測(cè)振儀齒輪故障--測(cè)振儀系列知識(shí)講座十九

齒輪箱有一些特殊的故障，如節(jié)線偏斜、偏心、齒距誤差、齒面磨損、點(diǎn)蝕和剝落、斷齒等，如下圖所示。造成測(cè)振儀齒輪故障的原因有：制造缺陷、安裝調(diào)整不當(dāng)、過(guò)量磨損、潤(rùn)滑不足、污染、金屬疲勞和超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等。

                                                                齒輪常見(jiàn)缺陷示意圖

這些測(cè)振儀齒輪故障雖然能在頻譜上反映出來(lái)，但由于齒輪箱頻譜看起來(lái)比較復(fù)雜，辨認(rèn)比較困難。一個(gè)有效可行的方法是，針對(duì)每個(gè)齒輪箱，在狀態(tài)良好、工作正常情況下采集得到其基準(zhǔn)頻譜，并在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中通過(guò)對(duì)比基準(zhǔn)頻譜發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。一般齒輪箱的基準(zhǔn)頻譜如下圖所示。

                                                        齒輪箱基準(zhǔn)頻譜

測(cè)振儀齒輪故障——嚙合頻率及其諧波

一對(duì)齒輪在作嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其參與工作的齒數(shù)由一對(duì)變?yōu)閮蓪?duì)，又由兩對(duì)變?yōu)橐粚?duì)，如此交替變化引起輪齒剛度的變化，對(duì)齒輪形成周期性的沖擊，從而產(chǎn)生齒輪振動(dòng)。這種振動(dòng)在頻率圖上就會(huì)出現(xiàn)嚙合頻率（f_m）及其各次諧波成分，嚙合頻率（f_m）計(jì)算如下式所示：

嚙合頻率 f_m = f₁ ×Z₁ = f₂ ×Z₂                

式中：

f₁、f₂ —— 分別為兩軸的轉(zhuǎn)頻；

Z₁、Z₂ —— 分別為兩軸上的齒輪齒數(shù)。

齒輪嚙合情況良好時(shí)，嚙合頻率及其諧波的幅值很小。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，齒輪嚙合情況將變壞，嚙合頻率及其諧波地幅值將產(chǎn)生明顯增大，見(jiàn)下圖所示。

（  附注：① 剛度 —— 指設(shè)備構(gòu)件在外力作用下抵抗變形的能力；② 強(qiáng)度 —— 材料在外力作用下抵抗破壞的能力。 ）

                           齒輪的嚙合頻率及其諧波幅值圖

從上圖中可以看到，嚙合頻率各次諧波（2次諧波2f_{m 、}3次諧波3f_m）幅值L_2、L₃的增長(zhǎng)比基頻（f_m）幅值L₁增長(zhǎng)的還要快，磨損嚴(yán)重時(shí)二次諧波（2f_m）的幅值可能超過(guò)嚙合的基頻（f_m）幅值。這樣，通過(guò)對(duì)齒輪嚙合頻率的分析，可以了解齒輪表面的受損情況。圖中所示的是：齒輪均勻磨損前后齒輪嚙合頻率及其諧波幅值比較。

測(cè)振儀齒輪故障——齒輪嚙合幅值調(diào)制及邊頻帶

幅值調(diào)制 是由齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的周期性變化引起的，如：齒面上負(fù)荷波動(dòng)、齒距的周期性變化、齒輪安裝偏心，齒面上的裂紋、斷齒、剝落等局部性的缺陷和點(diǎn)蝕、劃痕等分布性的缺陷。

幅值調(diào)制就是一種調(diào)幅波，其中頻率較高的嚙合頻率（f_m）稱為載波頻率；頻率較低的稱為調(diào)制頻率（f_r），也就是故障信息。其幅值制調(diào)過(guò)程見(jiàn)下圖所示。

(a) 載波信號(hào)、（b）調(diào)制信號(hào); (c) 幅值調(diào)制后的信號(hào)

                                幅值調(diào)制過(guò)程示意圖

故障信息往往能在調(diào)制頻率上得到反映，分析調(diào)制頻率的分布狀態(tài)對(duì)于齒輪的故障診斷是很有用的。圖中的調(diào)制頻率（f_r）對(duì)稱的分布在載波頻率[嚙合頻率（f_m）]的兩側(cè)，它是載波頻率和調(diào)制頻率的和頻（f_m ＋f_r）及差頻（f_m－f_r），這就是邊頻帶，簡(jiǎn)稱為邊頻。                               

                             邊頻帶

然而，由于受系統(tǒng)傳遞特性的影響以及在幅值調(diào)制的同時(shí)還存在著頻率調(diào)制、相位調(diào)制，所以頻譜圖上的邊頻帶分布不會(huì)象上圖所示那樣的規(guī)則和對(duì)稱，大多數(shù)的場(chǎng)合下表現(xiàn)為下圖所示的那種形式。

                                                          實(shí)際邊頻帶分布形式

測(cè)振儀齒輪故障——典型的齒輪故障頻譜

1）局部缺陷

當(dāng)齒輪出現(xiàn)局部缺陷時(shí)，例如：斷齒、或大的剝落等局部缺陷，齒輪每轉(zhuǎn)一周時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)域包絡(luò)較窄的沖擊脈沖（這個(gè)沖擊脈沖的頻率就等于齒輪的轉(zhuǎn)速頻率f_r），齒輪的嚙合頻率（f_m）被這個(gè)沖擊脈沖所調(diào)制。

                                                                             局部缺陷

在頻譜圖中表現(xiàn)為在齒輪的嚙合頻率（f_m）兩側(cè)出現(xiàn)大量的邊頻帶，其特點(diǎn)是：幅值較低，分布均勻且平坦。

2）均勻分布缺陷

而當(dāng)缺陷進(jìn)一步惡化、擴(kuò)展時(shí)，例如普遍輪齒出現(xiàn)點(diǎn)蝕、劃痕等分布比較均勻的缺陷，齒輪每轉(zhuǎn)一周時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)域幅值變化較小、脈動(dòng)頻率較低且包絡(luò)較寛的沖擊脈沖，齒輪的嚙合頻率（f_m）同樣也被這個(gè)沖擊脈沖所調(diào)制。

                                                                         均勻分布缺陷

在頻譜圖中表現(xiàn)為在齒輪的嚙合頻率（f_m）兩側(cè)也出現(xiàn)大量的邊頻帶，其特點(diǎn)是：幅值較高，分布較窄，且缺陷分布越均勻，頻譜上的邊頻越高越窄。

3）附加脈沖

失衡、不對(duì)中、及機(jī)械松動(dòng)等缺陷都會(huì)引起附加脈沖。由于附加脈沖是直接迭加在齒輪的常規(guī)振動(dòng)上的，而不是以調(diào)制的形式出現(xiàn)的，且頻率是小于齒輪

的旋轉(zhuǎn)頻率的低次諧波。所以附加脈沖與幅值調(diào)制、頻率調(diào)制效應(yīng)不同，前者的幅值不對(duì)稱于時(shí)間軸線、且在齒輪的嚙合頻率（f_m）兩側(cè)不形成邊頻帶；后者的幅值卻對(duì)稱于時(shí)間軸線。值得注意的是，當(dāng)齒輪出現(xiàn)嚴(yán)重局，附加脈沖缺陷時(shí)，如嚴(yán)重剝落、斷齒等也會(huì)產(chǎn)生附加脈沖的。

4）齒輪軸不對(duì)中

齒輪軸不對(duì)中,會(huì)產(chǎn)生齒輪嚙合頻率（f_m）的兩倍邊頻帶（f_m±2f_r），詳見(jiàn)上圖所示。

5）齒輪安裝偏心

當(dāng)齒輪安裝偏心時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)齒輪軸不對(duì)中頻譜。

              （f_m – n f_r）邊頻帶

也就是說(shuō)邊頻帶僅集中在齒輪嚙合頻率（f_m）的左側(cè)，而右側(cè)卻為空白。

6）齒距誤差、載荷波動(dòng)、聯(lián)軸節(jié)不平衡齒輪安裝偏心邊頻帶，

當(dāng)出現(xiàn)齒距誤差、載荷波動(dòng)、聯(lián)軸節(jié)不平衡時(shí)，其特征是會(huì)在齒輪嚙合頻率（f_m）的兩側(cè)形成（f_m±nf_r，n = 1，2，3，…）的一簇的邊頻帶，齒距誤差、載荷波動(dòng)、聯(lián)軸節(jié)不平衡邊頻帶。

測(cè)振儀齒輪故障——齒輪的追逐齒頻率

所謂“追逐齒頻率”就是指齒輪上的某個(gè)齒與另一個(gè)齒輪上的某個(gè)特定齒相嚙合的頻率。齒輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中假定有一對(duì)齒嚙合不良，在它們相遇時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次較大的沖擊。那么這一對(duì)齒在第一次相遇后需要經(jīng)過(guò)多少轉(zhuǎn)或者需要經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間（追逐齒頻率的倒數(shù)）才能相遇呢？即其相遇的頻率（“追逐齒頻率”）是多少呢？長(zhǎng)此下去，其中一個(gè)齒會(huì)因自身的缺陷而重復(fù)的去沖擊另一齒輪與它固定相遇的好齒，從而引起這個(gè)好齒的局部不均勻磨損和損傷將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。伴隨著的吼叫聲也會(huì)越來(lái)越大。

如果齒數(shù)比為整數(shù)，如1、2、3等，則對(duì)應(yīng)的追逐齒頻率就等于較大齒輪的轉(zhuǎn)速；如果齒數(shù)比不為整數(shù)，則對(duì)應(yīng)的追逐齒頻率就等于齒輪嚙合頻率除以兩個(gè)齒輪齒數(shù)的最小公倍數(shù)。最小公倍數(shù)通常就等于兩個(gè)齒輪齒數(shù)的乘積。

通過(guò)在頻譜圖上辨別齒輪的追逐齒頻率，也可以作為判斷輪齒早期故障（故障可能是在制造、安裝的過(guò)程中產(chǎn)生的）的一種輔助手段。

齒輪的追逐齒頻率及追逐時(shí)間計(jì)算公式為：

追逐齒頻率= 齒輪嚙合頻率/兩個(gè)齒輪齒數(shù)的最小公倍數(shù)   
追逐時(shí)間= 1/追逐齒頻率（赫茲）              

注：測(cè)振儀系列知識(shí)講座為連載文章，大家感興趣的話，請(qǐng)繼續(xù)往下閱讀。閱讀本文的用戶還對(duì)以下文章感興趣：
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