浅析齿轮故障诊断及技术分析.docx
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浅析齿轮故障诊断及技术分析
成人高等教育
毕业设计（论文）
题目_________________________________
_________________________________
学生_________________________________
联系电话
指导教师_________________________________
教学站点_________________________________
专业_________________________________
完成日期_________________________________
成人高等教育毕业设计（论文）任务书
论文题目
学生姓名
教学站
专业班级
内
容
与
要
求
设计（论文）起止时间
20年月日至20年月日
指导教师签名
学生签名
年月日
成人高等教育专科毕业设计（论文）审查意见表
学生姓名
教学站点
专业、班级
论文题目
序号
评审项目
指标
分值
评分
1
工作态度
对待工作严肃认真，学习态度端正。
2
能够正确处理工学矛盾，按照要求按时完成各阶段工作任务。
2
2
工作能力与水平
能够综合和正确利用各种途径收集信息，获取新知识。
1
能够应用基础理论与专业知识，独立分析和解决实际问题。
1
毕业设计（论文）所得结论具有应用或参考价值。
1
基本具备独立从事本专业工作的能力。
1
3
论文质量
论文条理清晰，结构严谨；文笔流畅，语言通顺。
2
方法科学、论证充分；专业名词术语使用准确。
2
设计类计算正确，工艺可行，设计图纸质量高，标准使用规范。
4
工作量
论文正文字数达到8000及以上。
不足8000字的，每少500字扣2分。
8
5
论文格式
论文正文字体字号使用正确，图表标注规范。
3
论文排版、打印、装订符合《西安石油大学继续教育学院毕业设计（论文）撰写规范》的要求。
6
6
创新
工作中有创新意识；对前人工作有改进、突破，或有独特见解。
1
是否同意参加评阅（填写同意或者不同意）:
总分
30
说明
有下列情况之一的毕业设计（论文）不得参加评阅：
1、毕业设计（论文）选题或内容与所学专业不相符的；2、毕业设计（论文）因1/2以上内容与他人论文或文献资料相同，被认定为雷同的；3、正文字数不足6000字的。
评语：
指导教师：
年月日
成人高等教育专科毕业设计（论文）评阅意见表
学生姓名
教学站点
专业、班级
论文题目
序号
评审项目
指标
满分
评分
1
选题
毕业设计（论文）选题难易程度适中，具有实际或理论意义。
5
2
论文质量
毕业设计（论文）能反映学生对所学的基础理论与专业知识进行综合运用的能力。
5
条理清晰，结构严谨；文笔流畅，语言通顺。
5
方法科学，论证充分；专业名词术语准确。
5
设计类计算正确，工艺可行，设计图纸质量高，标准使用规范。
3
工作量
完成任务书规定的内容。
论文正文字数达到8000及以上。
不足8000字的，每少500字扣5分。
20
4
规范化
论文正文字体字号使用正确，图表标注规范。
10
论文排版、打印、装订符合《西安石油大学继续教育学院毕业设计（论文）撰写规范》的要求。
15
5
创新
对前人工作有改进、突破，或有独特见解
5
总分
70
说明
有下列情况之一的毕业设计（论文）按“0”分记：
1、毕业设计（论文）审查成绩单中的审查成绩栏内为“取消”字样的；2、毕业设计（论文）选题或内容与所学专业不符的；3、毕业设计（论文）因1/2以上内容与他人论文或文献资料相同，被认定为雷同的；4、正文字数不足6000字的。
评语：
评阅人：
年月日
目录
摘要1
关键词1
引言1
一、齿轮故障诊断原理1
二、现场监测与故障诊断1
（一）冷轧厂开卷设备及主要材料参数1
（二）测试参数及测点布置2
（三）故障分析2
（四）诊断结论3
三、啮合频率及其谐波4
四、幅值调制和频率调制所构成的边频带4
（一）幅值调制4
（二）频率调制5
五、由齿轮转频的低次谐波构成的附加脉冲5
六、由齿轮加工误差形成的隐含成分5
（一）某采油平台原油外输泵（螺杆泵）传动齿轮局部断齿5
（二）某浮式储油轮热介质提升泵齿轮啮合不良6
结语6
致谢7
参考文献7
浅析齿轮故障诊断及技术分析
摘要：
齿轮故障通常具有相似的现象，即振动和噪声明显增加，但产生齿轮故障的原因却很难从表象作出判断。
本文从振动分析的角度阐述齿轮振动的时域与频域特征，并结合实测案例进行分析。
关键词：
齿轮故障；振动特征；时域；频域；案例分析
引言：
简述了齿轮故障诊断的原理，并通过冷轧厂开卷机齿轮故障的诊断实例，阐述了齿轮故障诊断的方法，并进一步说明了齿轮故障诊断技术在现场中的应用。
齿轮的运行情况直接影响整个机器或机组的作，因此，齿轮是现场监测和诊断的主要对象。
对齿轮故障诊断的经典方法是振动频谱分析，它以传统的振动理论为依据，利用诊断仪器对其振动的数据和波形进行采集，然后进行分析诊断，找出其故障的原因和所在的部位。
本文从齿轮故障诊断的原理手，通过对冷轧厂开卷机大齿轮箱的异常振动进行振动分析及故障诊断来介绍齿轮故障诊断技术在场的应用。
一、齿轮故障诊断原理
一对齿轮副可以看作是一个振动系统，按照傅里叶变换的原理，可将齿轮的振动信号分解为若干个谐波分量之和。
当齿轮发生故障后，齿轮的啮合刚度降低，从而产生强烈的振动，测得的振动信号畸变加剧，在频谱图上，啮合频率处的谱值会显著增大，而故障齿轮的振动信号往往表现为回转频率对啮合频及其倍频的调制，调制频率即齿轮轴的回转频率。
在频谱图上形成以啮合频率为中心，2个等间隔分布的边频带。
所以，采用频谱分析方法能有效地找出齿轮的各种故障。
二、现场监测与故障诊断
（一）冷轧厂开卷设备及主要材料参数
冷轧厂开卷机设备简图及主要技术参数冷轧厂开卷机设备的简图见图1，其主要技术参数:
电动机转速为1 280 r/min;齿轮均为斜齿轮;联轴器为齿式联轴器。
图中的②一⑥点轴承均为心滚子轴承。
（二）测试参数及测点布置
测试参数为速度、加速度，测点布置如图1的①一⑥所示。
（三）故障分析
2004年以来，开卷机的振动增大，为此进行振动测试，共测试了②，③，④，⑤共4个测点，其中③测点的水平方向速度振值显著，加速度振值达107. 30 m/s，已是标准值的3倍多（标准值为30m/s ） ，峭度指标为20. 2，这预示齿轮箱在测点③附近存在故障。
在测点③水平方向的时域波形图（图2）中清晰地显示出每转一周都出现一个脉冲信号，脉冲间隔为134 ms，频率值7.5 Hz。
这恰与大齿轮箱高速轴（小齿轮所在轴）转速频率一致。
测点③水平方向频谱图（图3）上，由于故障信号的影响调制出大量的边频，谱线密集难以辨认，故取80一200 Hz频段细化处理（图4）。
为了进一步验证结论，又进行了该点的倒频谱分析（图5），从倒频谱图上更清楚地看到主要的频率成分，其倒频率为134 ms（即7. 5 Hz），正好对应大齿轮箱高速轴的转速频率。
（四）诊断结论
根据齿轮故障诊断的原理，哪一对齿轮的啮率所对应的峰值较高，就说明哪一对齿轮出现了故障。
边频带的间隔等于哪一根轴的旋转频率，就说哪一根轴上的齿轮出现了故障。
经过上述分析，初判定开卷机大齿轮箱的小齿轮存在着故障。
不久，对该机进行停机检修，发现小齿轮上有个轮齿出现塑性变形，其中2个轮齿齿面上有凹坑，比较严重，属于小齿轮个别齿出现了局部损伤，因此，在啮合时，我们的分析判断得到了证实。
更换新齿轮后，再次进行测量，测点③的水平方向的速度幅值从3.9 mm/s降到2.9 mm/s，加速度幅值从107. 3 m/s降到6.2 m/s，峭度指标从原来的20. 2降到3. 17。
说明该机已正常运行。
时域波形图上基本显示出正弦波状态（图6），的脉冲信号已消除。
从频谱图中看，187. 7 Hz、367.5 565 Hz是该轴的啮合频率及其2倍频，3倍频（此时该转速为340 r/min，啮合频率为1~7. 3 Hz）。
啮合频率的边频幅值也很小（图7），这也说明故障已不存在。
齿轮传动的常见故障有齿断裂，齿磨损，齿面疲劳（点蚀、剥落）和齿轮安装不当。
由结构和工作时受力条件决定，齿轮传动的振动信号较为复杂，故障诊断需同时进行时域与频域分析。
齿轮工作过程中的故障信号频率基本表现为两部分，一为啮合频率及其谐波（高频部分）构成的载波信号；二为低频成分的幅值和相位变化所构成的调制信号。
三、啮合频率及其谐波
当轮齿进人或脱离啮合时，载荷和刚度均突然增大或减小，形成啮合冲击。
齿轮啮合频率为fm=f1•Zl=f2•Z2，当齿轮出现故障时，将引起啮合频率及其各次谐波幅值的变化。
四、幅值调制和频率调制所构成的边频带
（一）幅值调制
幅值调制相当于两个信号在时域上相乘。
假定载波信号为g（t），调制信号为e（t），则调制后的时域总信号为
X（t）=g（t）•e（t）
将上式转换到频域上，则为X（f）＝G（f）•E（f）.通常幅度调制的调制频率为旋转频率。
（二）频率调制
齿轮的转速波动，若载波信号为Asin（2пfmt+φ0），调制信号为βsin2пfmt，频率调制可表示为x（t）=Asin[2пfmt+βsin（2пf1t）＋φ0]。
频率调制不仅产生围绕啮合频率fm的一族边频带，而且在相位信号中产生一个正弦波。
通常频率调制的频率为分度不均匀齿轮的转频。
实际上，齿轮故障中调幅与调频现象可能同时存在，因而在频谱上得到调幅与调频综合影响下形成的边频带。
五、由齿轮转频的低次谐波构成的附加脉冲
齿轮的低频故障（不平衡、不对中等）也会对齿轮振动时域波形产生影响，但不会在齿轮频率两侧产生边频带。
六、由齿轮加工误差形成的隐含成分。
该成分的振动通常由加工机床分度齿轮误差造成，它对齿轮的整体运行影响很小。
以下是一个齿轮故障的案例分析。
（一）某采油平台原油外输泵（螺杆泵）传动齿轮局部断齿
1、设备形式及参数。
电机驱动直联双螺杆泵，螺杆之间以同步齿轮传动，齿轮齿数z=67;电机转速n=995r/min（16.57Hz）。
2、故障现象。
泵的非驱动端（同步齿轮安装在此侧）振动速度值增加，图8、图9是时域波形及频谱图。
图10是图9的局部细化谱。
3、振动特征及分析。
在时域波形图中（图8）出现明显的冲击峰值，表明齿轮可能存在局部缺陷；频谱图（图9）中有齿轮啮合频率及二倍谐频，边频丰富，从图10可以看到，边频为转子工频，这说明啮合频率的振动幅值被转子工频冲击振动调制。
图8时域波形图
图9频谱图
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