齿轮传动系统的故障诊断方法研究应用.doc

齿轮传动系统故障诊断办法研究
内容提纲：在机械设备运转过程中，齿轮传动系统通过主、从动齿轮互相啮合传递运动和能量，这个过程将产生一定形式机械振动。而诸如磨损、点蚀、制造误差、装配误差等齿轮和齿轮传动系统各种缺陷和故障必然引起机械振动状态（或信号）发生变化。因而，在齿轮传动系统振动信号中，蕴涵有它健康状态 （故障与无端障）信息，监测和分析振动信号自然就可以诊断齿轮和齿轮传动系统故障。
核心词：齿轮故障;故障诊断;振动;裂纹

目 录
引 言 1
第一章 影响齿轮产生振动因素 2
1.1 振动产生 2
1.2 振动故障 2
第二章 齿轮裂纹故障诊断 4
2.1 裂纹产生因素 4
2.2齿轮裂纹分类、特性、因素及防止办法 4
2.2.1淬火裂纹 4
2.2.2磨削裂纹 4
2.2.3疲劳裂纹 5
2.2.4轮缘和幅板裂纹 6
第三章 齿轮故障诊断办法与技术展望 7
3.1 齿轮故障诊断办法 7
3.1.1 时域法 7
3.1.2 频域法 7
3.1.3 倒频谱分析 8
3.1.4 包络分析 8
3.1.5 小波分析办法 8
3.2 齿轮故障诊断技术展望 9
结 论 10
致 谢 11
参照文献 12

引 言
随着科学技术不断进步，机械设备向着高性能、高效率、高自动化和高可靠性方向发展。齿轮由于具备传动比固定、传动转矩大、构造紧凑等长处，是变化转速和传递动力最惯用传动部件，是机械设备一种重要构成某些，也是易于故障发生一种部件，其运营状态对整机工作性能有很大影响。
在机械设备运转过程中，齿轮传动系统通过主、从动齿轮互相啮合传递运动和能量，这个过程将产生一定形式机械振动。而诸如磨损、点蚀、制造误差、装配误差等齿轮和齿轮传动系统各种缺陷和故障必然引起机械振动状态（或信号）发生变化。因而，在齿轮传动系统振动信号中，蕴涵有它健康状态 （故障与无端障）信息，监测和分析振动信号自然就可以诊断齿轮和齿轮传动系统故障。

第一章 影响齿轮产生振动因素
1.1 振动产生
在齿轮传动啮合过程中，影响齿轮产生振动因素诸多，有大周期误差也有小周期误差。产生大周期振动因素重要是齿轮加工过程中运动偏心和几何偏心以及安装中对中不良；产生小周期振动因素重要有齿轮加工中主轴回转误差，啮合刚度变化，齿轮啮入、啮出冲击，以及在运营过程中产生断齿、齿根疲劳裂纹、齿面磨损、点蚀剥落、严重胶合等等。其中啮合刚度周期性变化是齿轮系统振动重要激振源之一。它周期性变化重要由如下两个因素所致：一是随着啮合点位置变化，参加啮合单一齿轮刚度发生了变化；二是参加啮合齿数在变化。
如图1-1所示，在啮合开始时(A点)，积极轮齿1在齿根处啮合，弹性变形较小；被动齿轮2在齿顶处啮合，弹性变形大，而在啮合终结时(D点)，状况则相反。设齿副I啮合刚度为k1，齿副П啮合刚度为k2，则总啮合刚度为k=k1+k2。由图1-1可以看出总啮合刚度随着从单啮合区到双啮合区而作周期性变化。

图1-1 直齿轮啮合刚度变化图
1.2 振动故障
当齿轮存在大周期故障时，如运动偏心和几何偏心，则仿真出来齿轮啮合振动信号频谱图形如图1-2所示。由图中可以懂得，随着齿轮大周期误差幅值增大，谐波分量幅值也会线性增大。而以啮合频率为中心以旋转频率为间隔边带频率是由于信号调制产生，即高频齿轮啮合频率受到齿轮旋转频率调制，且随着大周期误差增大而增大。

图1-2 齿轮偏心时频谱图
当齿轮存在诸如点蚀剥落等小周期误差时，则仿真出来齿轮啮合振动信号频谱图形如图1-3所示。齿轮在运转过程中存在小周期误差时齿轮运转速度大小会有所变化，当小周期误差大时这种现象会更加严重。依照频率调制理论可知，齿轮运转振动信号频谱图会形成啮合频率及其高次谐波以及分布在它们周边以旋转频率为间隔边带成分，它们振幅随故障恶化而加大。

图1-3 齿轮点蚀剥落故障时频谱图

第二章 齿轮裂纹故障诊断
2.1 裂纹产生因素
齿轮浮现裂纹，按其形成特点，可分为两大类:工艺裂纹和使用裂纹。工艺裂纹是生产齿轮工艺不当而导致材料缺陷所致，并在一定载荷条件下失稳扩展导致齿轮失效，如锻造裂纹，锻轧裂纹，焊接裂纹、热解决裂纹(邓淬火裂纹)、磨削裂纹等;而使用裂纹是在零件使用过程和环境中产生，并进而扩展导致齿轮失效，如疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹等。
2.2齿轮裂纹分类、特性、因素及防止办法
2.2.1淬火裂纹
如图2-1

图2-1淬火裂纹
特性：在淬火时产生，多数呈发丝状，有时能自行扩展。裂纹有沿齿根圆角半径方向，有在齿两个端面，也有穿越齿顶或存在在齿端面表面硬化层与心部交界处。较大裂纹初始部位常有锈蚀或氧化痕迹。淬火裂纹也也许在齿轮使用一段时间后才见到。它常
为其她损伤形式（如疲劳断齿）根源。
因素：重要是淬火过程中产生过大内应力。它普通由不适当淬火工艺，如升温过急、淬火过急、淬火过缓等引起。齿端面上裂纹，普通由硬化层与心部交界处相变不协调引起。
防止办法：依照齿轮材料、尺寸、构造和工作规定制定合理淬火工艺规程，并严格加以控制，防止淬火速度过高或过低，淬火温度不适当。对淬火后齿轮应严格检查。
2.2.2磨削裂纹
如图2-2

图2-2磨削裂纹
特性：在磨削过程中产生，常在齿面上有几乎平行短裂纹或网状裂纹。平行裂纹普通比网状裂纹深。磨削裂纹普通较浅，肉眼不易发现，需用磁粉探伤或用5%硝酸乙醇腐蚀液解决等办法才干检测。有时磨削裂纹是潜在，要在闲置若干时间或加载工作后才显示出来。
因素：重要由磨削过程中热引起，也也许是由热解决工艺不合理（在热解决过程中形成了对磨削过热敏感金相组织）引起。磨削过热也许是由于磨削工艺参数选取不对的砂轮不合格或选用不当、冷却办法不恰当等。某些对磨削过热敏感齿轮材料，更易产生磨削裂纹。
防止办法：选取恰当磨削工艺，控制进给量和磨削速度，加强冷却办法，选用不易磨裂材质和适当热解决工艺。恰当选用适当砂轮，并注意对其修整和平衡；采用品有断续工作表面砂轮，以减少表层热应力。
2.2.3疲劳裂纹
如图2-3

图2-3疲劳裂纹
特性：应力为重复交变；裂纹源常为齿轮表面应力集中处，如齿根圆角、加工刀痕及材料缺陷处；尾端尖细，微观重要呈穿晶扩展，其总趋势与主应力想垂直。
因素：交变应力水平过高，材料缺陷与应力集中源影响严重。
防止办法：控制交变应力水平，设计时应避免过小齿根圆角，控制工艺因素减少不容许表面及材料内部缺陷。
2.2.4轮缘和幅板裂纹
如图2-4 图2-5

图2-4 轮缘裂纹 图2-5 幅板裂纹
特性：轮缘裂纹普通发生在两相邻齿之间齿根部。辐板裂纹有是由轮缘裂纹沿径向扩展而成，有是在辐板自身中产生，不一定扩展到轮缘。
因素：轮缘断裂普通是轮齿齿根圆角疲劳裂纹发展成果。齿轮某某些参残存应力过高，也回形成并促使疲劳裂纹扩展。对镶套式齿轮，轮缘与轮心过盈量过大也可引起轮缘断裂。辐板损伤，多因辐板强度局限性，应力集中或振动等因素引起。
防止办法：轮缘及辐板尺寸应满足强度规定。以局部应力集中因素，如切削刀痕、磨削与淬火裂纹、轮缘与辐板过渡处尖锐圆角等，应设法减少或消除。在构造设计上应采用减振、防振办法。对镶套齿轮，应按恰当控制过盈量。

第三章 齿轮故障诊断办法与技术展望
3.1 齿轮故障诊断办法
在各种齿轮故障诊断办法中，以振动检测为基本齿轮故障诊断办法具备测量简便、实时性强等长处，通过测量齿轮运营过程中所产生振动信号，作为故障诊断重要信息来源，是一种抱负齿轮传动状态在线运营监测工具。振动检测和故障诊断核心是如何从复杂振动信号中提取和分离与齿轮故障特性关于薄弱信息。当前研究和应用振动检测与故障诊断办法可以分为如下几类：
3.1.1 时域法
在状态监测和故障诊断过程中，咱们经常会直接运用振动时域信号进行分析并给出成果，这是最简朴且最直接办法，特别是当信号中明显具有简谐成分、周期成分或瞬时脉冲成分时更为有效。固然这种办法规定分析人员具备比较丰富实际经验。振动时域波形是一条时间历程波动曲线。依照测量所用传感器类型不同，曲线幅值可代表位移、速度或加速度。进行波形分析时，重要采用如下特性量，也称示性指标：
（1）振动幅值，振动幅值涉及峰值、有效值（均方根值）和平均幅值，其中峰值又分为零峰值和峰-峰值。
（2）振动周期与频率，不同故障源普通会产生不同频率机械振动，因而频率分析在故障诊断中占有十分重要地位。
（3）相位，在实际应用中，相位重要用于比较不同振动运动之间关系，或拟定一种部件相对于另一种部件振动状况。普通不同振源产生振动具备不同相位。
（4）其他指标为了有效描述复杂振动，在实际应用中也经常使用某些示性指标如：偏度、峭度，有时还需要运用某些无量纲示性指标来完毕诊断或进行趋势分析，如：峰态因数、波形因数、脉冲因数、峰值因数、裕度因数等无量纲示性指标。它们诊断能力由大到小依次为：峰态因数----裕度因数----脉冲因数----峰值因数-----波形因数。
3.1.2 频域法
频谱分析是在频域中对原信号分布状况描述，普通可以提供比时域波形更加直观特性信息。因而频谱〔涉及功率谱和幅值谱等）被广泛用作为故障诊断根据。频谱可以通过傅里叶变换方式获取。值得一提是，机器振动频谱中，有些振动分量虽然较大，但不随时间而变化，对机器正常运营也不会构成什么威胁。相反有某些幅值较小，但增长不久频率分量却往往预示着故障产生和发展，应当引起足够注重。
3.1.3 倒频谱分析
齿轮振动频谱普通重要体现为啮合频率及谐波边带，这种边带产生是齿轮轴转频调制齿轮轴啮合频率而产生。在正常运转状况下，它们保持不变。齿轮浮现故障时，边带数目和幅值发生变化。如上所述，轮齿发生裂纹时，故障齿轮每转都会产生一次局部调制，由于齿轮箱构造复杂，各种调制现象也许同步存在，每种调制现象都会产生不同系列等间隔周期频谱。由于它们与调制波源有关，这些边带包括丰富故障诊断信息。依照运用FFT进行时-频域转换概念，可以将频谱分析成果再次运用FFT技术转换到一种新分析域中。这样就形成了所谓倒频谱分析。倒频谱具备检测和分离频谱中周期性成分能力，会使本来谱图上成族边频谱线简化为倒频谱上单根谱线，从而使频谱中复杂周期成分变得清晰易辨，以利于故障诊断。这种办法缺陷是倒谱幅值大小对裂纹长度发展不敏感，不易进行故障定位。
3.1.4 包络分析
包络分析就是提取载附在高频信号上低频信号，从时域上看，为取时域波形包络轨迹。像具备齿轮、轴承等零部件旋转机械故障诊断常惯用到包络分析。当旋转机械轴承零部件有点蚀、剥落等损伤类故障时，随着设备运转这些故障会产生周期性脉冲冲击力，激起设备各阶固有振动。选取冲击激起高频固有振动为研究对象，通过滤波将其从信号中分离出来，然后通过包络检波，提取出载附在其上与周期脉冲冲击力相应包络信号，从其强度和频次就可以判断零件损伤限度和部位。这种技术称为包络解调，也称为初期故障探测法，它是判断设备零件损伤类故障一种有效手段。
3.1.5 小波分析办法
小波变换作为一种新数学理论和办法，己在不少领域得到了广泛应用。
在振动信号分析中，小波变换属于一种多辨别率时频分析办法，具备诸多长处，为非平稳信号分析提供了一种有价值工具。实际应用中常使用简朴以便二进离散小波变换。从多辨别率分析角度上看，小波分解相称于一种带通滤波器和一种低通滤波器，每次分解总是把原信号分解成两个子信号，分别称为逼近信号和细节信号，每个某些还要通过一次隔点重采样。如此分解N次即可得到第N层（尺度N上）小波分解成果。
小波变换常如下面3种办法用于齿轮箱运营状态和故障诊断分析：
（1）小波包能量谱进行监测；
（2）边带辨认；
（3）奇异点模极大值及过零点检测。
随着小波分析技术发展及计算机容量和运算能力飞速发展，近来人们开始对持续小波变换应用于故障诊断分析。持续小波变换能为基小波选取提供很大以便，当己知需检成分特性时，就可以选用成构造与之相应基小波，作持续小波变换来揭示这些成分分布和大小。
小波变换虽然是一种较好信号分析工具，但它依然存在下面两个问题：（1）小波变换分析成果不如傅立叶变换那样直观明了，需要分析人员具备一定小波分析理论基本进行判断，不适当于使用计算机对成果进行自动分析和解决。（2）小波变换核函数不是唯一拟定，需要依照工程应用中实际进行选取。
3.2 齿轮故障诊断技术展望
十几年来，随着科研人员不断努力摸索，国内故障诊断技术有了突飞猛进发展，新技术、新办法层出不穷。展望此后齿轮故障诊断技术发展方向。有如下几点看法:
（1）老式频谱分析技术将日趋完善。
（2）专家系统、神经网络、小波分析等新技术将从实验室研究阶段，逐渐走向实际应用阶段。
（3）当前，齿轮故障诊断技术多集中于采用振动监测手段，可以预见，在此后几年里，铁谱技术、油样光谱技术及声发射技术将会在齿轮故障诊断中占有一席之地。
（4）随着公司管理当代化综共计算机图形技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等各种科学技术虚拟现实与当代通讯技术国际互联网络、局域网络、调制解调器等相结合，实现远程诊断，将是此后机械故障诊断发展方向。

结 论
本次齿轮裂纹设计,克服了各种困难，但还存在许多问题，在此期间咱们两年来所学知识得到了总结，并且也达到了教师让咱们自己在经历中发现问题，解决问题规定，让咱们得到了较好锻炼。
通过本次毕业大作业,能使咱们看清晰差距，扩大视野，结识自己真实水平，懂得了不单是要学习理论，更要懂得理论与实践相结合，使自己能解决和解决好毕业设计过程中遇到问题。
通过一种多月设计。掌握了齿轮裂纹故障诊断分析等。增强了动手能力，通过各种办法来完毕,从中学到了诸多知识来提高自己.

致 谢
本研究及毕业设计论文是在我指引教师亲切关怀和细心指引下完毕。她严肃教学态度，严谨治学精神，精益求精工作作风，深深地感染和勉励着我。从课题选取到项目最后完毕，指引教师都始终予以我细心指引和不懈支持。在此谨向指引教师致以诚挚谢意和崇高敬意。
在此，我还要感谢在一起高兴度过大学生活各位同门，正是由于你们协助和支持，我才干克服一种一种困难和疑惑，直至本文顺利完毕。

参照文献
[1] 丁康,朱小勇,陈亚华.《齿轮箱典型故障振动特性与诊断方略》.振动与冲击,,20.
[2] 李润方,王建军编著. 《齿轮系统动力学》.科学出版社,1997.
[3] 明廷涛,张永祥. 《齿轮裂纹故障仿真计算与诊断》.机械设计与制造,,8.
[4] 齿轮手册编写组. 《齿轮手册(上)》.北京:机械工业出版社,1990.
[5] 徐敏,黄昭毅等编著. 《设备故障诊断手册》.西安交通大学出版社,1998.
[6] 孙振明. 《齿轮振动信号分析办法研究[D]》.徐州:中华人民共和国矿业大学,.7.
[7] 郑大平. 《振动信号分析技术在机械故障诊断中应用[J]》.燃气涡轮实验与研究,1990,3(2):27-39.