齒輪傳動故障診斷技術(shù)的應(yīng)用

徐俊輝

（中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程分公司，天津 300452）

一、概述

齒輪箱應(yīng)用廣泛。在齒輪箱失效中，齒輪的失效比率約為60%，軸承的失效比率約為19%，軸的失效比率約為10%，箱體的失效比率約為7%，緊固件的失效比率約為3%，油封的失效比率約為1%。因此在齒輪箱的故障診斷分析中，關(guān)鍵是齒輪的故障診斷。

目前，齒輪箱的故障診斷方法主要有振動法、噪聲譜分析法、油液分析法、混沌診斷識別法、專家系統(tǒng)法等。由于工業(yè)現(xiàn)場測試條件及分析技術(shù)所限，有些征兆的提取與分析不易實現(xiàn)，有些征兆反映的故障狀態(tài)不敏感，相對來講，齒輪的振動是目前公認(rèn)的最佳征兆提取量，它對運行狀態(tài)的反映迅速、真實、全面，能很好地反映出大部分齒輪故障的性質(zhì)與范圍，所以齒輪箱故障診斷技術(shù)最重要的方法還是振動診斷。

二、齒輪的振動機(jī)理與信號特征

齒輪傳動系統(tǒng)是一個彈性的機(jī)械系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)和運動關(guān)系的原因，存在著運動和力的非平穩(wěn)性。

圖1是齒輪副的運動學(xué)分析示意圖。圖中O1是主動輪的軸心，O2是被動輪的軸心，假定主動輪以ω1作勻角速度運動，A、B分別為兩個嚙合點，則有O1A>O1B，即A點的線速度VA大于B點的線速度VB。

而O2A

然而A、B又是被動輪的嚙合點，當(dāng)齒輪副只有一個嚙合點時，隨著嚙合點沿嚙合線移動，被動輪的角速度存在波動；當(dāng)有兩個嚙合點時，因為只能有一個角速度，因而在嚙合的輪齒上產(chǎn)生彈性變形，這個彈性變形力隨嚙合點的位置、輪齒的剛度以及嚙合的進(jìn)入和脫開而變化，是一個隨時間變化的力FC(t)。

1.齒輪嚙合的特征頻率——嚙合頻率

圖1 齒輪副的運動學(xué)分析

齒輪傳動系統(tǒng)的嚙合振動是不可避免的。振動的頻率就是嚙合頻率。也就是齒輪的特征頻率，其計算公式如下：

齒輪一階嚙合頻率fC0＝(n/60)z

嚙合頻率的高次諧波fCi＝ifCD，i=2、3、4、… n

式中：N——齒輪軸的轉(zhuǎn)速，r/min；

z——齒輪的齒數(shù)。

2.齒輪嚙合的特征頻率——邊頻帶

由于傳遞的扭矩隨著嚙合而改變，該扭矩作用到轉(zhuǎn)軸上，使轉(zhuǎn)軸發(fā)生扭振。這個扭振對齒輪的嚙合振動產(chǎn)生了調(diào)制作用，從而在齒輪嚙合頻率的兩邊產(chǎn)生出以軸頻為間隔的邊頻帶。邊頻帶也是齒輪振動的特征頻率，可以這樣說，邊頻帶包含了齒輪故障的豐富信息。

此外齒輪制造時所具有的偏心誤差、周節(jié)誤差、齒形誤差、裝配誤差等都能影響齒輪的振動，所以在監(jiān)測低精度齒輪的振動時，要考慮這些誤差的影響。一般來說，在大多數(shù)情況下，并不需要辨別是哪種誤差所引起，只需判定能否繼續(xù)使用。

三、齒輪傳動

齒輪傳動是機(jī)械傳動中最常用的一種傳動方式，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中其故障發(fā)生率約占10%，通過各種分析方法來診斷齒輪故障，使用各種診斷儀器來幫助排除設(shè)備故障，診斷技術(shù)還在發(fā)展中。

1.齒輪傳動類型

目前，齒輪傳動的類型主要有以下幾種（圖2）。

圖2 齒輪的傳動類型

2.齒輪傳動特點

齒輪傳動有以下特點。

(1)可以傳動空間任意軸間的運動與動力。

(2)傳動準(zhǔn)確、平穩(wěn)、效率高。

(3)工作安全、可靠，使用壽命長。

(4)齒輪傳動機(jī)構(gòu)應(yīng)用于各行各業(yè)動力傳遞、運動分解、運動合成。

四、齒輪失效形式

齒輪的各種損傷發(fā)生概率：齒的斷裂41%，齒面疲勞31%，齒面磨損10%，齒面劃痕10%，其他故障如塑性變形、化學(xué)腐蝕、異物嵌入等8%。

1.齒的斷裂

齒輪副在嚙合傳遞運動時，主動輪的作用力和從動輪的反作用力都通過接觸點分別作用在對方輪齒上，最危險的情況是接觸點某一瞬間位于輪齒的齒頂部，此時輪齒如同一個懸臂梁，受載后齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為最大，若因突然過載或沖擊過載，很容易在齒根處產(chǎn)生過載荷斷裂。即使不存在沖擊過載的受力工況，當(dāng)輪齒重復(fù)受載后，由于應(yīng)力集中，也易產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，致使輪齒在齒根處產(chǎn)生疲勞斷裂。另外，淬火裂紋、磨削裂紋和嚴(yán)重磨損后齒厚過分減薄時在輪齒的任意部位都可能產(chǎn)生斷裂。

輪齒的斷裂是齒輪最嚴(yán)重的故障，常因此造成設(shè)備停機(jī)。

2.齒面磨損或劃痕

(1)粘著磨損。

在低速、重載、高溫、齒面粗糙度差、供油不足或油黏度太低等情況下，油膜易被破壞而發(fā)生粘著磨損。潤滑油的黏度高，有利于防止粘著磨損的發(fā)生。

(2)磨粒磨損與劃痕。

潤滑油中含有雜質(zhì)顆粒以及在開式齒輪傳動中的外來砂粒或在摩擦過程中產(chǎn)生的金屬磨屑，都可以產(chǎn)生磨粒磨損與劃痕。一般齒頂、齒根的摩擦較節(jié)圓部嚴(yán)重，這是因為齒輪嚙合過程中節(jié)圓處為滾動接觸，而齒頂、齒根為滑動接觸。

(3)腐蝕磨損。

由于潤滑油中的一些化學(xué)物質(zhì)如酸、堿或水等污染物與齒面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成金屬的腐蝕而導(dǎo)致齒面損傷。

(4) 燒傷。

燒傷是由于過載、超速或不充分的潤滑引起的過分摩擦所產(chǎn)生的局部區(qū)域過熱，這種溫度升高足以引起變色和過時效，會使鋼的幾微米厚表面層重新淬火，出現(xiàn)白層。損傷的表面容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

(5)齒面膠合。

大功率軟齒面或高速重載的齒輪傳動，當(dāng)潤滑條件不良時易產(chǎn)生齒面膠合（咬焊）破壞，即一齒面上的部分材料膠合到另一齒面上而在此齒面上留下坑穴，在后續(xù)的嚙合傳動中，這部分膠合上的多余材料很容易造成其他齒面的擦傷溝痕，形成惡性循環(huán)。

3.齒面疲勞(點蝕、剝落)

所謂齒面疲勞主要包括齒面點蝕與剝落。造成點蝕的原因主要是由于工作表面的交變應(yīng)力引起的微觀疲勞裂紋，潤滑油進(jìn)入裂紋后，由于嚙合過程可能先封閉入口然后擠壓，微觀疲勞裂紋內(nèi)的潤滑油在高壓下使裂紋擴(kuò)展，結(jié)果小塊金屬從齒面上脫落，留下一個小坑，形成點蝕。如果表面的疲勞裂紋擴(kuò)展得較深、較遠(yuǎn)或一系列小坑由于坑間材料失效而連接起來，造成大面積或大塊金屬脫落，這種現(xiàn)象則稱為剝落。剝落與嚴(yán)重點蝕只有程度上的區(qū)別而無本質(zhì)上的不同。

實驗表明，在閉式齒輪傳動中，點蝕是最普遍的破壞形式。在開式齒輪傳動中，由于潤滑不夠充分以及進(jìn)入污物的可能性增多，磨粒磨損總是先于點蝕破壞。

4.齒面塑性變形

軟齒面齒輪傳遞載荷過大（或在大沖擊載荷下）時，易產(chǎn)生齒面塑性變形。在齒面間過大的摩擦力作用下，齒面接觸應(yīng)力會超過材料的抗剪強(qiáng)度，齒面材料進(jìn)入塑性狀態(tài)，造成齒面金屬的塑性流動，使主動輪節(jié)圓附近齒面形成凹溝，從動輪節(jié)圓附近齒面形成凸棱，從而破壞了正確的齒形。有時可在某些類型的齒輪的從動齒面上出現(xiàn)“飛邊”，嚴(yán)重時擠出的金屬充滿頂隙，引起劇烈振動，甚至發(fā)生斷裂。

五、齒輪箱故障診斷方法

齒輪箱的故障診斷方法一般分為時域診斷與頻域診斷兩大類。而頻域診斷法又可分為振動頻域直接分析法與振動頻域二次分析法兩種。

1.振動時域分析法

該法將各種故障狀態(tài)的振動時域信號與正常狀態(tài)的振動時域信號相比較，從而識別齒輪箱的故障狀況。時域分析方法主要分時域統(tǒng)計分析法（包括直方圖法）、時域相關(guān)分析法、時域同步平均法。時域統(tǒng)計分析法通過求出信號的各種統(tǒng)計參數(shù)，對齒輪箱的故障狀況進(jìn)行分析。齒輪箱故障診斷中的時域相關(guān)分析法主要采用自相關(guān)分析，自相關(guān)函數(shù)描述信號在不同時刻的相互依賴關(guān)系，該函數(shù)還從另一方面反映了信號幅值變化劇烈的程度。時域同步平均法是在混有噪聲干擾的齒輪箱信號中提取周期性分量的有效方法，也稱相干檢波法。振動時域分析法能有效消除與時標(biāo)周期無關(guān)的分量，可直觀地查出個別齒的節(jié)距誤差、剝落與斷裂現(xiàn)象。

2.振動頻域直接分析法

該法是目前齒輪箱故障診斷最常用的方法，它把以時間為橫坐標(biāo)的時域信號通過付里葉變換分解為以頻率為橫坐標(biāo)的頻域信號，從而得出頻譜圖，求得關(guān)于原時域信號頻率成分的幅值和相位信息。振動頻域直接分析法通過分析齒輪箱的頻譜圖，直接得出診斷結(jié)論。該法廣泛應(yīng)用于齒輪箱故障的較精密診斷或連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)中的齒輪箱故障診斷。如果頻譜圖的嚙合頻率處有峰值時，意味著齒輪有問題，當(dāng)出現(xiàn)嚙合頻率的高次諧波時，意味著劣化程度加劇；當(dāng)齒面有異物時，頻譜特征為頻譜圖上出現(xiàn)多個特征頻率的倍頻峰；當(dāng)齒輪磨損，齒隙增大時，都會產(chǎn)生嚙合振動，這種激振力的頻率為齒輪的嚙合頻率，當(dāng)齒輪嚙合頻率的倍頻成分的增長大于嚙合頻率的增長時，說明齒輪可能發(fā)生點蝕和磨損。

3.振動頻域二次分析法

該法通過對頻譜圖提供的信息進(jìn)行進(jìn)一步處理，以提高故障診斷的準(zhǔn)確性，該法廣泛應(yīng)用于齒輪箱故障的精密診斷或連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)中的齒輪箱故障在線診斷。目前在齒輪箱診斷中采用的二次分析法主要有：功率譜分析法、倒頻譜分析法、頻率細(xì)化分析法、小波分析法。

六、診斷案例

該設(shè)備為海洋石油某FPSO的原油外輸泵，承擔(dān)著定期外輸原油的重要任務(wù)，屬于FPSO的關(guān)鍵設(shè)備。如果外輸期間突發(fā)故障，將會給生產(chǎn)帶來很嚴(yán)重的后果。所以，不定期檢查、定期監(jiān)測就成了保證其能安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。海洋石油某FPSO原油外輸泵設(shè)備信息見表1。

表1

設(shè)備測量點示意圖(圖3)。

圖3 設(shè)備測量點示意圖

2012年1月17日對該設(shè)備進(jìn)行了振動數(shù)據(jù)采集，振動參數(shù)主要包括速度值和加速度包絡(luò)值。通過計算得出，齒輪輸入軸頻率為24.8Hz，齒輪輸出軸頻率為27.3Hz，齒輪嚙合頻率為1 091Hz。以下為當(dāng)時實測頻譜圖與時域圖(圖4～8)。

圖4 測點3速度頻譜圖

圖5 測點3局部放大速度頻譜圖

圖6 測點3時域圖

圖7 測點5速度頻譜圖

圖8 測點5時域圖

通過以上頻譜圖發(fā)現(xiàn)：機(jī)組整體振動總值較高；工頻偏高；細(xì)化之后發(fā)現(xiàn)有大量的諧波（也可以說是邊頻），時域波形圖中存在明顯的沖擊現(xiàn)象；規(guī)律性的沖擊現(xiàn)象以輸出軸工頻為間隔；時域波形圖中出現(xiàn)以輸入軸工頻為間隔的規(guī)律性沖擊現(xiàn)象。工頻偏高是一直以來存在的基本問題，這與機(jī)組對中狀況欠佳、基礎(chǔ)變形及應(yīng)力變化等各方面有關(guān)。綜合以上分析診斷得知，該齒輪箱齒輪已經(jīng)發(fā)生故障，初步判斷從動齒輪可能存在斷齒，兩齒輪間隙偏大，運轉(zhuǎn)過程存在異常摩擦，已經(jīng)嚴(yán)重影響到齒輪的正常嚙合。平臺根據(jù)我們提供的維修建議，及時拆檢。拆檢后發(fā)現(xiàn)與診斷結(jié)論基本吻合。

2012年3月26日，再次對該設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，測試條件、檢測儀器、測點位置都與1月相同，以下為實時監(jiān)測的頻譜圖(圖9～11)。

圖9 測點3速度頻譜圖

圖10 測點3局部放大速度頻譜圖

圖11 測點3時域圖

檢測發(fā)現(xiàn)：此次檢測頻譜與1月頻譜相似；工頻偏高；細(xì)化后發(fā)現(xiàn)有大量工頻諧波（邊頻）存在；時域波形圖中同樣存在較明顯的沖擊。但是，通過和1月數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)：齒輪總的沖擊能量值減小；工頻諧波存在數(shù)量相對較少；時域波形圖的沖擊寬度較寬。綜合分析我們得出結(jié)論：齒輪可能斷齒或齒面點蝕、剝落；出現(xiàn)問題的齒輪應(yīng)是一族的多個齒輪（數(shù)量至少為3個）。根據(jù)我們的維修建議，平臺檢修發(fā)現(xiàn)后，齒輪齒面的一側(cè)有大量摩擦的痕跡，且有好幾個齒存在大面積剝落。

七、結(jié)語

齒輪箱作為連接和傳遞動力的通用部件，在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中應(yīng)用廣泛。齒輪傳動的特點也決定了齒輪箱是一個易于發(fā)生故障的機(jī)器組件，其運行狀態(tài)對整機(jī)的工作性能有很大的影響，這就需要運用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)齒輪存在的問題，以便及時檢修。

齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是一門多學(xué)科綜合技術(shù)，涉及動態(tài)信息處理、計算機(jī)、人工智能等，具有工程應(yīng)用性強(qiáng)、技術(shù)基礎(chǔ)可靠、與高技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)等特點。由于齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境一般比較惡劣，并且干擾大，涉及問題較多，對齒輪箱典型故障的提取仍然存在一定的難度。因此需要不斷完善監(jiān)測技術(shù)手段，掌握更多的理論知識，需要積累現(xiàn)場經(jīng)驗，使診斷技術(shù)更為多邊化。

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