齒輪故障診斷測試研究*

□ 張春娟 □ 孔維佳 □ 司良群 □ 范鵬飛

1.重慶能源職業(yè)學院電梯學院 重慶 402260

2.鎮(zhèn)江華飛檢測技術有限公司 江蘇鎮(zhèn)江 212013

1 研究背景

對機電設備進行管理和維護一般采用兩種方法。一種是等設備壞了再進行維修，這種方法造成的經(jīng)濟損失很大，因為往往需要昂貴的維修費用，若是災難性破壞，除了報廢設備、更換新設備外，還可能造成人員傷亡。另一種是定期檢修設備，這種方法需要具有計劃性和預防性，即在設備出現(xiàn)早期故障時就能檢測到隱患，提前預報，以便適時、合理地采取措施。

對機電設備進行狀態(tài)監(jiān)測，可在第一時間發(fā)現(xiàn)問題，還可以實時監(jiān)測設備的運行情況，保證生產(chǎn)效率，提升企業(yè)的經(jīng)濟效益。設備在運行中出現(xiàn)問題后，通過故障診斷技術可以及時找出問題所在，并能預防其它設備出現(xiàn)同樣的故障。

齒輪失效是造成機器故障的重要因素之一[1]。據(jù)統(tǒng)計，齒輪箱各類零件的失效比例為：軸承19%、軸10%、箱體7%、緊固件3%、油封1%、齒輪60%。齒輪失效后，會引起異常振動，通過對振動特性的分析，便可對故障進行診斷。

2 常見齒輪故障類型

齒輪傳動是常用的一種傳動方式，如果產(chǎn)生制造誤差、裝配不當或在不適當?shù)臈l件下使用，會發(fā)生損傷等故障。常見的齒輪傳動故障有以下幾種類型[2]。

（1）齒的斷裂。具體有疲勞斷裂和過負荷斷裂兩種。疲勞斷裂通常先從受力側齒根產(chǎn)生龜裂，逐漸向齒端發(fā)展而導致折斷。過負荷斷裂指由于轉速急劇變化、軸系共振、軸承破損、軸彎曲等原因，使齒輪產(chǎn)生不正常的一端接觸，載荷集中到齒面一端，進而引起斷裂。

（2）齒的磨損。由于金屬微粒、污物、塵埃和沙粒等進入齒輪而導致材料磨損，以及齒面局部熔焊，隨之又撕裂的現(xiàn)象。

（3）齒面疲勞。齒面接觸應力超過材料允許的疲勞極限，表面層先產(chǎn)生細微裂紋，然后小塊剝落，直至整個齒斷裂。

（4）齒面塑性變形，如壓碎、趨皺。

3 齒輪振動機理

齒輪的故障診斷是通過分析振動特性或由振動產(chǎn)生的噪聲頻譜實現(xiàn)的[3]。齒輪及軸的振動頻率fr為：

式中：n 為轉速，r/min。

齒輪的嚙合頻率fm為：

式中：fr1為主動輪的旋轉頻率，Hz；z1為主動輪的齒數(shù)；fr2為從動輪的旋轉頻率，Hz；z2為從動輪的齒數(shù)。

齒輪嚙合頻率的振動特點是：振動頻率隨轉速變化而變化，當嚙合頻率或其高階頻率接近或等于齒輪某階固有頻率時，齒輪會產(chǎn)生強烈振動；由于齒輪固有頻率一般較高，因此振幅不大，常表現(xiàn)為噪聲。

4 常見齒輪故障振動特性

正常齒輪振動特性如圖1所示，其中x（t）為振動位移，t為時間，f為頻率。

▲圖1 正常齒輪振動特性

齒輪表面出現(xiàn)損傷時，振動頻譜圖中存在嚙合頻率的2次、3次及高次諧波成分。齒面損傷振動特性如圖2所示。

▲圖2 齒面損傷振動特性

齒輪存在偏心時，齒輪嚙合時壓力呈周期性時大時小變化，致使嚙合振動的振幅受旋轉頻率調(diào)制。齒輪偏心振動特性如圖3所示。

齒輪回轉質量不平衡的振動特性如圖4所示。

齒輪存在局部缺陷的振動特性如圖5所示。

5 試驗裝置

試驗裝置采用QPZZ-Ⅱ旋轉機械振動分析及故障模擬試驗平臺，主要由壓電式加速度傳感器、激光轉速儀、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡、故障診斷軟件等組成。試驗裝置如圖6所示，將傳感器安裝在試驗臺的齒輪上，輸出信號直接接到采集器端口。采集器將振動信號采集輸入至計算機，觀察并記錄得到的振動信號波形和頻譜。通過頻譜的變化規(guī)律，找出有缺陷的齒輪，并與試驗結果進行對比。

▲圖3 齒輪偏心振動特性

▲圖4 齒輪回轉質量不平衡振動特性

▲圖5 齒輪局部缺陷振動特性

試驗平臺提供檢測的齒輪為大齒輪和小齒輪。大齒輪為從動齒輪，模數(shù)為2 mm，齒數(shù)為75，材質為S45C高級優(yōu)質碳鋼。大齒輪共有三只，其中兩只為故障齒輪，分別為齒輪斷齒、齒輪磨損。小齒輪為主動齒輪，模數(shù)為2 mm，齒數(shù)為55，材質為S45C高級優(yōu)質碳鋼。小齒輪共有兩只，其中一只是故障齒輪，具體為齒輪裂紋。

齒輪傳動比為55∶75=11∶15=0.733 3。裂紋故障設置在主動齒輪上，斷齒和磨損故障設置在從動齒輪上。 電動機轉速為1 500 r/min，頻率為25 Hz。從動齒輪轉速為1 100 r/min，頻率為18.33 Hz。

▲圖6 試驗裝置

6 診斷系統(tǒng)

齒輪故障診斷系統(tǒng)主要分為四大模塊：故障信號仿真模塊、動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊、故障狀態(tài)識別模塊[4]。

6.1 故障信號仿真模塊

主要根據(jù)機械系統(tǒng)的故障機理，在各種不同的故障狀態(tài)下，仿真產(chǎn)生相應的故障振動仿真信號，以便于采用相應的信號處理方法提取故障特征，再與理論的故障特征進行對比。

6.2 動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊

內(nèi)置16通道集成電路壓電傳感器雙恒流源，每個通道可以獨立設置集成電路壓電傳感器輸入或者電壓信號輸入，軟件程控切換?？梢曰旌鲜褂媒涣麟娫?、直流電源、單端電壓等。動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊界面如圖7所示。

6.3 信號處理模塊

▲圖7 動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊界面

包含各種故障特征提取方法，采用相應的信號處理方法對采集到的原始數(shù)據(jù)進行加工、處理，從而去掉冗余信息，提取出故障特征信息[5]。這一模塊包括時域分析子模板、頻域分析子模板、時頻分析子模板、濾波子模板等。除此之外，還擬針對不同的故障類型開發(fā)相應的故障診斷方法，如包絡分析法、倒譜分析法，同時可實現(xiàn)小波分析、經(jīng)驗模態(tài)分解等。

6.4 故障狀態(tài)識別模塊

將經(jīng)過信號處理和特征提取后獲得的待檢模式與數(shù)據(jù)庫中原有樣板模式按一定準則和診斷策略，進行對比分析，以確定診斷對象當前所處的狀態(tài)[6-7]。設計兩種基于知識的狀態(tài)識別方法。一種是模糊診斷方法。當樣本的征兆與故障的關系未知時，采用模糊聚類的方法進行診斷。當樣本的征兆與故障的關系已知時，采用模糊模式識別方法進行診斷。另一種是神經(jīng)網(wǎng)絡診斷方法，即基于淺知識的專家診斷推理方法。擬采用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡從輸入故障征兆得到輸出故障原因。故障狀態(tài)識別模塊可以將模糊診斷與神經(jīng)網(wǎng)絡診斷、小波分析等方法相結合，進行故障診斷。

7 齒輪測試

7.1 正常齒輪

從動齒輪的轉速為1 050 r/min，頻率為17.5 Hz，嚙合頻率為 17.5×75=1 312.5 Hz。對正常齒輪采用兩種方法測試，并進行對比。

（1）采用傳統(tǒng)測試方法，即嚙合頻率邊帶分析法。邊頻帶是齒輪振動的特征頻率，嚙合的異常狀況反映到邊頻帶，造成邊頻帶的分布和形態(tài)都發(fā)生改變。齒輪嚙合時邊頻帶攜有大量的有效信息，包含了齒輪故障的豐富信息。由于齒輪故障信息需要通過齒輪嚙合油和軸承油膜兩次衰減才能到達軸承座，信號已經(jīng)很弱，因此診斷故障不靈敏。

（2）采用微速波動法。微速波動法是一種以數(shù)字帶通濾波后數(shù)據(jù)為樣本的改進型Prony方法，識別已知頻率的信號幅值和相位，可以在噪聲背景下快速、準確地實現(xiàn)參數(shù)估計。通過試驗比較發(fā)現(xiàn)，二階頻率更能有效找出故障。

正常齒輪微速波動頻譜圖如圖8所示，正常齒輪中載荷的一階頻率（圖8中點1）轉頻能量為30.466 EU（1 EU=1.6×10-19J），二階頻率（圖 8 中點2）轉頻能量為5.349 1 EU。

7.2 故障齒輪

通過以上分析，微速波動法能更準確實現(xiàn)參數(shù)估計，因此對故障齒輪測試采用微速波動法進行測試。對斷齒故障齒輪空載、中載、重載三種情況進行測試，隨著載荷增大，轉頻能量、頻率都逐漸增大，更加證明了這一方法的可行性。斷齒故障齒輪微速波動頻譜如圖9所示，斷齒齒輪實物如圖10所示。

▲圖8 正常齒輪微速波動頻譜

▲圖9 斷齒故障齒輪微速波動頻譜

▲圖10 斷齒齒輪實物

斷齒故障齒輪空載一階頻率（圖9（a）中點1）轉頻能量為 41.269 EU，二階頻率（圖 9（a）中點 2）轉頻能量為9.348 EU。斷齒故障齒輪中載一階頻率（圖9（b）中點 1）轉頻能量為 46.027 EU，二階頻率（圖 9（b）中點2）轉頻能量為9.757 1 EU。斷齒故障齒輪重載一階頻率（圖 9（c）中點 1）轉頻能量為 58.654 EU，二階頻率（圖 9（c）點 2）轉頻能量為 23.202 EU。

通過以上數(shù)據(jù)分析得知，采用微速波動法測試相比傳統(tǒng)測試方法有較大優(yōu)勢，如由中載轉頻能量、二階頻率轉頻能量變化找出齒輪缺陷，在監(jiān)測過程中若出現(xiàn)轉頻能量值突變，即可判斷齒輪有缺陷，從而判斷出齒輪故障。但是需要說明的是，實際測試所得到的頻譜通常很難以單一頻率線出現(xiàn)，齒輪的異?，F(xiàn)象也很少以單一形式出現(xiàn)，而往往是綜合了多種故障形式，給齒輪故障診斷帶來很多困難。

8 結論

通過對齒輪故障診斷方法進行理論研究和實踐應用，證明了測試方法的可行性，為進一步分析故障診斷檢測提供了參考。

狀態(tài)檢測與故障診斷技術是未來機電設備故障分析的發(fā)展趨勢，相信在今后的發(fā)展中會逐步投入到機械工程中，使對機械設備的維護由計劃、定期檢修發(fā)展為狀態(tài)、預知檢修。