发布时间 : 星期日 文章设备状态监测与故障诊断作业(罗静)更新完毕开始阅读
设备状态监测与故障诊断作业
在图2.2所示的系统中，主要影响振动及其变化的是齿轮刚度和传动误差，而在恶劣工而在恶劣工况下，主要影响振动的因素是传动误差。
根据图2．2所示的简化模型，可得到齿轮振动方程如下：
这是一个扭振形式的运动微分方程，式中J1，J2是主、从动齿轮的惯性矩；是主、
从动齿轮的转角(弧度)；W是齿轮齿面上法线方向的力；和
为主、从动齿轮的基圆半径；
和
是主、从动齿轮单位齿宽上的扭矩。如果在和
中考虑摩擦力的影
响，则重合度
为
时，有：
其中
为啮合齿间的动载荷，i表示啮合轮齿编号，
为齿面的摩擦系数，
为压
力角，是节点到啮合点的距离，号表示：一为主动齿轮齿根部啮合，+为主动齿轮齿顶部啮合。
从式(2.10)和(2.11)可知，当齿轮的设计、制造和安装确定，工作载荷、速度确定之后，各参量也都基本确定。随着运转时间的不断延续，齿面恶化、损伤开始，发生变化的将主要是
。另外，有些情况下摩擦系数
也将会增大并产生影响。在正常润滑条件下，
值
为0.04～0.08。
齿轮动载荷
是啮合刚度和传动误差的函数：
其中，
为传动误差函数，刚度随啮合时间t和弹性变形量x而变化，它是t和x的函数。设齿轮的等价质量为
和
，
即：
略去
的影响，并以阻尼D作为x的函数，最后合并、代换(2．9)一(2．13)，从而
得到简化的齿轮运动微分方程：
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因此，考察动载荷，最终归结为轮齿刚度变化和传动误差变化的问题；一定情况下，摩擦系数的影响也应考虑。
2.2.3齿轮载荷冲击的周期性
轮啮合是间歇性的，因此轮齿的承载是脉动的，每一轮齿从啮入开始受载，啮出停止受载；就齿面上某一点来讲也是周期脉动的，它遵循赫芝应力分布，在接触区压力呈半圆形分布，压力大小从零开始至最大再至零。最大尖峰载荷的频率，即载荷脉动频率
为：
上式中，r为载荷脉动周期，n为齿轮转速，z为齿轮齿数。
这一载荷脉动频率就是齿轮啮合频率；相应地，啮合刚度、传动误差引起的附加载荷都是以这个频率周期变化的。
2.2.4齿轮的传动误差
假设齿廓为理想形状，并且轮齿刚度为绝对刚性，两个齿轮啮合时，主动轮转过角度，从动轮转过
角度，如图2.3所示。
和
的关系是：
两个相啮合的齿轮按照 图2．3齿轮传动误差这样的关系均匀地回转，但是实际齿轮不是绝对刚性的，而且由于各种因素，如齿轮制造误差、齿面温升、磨损等等，使得相啮合的两个齿轮相对角速度不均匀，从动轮产生角加速度。这时从动轮的转角为：
其中e12是从动轮转角的相对偏差量，称为传动误差，也叫啮合误差，它是一个综合误差。
图2.4是传动误差的曲线示意图，其中含有随轮齿变化的误差和随周节(转速)变化的误差，下两条曲线是将这两种成份分离出来的情形。这两种误差的基频分别是齿轮啮合频率和齿轮所在轴的转频。
轴的转频成份的误差反映的是齿轮周节累积误差，而啮合频率成份的误差反映的是与齿
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形有关的误差。
齿轮运行状态发生恶化，直接反映在齿轮传动误差上，如齿轮轴的松动、偏心、局部齿根疲劳裂纹或断齿等将影响传动误差的长周期(与转频相关)误差成份；齿面发生过度磨损、胶合、点蚀等损伤时，传动误差的短周期(与齿轮啮合频率相关)成份加大，所有这些都使动载荷加大，振动也相应加大。
2.2.5轮齿的啮合刚度
从齿轮振动分析可以看出，轮齿的弹簧刚度的周期变化对齿轮啮合振动的影响极大。轮齿弹簧刚度的周期变化使系统的平移和回转振动具有相应的周期性波动，其振动能量经轴、轴承传到齿轮箱箱体上。直齿轮的啮合刚度随时间变化情况如图2.5(a)所示；斜齿轮的情况如图2.5(b)所示；与直齿轮相比，斜齿轮重合度大，其啮合刚度波动较平缓，波形近似正弦波。根据经验可知：在相同的精度和工况下，斜齿轮传动的振动比直齿轮传动的小，辐射的噪声也较小。
通常情况下轮齿的刚度是稳定的，当齿根疲劳裂纹产生时，在啮合过程中轮齿刚度会发生瞬时的变动，产生一个低频脉冲；当齿轮发生损伤时，如胶合、过度磨损等，轮齿剐度也将发生变化，这一变化也会在振动信号中反映出来。
3、齿轮箱状态监测与故障诊断
判断齿轮、轴、滚动轴承和箱体在工作时的状态，判断它们是否正常工作，从而判断其状态情况。
3.1齿轮箱的振动测量
1) 测点选择以及布置位置
齿轮箱故障诊断时测点的选择是很重要的，一般在轴承座附近是最合适的。在对齿
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轮箱进行故障诊断中，首先需要确定监测齿轮箱的哪些部位，之后就是监测点的选择问题。选择最佳的测点并采用合适的监测方法是获取设各运行状态信息的重要条件。尽可能避免多层相隔，以减少振动信号在传递过程中因中间环节造成的能量衰减；测量点必须要有足够的刚度。因为齿轮箱属于非高速旋转体，所以以测轴承的振动为主。为了保持每次测定位置不变，最好的办法是对各测点做出标记。真实而充分地监测到足够数量的能够客观地反映设各运行工况的信号是诊断成功与否的先决条件，而测量点选择的正确与否，关系到能否对设备故障做出正确的诊断。
另外，还应注意测定部位的表面应是光滑洁净的，避免脏物对振动传递造成衰减。齿轮发生的异常是各种各样的，发生最大振动的方向也各不相同，因此一般应尽可能地沿水平、垂直和轴向三个方向进行测定。本实验根据前面的分析设计了测点的位置，如图3.2 所示：
图 3.2 齿轮箱测点布置示意图
如3.2图所示，一共选取了六个测点，布置了六个加速度传感器，测点具体如下: 1 测点:设在箱体输入轴(一轴)的右轴承座处，测量垂直一轴的竖直平面振动。 2 测点:设在箱体中间轴(二轴)的右轴承座处，测量垂直一轴的竖直平面振动。 3 测点:设在箱体输出轴(三轴)的右轴承座处，测量垂直一轴的竖直平面振动。 4 测点:设在箱体左侧后齿轮(即与第二轴啮合齿轮)处，测量垂直于中间轴的水平平面内的振动。
5 测点:设在箱体左侧二轴轴承处，测量垂直于二轴的水平平面内的振动。
6 测点:设在箱体上盖左前侧二轴轴承处，测量垂直于二轴的竖直平面内的振动。
2) 测量参数
齿轮发生的振动中，包含有固有频率、齿轮轴的旋转频率及轮齿啮合频率等成分，其频带较宽。对这种宽带频率成分的振动进行监测与诊断时，一般情况下应将所测的振动按频带分级，然后根据不同的频率范围选择相应的测量参数。通常在进行振动测定时选用加速度传感器，再通过积分电路转换或所需的测量参数。
齿轮箱各齿轮的啮合状况如图 3.3 所示，各齿轮的齿数：
Z1=30,Z2=69,Z3=18,Z4=81，故齿轮的传动比为:第一级C1= 2.3，第二级C2=4.5，总传
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