务时,传输动力的齿轮突然断裂,造成飞机失事例。
1.2研究的目的与意义
齿轮箱的故障诊断技术是建立在多个学科基础之上的交叉学科,综合了机械、力学、电子、数学、物理、计算机等学科的基本理论,具有工程应用性强、技术基础可靠、与高技术发展密切相关的特点。
采用这一先进技术对齿轮及齿轮箱进行状态监测与故障诊断,可实现齿轮箱由事后维修、定期维修到视倩维修的根本转变,减少一些不必要的经济损失,从而创造更大的经济效益和社会效益,具有重大的意义。
1.3国内外研究现状
早在一个世纪前,人们就已经开始对齿轮箱的振动和噪声进行研究。
但直到20世纪60年代中期,齿轮的振动和噪声问题才成为评价一个齿轮装置好坏的重要因素,引起了世界范围内的广泛关注。
英国学者H.Optiz在1968年就齿轮振动与噪声的机理,发表了一些著名的研究曲线,阐述了齿轮箱的振动和噪声是传动功率和齿轮传动误差及齿轮精度的函数。
另外,美国的Buckingham和德国的Niemann也对齿轮箱的振动和噪声提出了自己的见解和看法。
20世纪70年代初开始出现了一些简单的齿轮箱故障诊断,仅仅限于直接分析测量一些简单的振动参数,如振动峰值Pk、均方根值RMS等,通过观察这些参数的变化来掌握齿轮的运行状态。
为了排除机器载荷变化的影响,还可采用一些无量纲参数,如峰值系数CF等。
用一些简易的方法诊断齿轮和齿轮箱的故障,虽然取得了一定的成功,但对齿轮箱故障的诊断灵敏度不高,诊断准确率很低。
从20世纪70年代末到20世纪80年代中期,齿轮箱故障诊断的频域法发展很快,其中B.Randall和I.Taylor等人做了很多有益的研究,积累了一些故障诊断的实例,对齿轮磨损和齿断裂等故障诊断较为成功。
在齿轮箱典型故障机理研究和特征提取方面,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,国内外学者虽然取得了一定的成绩,但对于齿轮和轴的故障机理研究仍然不够深入,需要进一步的完善和研究。
第2章齿轮箱故障诊断的内涵
2.1齿轮箱故障的定义
一般是指设齿轮箱失去或降低其规定功能的事件或现象,表现为它的某些零件失去原有的精度或性能,使设备不能正常运行、技术性能降低,致使设备中断生产或效率降低而影响生产。
设备在使用过程中,由于磨擦、外力、应力及化学反应的作用,零件总会逐渐磨损和腐蚀、断裂导致因故障而停机。
加强设备保养维修,及时掌握零件磨损情况,在零件进入剧烈磨损阶段前,进行修理更换,就可防止故障停机所造成的经济损失。
2.2齿轮箱故障诊断目的和意义
齿轮及齿轮箱作为机械设备中一种必不可少的连接和传动的通用零部件,在现代工业设备中得到了广泛的应用。
可以说,齿轮传动系统是当今世界上应用最为广泛的机械传动机构,而齿轮又是罪容易损坏的零部件之一。
齿轮箱的故障和实效将给整个生产造成巨大的损失。
因此,对于齿轮传动中故障诊断的研究具有非常重要的理论和现实意义。
也随着现代技术的发达,我们对设备的精确及各种耐用性能的要求更加高,所以对设备故障的诊断技术的完备度就更高了。
2.3齿轮箱常见的故障形式及分类
齿轮箱系统是包含齿轮、传动轴、轴承和箱体结构等的复杂系统。
其中,箱体结构在整个系统起支承与密封作用,其出现故障的概率很低,所以,在齿轮箱中,故障主要发生在齿轮、传动轴和轴承中。
据统计,齿轮、轴和滚动轴承故障点齿轮箱故障的90%以上。
在齿轮箱的故障诊断中,一般只需给出是否产生故障和故障发生的位置。
根据振动信号的特点,一般常见的典型故障形式有:
2.3.1齿形误差
齿形误差是指齿轮齿形偏离理想的齿廓线,其中包括制造误差、安装误差和服役
后产生的误差。
这里主要指在齿轮投入使用后产生的齿形误差,包括齿面塑性变形、表面不均匀磨损和表面疲劳等。
断齿也造成齿形误差,但由于其振动信号的特征与这些齿形误差有着明显的差异,所以把它列为单独的故障形式,以便于故障诊断。
2.3.2齿轮均匀磨损
齿轮均匀磨损主要是指齿轮投入使用后在啮合过程中出现的材料摩擦损伤的现
象,主要包括磨粒均匀磨损和腐蚀均匀磨损。
齿轮轮齿均匀磨损时不会造成严重的齿形误差,其振动信号的特征也大有判别,所以不归结为齿形误差。
2.3.3轴不对中
轴不对中主要是指联轴器两端的轴由于设计、制造、安装或者使用过程中的问题,使轴系虽平行但不对中,造成轴上的齿轮产生分布类型的齿形误差。
振动信号与单一齿轮齿形误差不同的是,轴不对中时所有轴上的齿轮均会产生齿形误差而导致信号的调制现象。
2.3.4断齿
断齿是一种齿轮的严重故障,主要有疲劳断齿和过载断齿两种形式,其中大多数为疲劳断齿。
断齿时其振动信号冲击能量大,不同于齿形误差和齿轮均匀磨损。
2.3.5箱体共振
箱体共振是由冲击能量激励起齿轮箱箱体的固有频率而产生的共振现象。
箱体共振产生很大的冲击振动能量,是一种非常严重的故障,一般是由箱体的外部激励而引起的。
2.3.6轴轻度弯曲
齿轮箱中轴也经常产生故障。
当轴产生轻度弯曲时,也会导致该轴上的齿轮产生齿形误差。
与单一齿轮齿形误差故障不同的是,轴弯曲时该轴上所有齿轮均会产生较大的齿形误差。
2.3.7轴严重弯曲
轴严重弯曲是齿轮箱的一种较为严重的故障形式。
当轴发生严重弯曲时,时产生较大冲击能量,造成严重的后果,其振动信号也不同于轻度弯曲。
2.3.8轴不平衡
轴不平衡是齿轮箱中轴的种典型故障。
所谓不平衡,是指轴由于偏心的存在而引起的不平衡的振动,这种偏心可以是由于制造、安装和投入使用后的变形产生。
当产生轴不平衡时,在齿轮传动中也将导致齿形误差,但这种故障与单纯的齿形误差有着明显的区别。
2.3.9轴向窜动
轴向窜动主要发生在使用斜齿轮的情况下,当同一轴上有两个同时参与啮合的斜齿轮,而轴向又没有很好的定位与锁定装置时,有时就会发生轴向窜动现象,这主要是由于其轴向受力不平衡造成的。
轴向窜动将严重影响齿轮传动精度和平衡性,还可能造成齿轮轮齿端面的冲击磨损,是一种较为严重的故障。
2.3.10轴承疲劳剥落和点蚀
齿轮箱中滚动轴承的典型故障为内、外环和滚动体的疲劳剥落和点蚀。
轴旋转时,内、外环和滚动体在接触过程中会发生机械冲击,产生被称为冲击脉冲变动幅度较大的力。
齿轮箱中滚动轴承发生故障时,其能量较齿轮产生的振动能量小得多,因而是诊断的难点之一。
2.4齿轮箱常见故障征兆
2.4.1齿轮箱在性能方面的故障征兆
1、功能异常
指设备的工作状况突然出现不正常现象,这是最常见的故障症状。
例如:
设备启动困难、启动慢,甚至不能启动。
设备突然自动停机。
设备在运转过程中功率不足、速率降低、生产效率降低。
设备运转过程中突然紧急制动失灵、失效等。
这种故障的征兆比较明显,所以容易察觉。
2、过热高温
一种原因是冷却系统有问题,是缺冷却液或冷却泵不工作。
如果是齿轮、轴承等部位过热,多半是因为缺润滑油所导致。
油、水温度过高或过低。
设备过热现象有时可以通过仪表板、警示灯直接反映出来,但有时需要进行温度点检才能检查出来。
3、油、气消耗过量润滑油、冷却水消耗过多,表明设备有些部位技术状况恶化,有出现故障的可能。
压缩气体的压力不正常等。
4、润滑油出现异常
润滑油变质较正常时间要快,可能与温度过高等有关系。
润滑油中金属颗粒较多,一般与轴承等摩擦量有关,可能需要更换轴承等磨损件。
5、电学效应
电阻、导电性、绝缘强度和电位等变化。
2.4.2设备在外观方面的故障征兆
1、异常响声、异常振动
设备在运转过程中出现的非正常声响,是设备故障的“报警器”。
设备运转过程中振动剧烈。
2、跑冒滴漏
设备的润滑油、齿轮油、动力转向系油液、制动液等出现渗漏。
压缩空气等出现渗漏现象,有时可以明显地听到漏气的声音。
循环冷却水等渗漏。
3、有特殊气味
电动机过热、润滑油窜缸燃烧时,会发散发出一种特殊的气味。
电路短路、搭铁导线等绝缘材料烧毁时会有焦煳味。
橡胶等材料发出烧焦味。
2.5齿轮箱故障诊断发展历程
目前的齿轮箱故障诊断研究主要集中在震动信号处理与分析、故障机理研究、典型故障特征的提取、诊断方法研究和人工智能的应用几个方面。
2.5.1机理研究
故障机理研究是为了将故障隐患消除在设计阶段,一般从机械动力学出发、研究故障的原因和效应,齿轮箱故障的原因主要有制造误差、装配不良、超载、操作失误等方面,在齿轮箱的部件实效中齿轮、轴承所占的比重约为60%和19%,所以在齿轮箱震动的故障诊断主要是齿轮和轴承的故障诊断。
齿轮运行的主要故障有:
齿轮磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳和齿断等。
在齿轮箱典型故障机理研究和特征提取方面,主要基于震动机理。
一般来说,随着震动能量的不同,齿轮箱震动信号中将产生齿轮合频率调制、齿轮固有频率调制、箱体固有频率调制、滚动轴承外环固有频率调制4中不同的调制现象,不管齿轮正常与否,齿轮合时其适合频率总会出现,但其它频率。
只在齿轮、轴承或轴出现故障时才出现。
另外,一旦有故障,在和4中频率附近都将产生轴的旋转频率及其谐波的调制。
2.5.2信号处理技术
震动信号的处理和分析方法也在突飞猛进,早起信号提取主要借助于傅里叶变换、计算量很大,知道FFT出现以后,经典信号分析方法才得到迅猛发展。
然而傅里叶变换存在频率成分的分辨率不高、谱图有畸变、随机欺负明显不光滑,不适于段数据等缺陷,于是人们重新提出来分辨率较高的现代谱分析法,如最大谱估计法、回归谱估计法等。
小波分析是正在迅速发展的一种新分析方法,具有良好的时频局部化特性和特别的去噪能力,在故障诊断中得到了广泛的应用并取得了一定的成果。
为了得到特殊频段的分析,小波包分解是比小波分解更精细的一种分解,目前的应用主要集中在小波去噪和早期的故障诊断。
2.6本章小结
齿轮是最常见的机械传动零件,由于它具有结构紧凑,效率高,寿命长,工作可靠,理论传动比恒定不变和维护方便等优点,因而在机械传动的各个方面获得广泛应用,但齿轮传动也有它的缺点:
不能缓和冲击作用,当制造不精确,材质良,热处理不当,使用条件恶劣,安装不正确时,往往会引起较大的振动、噪声和开裂等故障。
在齿轮箱的各类零部件中,齿轮本身产生的故障比例最大,据统计其故障率达60%,其余零件中的故障率为:
轴承占19%,轴占10%,箱体占7%,紧固件占3%,齿轮箱中零部件的常见失效形式油封占1%t121。
齿轮故障按其振动特征来分类,还可分为分布故障和局部故障。
前者分布在一个齿轮的各个轮齿上,如磨损、点蚀等;
后者集中于一个或几个齿上,如剥落、磨损,等从齿轮故障诊断的角度出发,凡是使齿廓偏离理想形状和位置的变化,都属于齿轮故障,所以当轴或滚动轴承产生故障时,也一定会影响到齿轮啮合状态,使齿轮表现出一定的故障形式。
第3章齿轮箱中齿轮故障诊断及机理
3.1齿轮震动机理机器故障信号的组成
3.1.1齿轮常见故障
齿轮箱零部件一般包含有齿轮、滚动轴承和轴,而且在这三类主要零部件失效时产生的故障通常会互相影响,所以分析齿轮、滚动轴承和轴的主要失效形式对齿轮箱故障诊断具有重要的意义。
通常齿轮投入使用后,由于齿轮制造不良或操作维护不善,会产生各种形式的失效,致使齿轮失去正常功能而失效。
失效形式又随齿轮材料、热处理、安装和运转状态等因素的不同而不同,常见的齿轮失效形式有:
齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、弯曲疲劳与断齿。
1.齿面磨损
齿轮在啮合过程中,往往在轮齿接触表面上出现材料磨擦损伤的现象。
凡磨损量不影响齿轮在预期寿命内应具备的功能的磨损,均称为正常磨损。
齿轮正常磨损的特征是齿面光亮平滑,没有宏观擦伤,各项公差在允许范围内。
如果由于齿轮用材不当,或在接触面间存在硬质颗粒,以及润滑油供应不足或不清洁,往往引起齿轮的早期磨损,有微小的颗粒分享出来,使接触表面发生尺寸变化,重量损失,并使齿形改变,齿厚变薄,噪声增大严重磨损的结果将齿轮失效。
磨损失效形式可分为:
磨粒磨损、腐蚀磨损和齿轮端面冲击磨损。
(1)齿轮磨粒磨损
由于润滑油中夹杂直径大于30pm以上的磨粒,或者污物、金属屑末、尘埃和砂粒等进入齿的工作表面,引起磨粒磨损。
齿轮齿面受到磨粒磨损,沿滑道方向有细而均匀的条痕,齿面发暗。
磨粒磨损进一步发展的结果,会使齿形改变,齿厚变薄,甚至出现“刀片”状齿尖,啮合间隙增大,传动时噪声增大,有时还由于齿厚过薄导致断齿。
磨粒磨损多发生在齿根、齿项处的滑动接触部位,而在节圆处较少发生。
(2)腐蚀磨损
腐蚀磨损是以化学腐蚀作用为主,并伴有机械磨损的一种损伤形式。
当润滑油中含有酸、碱和水等易对金属产生腐蚀的化学物质时,就会与齿面发生化学反应,由腐蚀导致齿面损伤。
化学腐蚀磨损齿轮的宏观特征是常呈现有腐蚀麻坑,并在工作齿面上沿滑动速度方向呈现出均匀而细小的磨痕。
磨损产物都为红褐色小片,其中主要成分为三氧化二铁。
化学腐蚀磨损是由于润滑剂中存在污染物或杂质,与齿轮材料发生化学或电化学反应而引起的,同时腐蚀部分由于啮合摩擦和润滑剂的冲刷而脱落,形成化学腐蚀磨损。
(3)齿轮轮齿端面冲击磨损
齿轮轮齿端面冲击磨损是变速箱齿轮在换档时,轮齿端面经常受到冲击载荷而导致齿端面磨损。
如果齿轮表面硬度过低,则齿端面容易磨损或打毛;
硬化层过浅,则易被压碎而暴露出心部软组织;
齿轮心部硬度过高或金相组织中碳化物级别超差,则轮齿尖角处易出现崩裂现象。
2.齿面胶合和擦伤
齿轮两啮合齿面的金属,发生胶合磨损是在一定压力下直接接触,“焊合”后又有相对运动,金属从齿面上撕落,或从一个齿面向另一个齿面转移而引起损伤的现象,这是一种较严重的磨损形态。
它通过接触面局部发生粘合,在相对运动下粘合处分离,致使接触面上有小颗粒被拉拽出来,这种过程反复进行多次而使齿面发生破坏。
胶合和擦伤一般发生在重载或高速的齿轮传动中,主要是由于润滑条件不合适而导致齿面问的油膜破裂。
胶合磨损的宏观特征是齿面沿滑动速度方向呈现深、宽不等的条状粗糙沟纹,在齿顶和齿根处较为严重,此时噪声明显增大。
胶合分为冷粘合和热粘合。
冷粘合的沟纹比较清晰,热粘合可能伴有高温烧伤引起的变色。
冷粘合撕伤是在重载低速传动的情况下形成的。
由于局部压力很高,表面油膜破裂,造成轮齿金属表面直接接触,在受压力产生塑性变形时,接触点由于分子相互的扩散和局部再结晶等原因发生粘合,当滑动时粘合结点被撕开而形成冷粘合撕伤。
热粘合撕伤通常是在高速或重载中速传动中,由于齿面接触点局部温度升高,油膜及其他表面膜破裂,表面金属熔合而后又撕裂形成的。
新齿
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