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设备状态监测与故障诊断作业
设备状态监测与故障诊断作业
姓名：罗静 学号：20110702150 课程老师：谢志江、陈平
一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法 答：齿轮啮合频率产生的机理：
齿轮的振动频率基本上可归纳为三类:轴的转动频率及其谐频，齿轮的啮合频率及其谐频，齿轮自身的各阶固有频率。其中齿轮啮合频率产生的机理如下：
（1）齿轮啮合过程中由于周节误差、齿形误差或均匀磨损等都会使齿与齿之间发生撞击，撞击的频率就是它的啮合频率。
（2）由于齿轮啮合过程中轮齿发生弹性变形，使刚刚进人啮合的轮齿发生撞击，因而产生沿着啮合线方向作用的脉动力，于是也会产生以啮合频率为频率的振动。对于齿廓为渐开线的齿轮，在节点附近为单齿啮合，而在节点两侧为双齿啮合，故其刚度是非简谐的周期函数，所产生的强迫振动与上述第一种情况不同，不仅有以啮合频率为频率的基频振动，而且还有啮合频率的高次谐波振动。
齿轮故障诊断方法：
1 齿轮常见故障类型和失效比例 1) 齿的断裂，故障比例为 41% ;
2) 齿面疲劳( 点蚀、剥落等) ，失效比例为 31% ; 3) 齿面划痕，失效比例为 10% ; 4) 齿面磨损，失效比例为 10% ;
5) 其他故障，例如齿面龟裂、化腐、塑性变形等。 2 故障原因和特点 2. 1 断裂
齿的断裂有疲劳断裂和过负荷断裂 2 种情况。齿的根部在传递周期性载荷过程中，承受弯矩最大，由于几何形状和工艺上的原因，在根部有较为严重的应力集中，交变载荷易使根部产生裂纹最终导致断裂，裂纹的扩展可以是沿横向的，也可以是沿斜线向上的。因此，断裂形式可能是齿根，也可能是齿顶部分，如图 1 所示。
疲劳和过负荷断裂从本质上说是由于设计、制造、装配不良而引起的轴系共振、轴的弯曲、系统速度的急剧变化、不平衡载荷等原因造成的。 2. 2 磨损
由于润滑油或其他原因，在齿面上有污物、金属屑末、尘埃和砂粒，润滑不良、齿面粗糙等也是引起磨损的因索，故齿轮磨损后齿的几何形状、厚度均产生变化，使动载荷加大，不但振动和噪音加大，而且最终导致齿的折断。
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2. 3 齿面疲劳( 点蚀、剥落)
齿面疲劳是指齿表面金属微屑剥落下来而形成的麻斑逐步发展成为点蚀。点蚀多发生在节线和齿根区间而又靠近节线附近，它与齿的磨损故障形式是不同的，如图 2 所示。造成点蚀的主要原因是由于工作表面的交变应力引起的微观疲劳裂痕。
试验表明: 在闭式传动中，点蚀是最普遍的破坏方式; 在开式传动中，由于润滑油不够充分以及进入污物可能性增多，磨损总是先于点蚀破坏。 2. 4 齿面划痕
齿面划痕与点蚀不同，它的故障机理是由于齿面在相对滑动时，因油膜破裂引起金属表面熔融粘着并剥落而产生的损伤。这类故障往往发生在润滑油粘度过低、低转速、大载荷和运行温度过高的情况。 3 故障诊断方法
齿轮故障诊断的基本方法是利用振动信号在频域和时域上诊断。时域法主要依赖诊断者的经验和对故障机理的透彻了解; 频域法即利用细化谱分析和倒频谱技术进行边带分析。 3. 1 细化谱分析法
频域分析在齿轮诊断中主要是提取边频特征信息，但是在以啮合频率为中心的两边分布或单边分布有边频族，这些谱线之间的间隔很小，一般的频率分析无法分辨出这些间隔很密的频率。因此，有频谱分析中采用了所谓细化技术，实质上就是进行局部放大，用来判断或读出故障的特征信息。细化谱边频诊断故障一般从两个方面着手: ( 1)利用边带的对称性，找出的
频率关系，确定是否成为一组边带，如果是边带，则可知道啮合
频率 fc和调制信号频率 fe; ( 2) 比较各次测量中边带幅值变化的趋势。由此 2 点，就可判断故障的类型和故障发展的程度。
JCF － 500 型齿轮箱的结构及细化边频谱分析如图 3、4 所示。在细化谱上，以啮合频率 fc=299. 84Hz 为中心，具有对称分布的一族边带。其中边带族以( 299. 84 ± n ×12. 5) Hz 比较突出，而其他边带族则不明显，说明输入轴的转频 fz是主要调制源，故障发生在小齿轮轴上，其故障性质有两种可能: ( 1) 小齿轮加工分度误差大; ( 2) 载荷波动。
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3. 2 倒频谱分析法
倒频谱是功率谱对数的功率谱，又称功率倒频谱、倒谱分析，也称为二次谱分析。倒频谱有两条显著优点: ( 1) 倒频谱在功率谱的对数转换时给低幅值分量有较高的加权，而对高幅值分量较小的权，加权的结果有助于突出小信号的周期性，又能精确测出频率间隔，这对于检测出谱图中的故障边带族( 周期信号) 是十分有用的; ( 2) 倒频谱分析对谱的形状不敏感，具体说来就是对于传感器的测点位置或信号传偷途径不敏感，对于幅度和频率调制的相 位关系不敏感，由于这种不敏感，十分有助于我们找到故障源的特征须率。
二、滚动轴承故障的特征频率推导计算
答：图2为向心推力滚动轴承的结构图和运动分析简图，中间为滚珠轴承的轴向剖面图，右边为滚动轴承的轴向剖面图。分析的外环固定而内环随轴转动的情况，轴承故障引起振动，它的特征频率是诊断中必须要识别提取的，为便于推导轴承故障的特征频率，作如下假设： (1)滚动体与滚道之间无滑动接触；
(2)每个滚动体直径相同，目_均匀分布在内外滚道之间； (3)径向、轴向受载荷时各部分无变形。
图2
设外圈转频为
f0，内圈转频为
fi，保持架转频为
fc，轴承节径为D，滚动体直径为d，
接触角为?。通过滚动轴承运动学的分析，可以求得滚动体通过内、外圈滚道的频率，以及滚动体相对保持架的回转频率等。这些频率与故障密切相关的。
滚动体与内环接触点的速度为：
vi?2?rifi??fi?D?dcos??
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滚动体与外环接触点的速度为：
v0?2?r0f0??f0?D?dcos??滚动体的速度为：
vm?由此可得
1?vi?v0???fiD2
fm?vi?v01??d??d?????1?cos??fi??1?cos??f0?2?D2??D??D??
单个滚动体在外圈滚道上的通过频率，即为保持架相对外圈的回转频率，可由上式求
得，即
f0m?f0?fm?1d?1?cos??f0?fi????2?D?
fim为
同理，单个滚动体在内圈滚道上的通过频率
fim?fi?fm?1d?1?cos??fi?f0????2?D?
fbm
，也可求得，即
滚动体相对保持架的回转频率(即自转频率)
fbm??d?2?D2??fi?f0??1???cos??2d??D?? ??f0p
、
考虑到滚动轴承有N个滚动体，则滚动体在外圈及内圈滚道上通过频率可表示为：
fip及
fbm
?N?d?fr?1?cos???f0p?2?D???N?d??f?f1?cos??ipr??2D?????1D?d22?fbm?fr?1?2cos??2d??D??式中
fr?fi?f0为内外圈的相对转动频率，当外圈固定时，
fr即为轴的转频率，即
fr?fi,fi?n60,n为轴的转速。 如果在外圈滚道上有故障时，则产生以故障频率，同理
f0p
为频率的脉冲激励，所以称
f0p
为外圈的
fip为内圈的故障频率。若滚动体上有故障时，因其自转一周通过内外圈各
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