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齒輪振動信號特點

發布時間:2020-8-7 9:57:32  來源:  作者:

        從齒輪的運動方程可知,正常傳動時齒輪齧合剛度的周期性變化會引起齒輪振動。振動頻率與轉速、齒數和重合係數有關。由於齒形誤差的隨機激勵,可能引起齒輪彈性係統的共振,當齒輪出現故障時,振動往往加劇,並會產生一些新的頻率成分,這些稱為齒輪的特征頻率。
齒輪在運轉過程中會存在齒輪的齧合頻率及其倍頻。當齒輪有缺陷時,齧合振動頻率及其倍頻成分會格外的突出,因此監測齧合頻率對於齒輪故障診斷很重要。齒輪在運轉過程中,還存在齒輪及軸的轉動頻率及其倍頻。在診斷齧合齒輪中單個輪齒的故障時,該齒輪的轉頻及其倍頻成分就成為特征頻率。若齒輪有一齒斷裂,每轉一圈,輪齒猛烈衝擊一次,展開為傅裏葉級數,其頻率結構為軸轉動頻率及其倍頻。對於行星齒輪箱,當行星輪上出現單點局部故障時,行星齒輪每轉一周,它將分別與太陽輪、內齒圈各齧合一次,因此,其頻率結構將是轉頻的兩倍及其諧頻,而對於太陽輪、內齒圈,當存在單點故障時,因為存在三個行星輪與其齧合的緣故,其頻率結構將是它們相對與行星架轉頻的三倍及其諧頻。
齒輪的周期性衝擊衰減振動,主要由齒輪的局部損傷故障如齒麵剝落、拉傷等引起,在齒輪轉一圈時才會撞擊一次。此衰減振動的頻率等於齒輪的自由振動頻率。
在齒輪箱的振動頻譜中,常見到齧合頻率或其諧頻附近存在一些等間距的頻率成分,這些頻率成分稱為“邊頻帶”。邊頻帶反映了振動信號的調製特征。信號的調製效應是由載波和調製信號共同作用的結果。在一對齒輪齧合的過程中,其齧合頻率及其各次諧波可以看作一個高頻振蕩,即把它看作載波,而那些在每周呈現出一次或二次的振動信號,如齒輪偏心、齒麵點蝕、剝落等故障引起的振動信號可視作漸變信號,即調製信號。兩種信號同時出現時,就會產生調製效應。
從數學的觀點上看,調製效應是兩個函數(信號)的相乘。設一對齒輪的齧合信號為Xm(t),故障信號為xc(t),總的時域信號:
                                                
而在頻域中則表現為兩函數的卷積,即

對具有調製效應的信號,在進行故障診斷時,通常觀察信號頻域的邊頻帶,邊頻的增多在某種程度上預示了故障的發生,而邊頻的距離往往反映故障的來源和特征。調製可分為幅值調製、頻率調製等調製形式。

幅值調製是由於產生齧合頻率的主要激勵如節線衝擊、齧合衝擊等忽大忽小而造成的。比較典型的例子是齒輪偏心使兩齒輪的中心距隨轉速周期變化,從而節線衝擊或齧合衝擊的強弱也隨之發生周期變化。振幅調製簡稱調幅。齒輪齒距的周期性變化、載荷的波動、局部及均勻分布的故障都會產生振幅調製效應。當齒輪發生局部故障時,齒輪每轉一周就會產生一個脈衝激勵,齒輪的齧合頻率被一個短的周期脈衝調製,在頻譜中表現為在齧合頻率兩側伴有大量的邊頻帶,其幅值較低,分布均勻平坦。均布故障是一種分布比較均勻的缺陷,相當於時域包絡線較寬的脈衝,它在頻域中表現為在齧合頻率兩邊產生了一簇幅值較高、起伏較大、分布較窄的邊頻帶,如圖1所示。
齒輪載荷不均勻、齒距不均勻及故障造成的載荷波動,除了對振動幅值產生影響外,同時也必然產生扭矩波動,使齒輪轉速產生波動。這種波動表現在振動上即為頻率調製(也可以認為是相位調製)。對於齒輪傳動,任何導致產生幅值調製的因素同時也會導致頻率調製,兩種調製總是同時存在的。對於質量較小的齒輪副,頻率調製現象尤為突出。頻率調製的原因主要是由於齒輪齧合剛度函數受齒輪加工誤差和故障的影響而產生了相位變化,這種相位變化會由於齒輪的旋轉而具有周期性。因此在齒輪信號頻率調製現象中,載波函數和調製函數均為一般的周期函數,均包含基頻及其各階倍頻成分。即使在載波信號和調製信號均為單一頻率成分的情況下,頻率調製也會形成很多邊頻成分。調製信號為單一頻率成分時所形成邊頻成分如圖2所示。當調製信號較複雜,為多個頻率成分的組合時,會形成無窮多的更密集的邊頻成分。

實際的齒輪振動信號往往幅值調製與頻率調製同時存在,當二者的邊頻間距相等,且對於同一頻率的邊帶譜線的相位也相同時,二者的幅值增加;相位相反時,二者的幅值相減。這就破壞了邊頻帶原有的對稱性,所以齒輪振動頻譜中齧合頻率或其高階諧頻附近的邊頻帶分布一般是不對稱的。在齒輪的振動信號中,相位調製具有和頻率調製相同的效果。頻率調製或相位調製兩者不嚴格加以區分。事實上,所有的相位調製也可以看作頻率調製,反之亦然。
齒輪振動信號中除了存在齧合頻率、轉頻、邊頻成分外,還存在有其它振動
成分,為了有效地識別齒輪故障,需要對這些成分加以識別和區分。
(1)  隱含成分
一對新齒輪傳動時,在其振動頻譜上會出現某一頻率的基頻及其低次諧頻成分,稱其為隱含成分。實際上它是加工過程中滾齒機給齒輪帶來的周期性缺陷。隱含成分對應於滾齒機工作台分度渦輪的齧合頻率,即這種周期性缺陷來源於分度渦輪、渦杆及滾齒機傳動鏈的誤差。隱含成分有兩個特點:不受載荷變化的影響;當齒輪運轉一段時間,齒輪均勻磨損後,齧合頻率的各次諧波的振動分量逐漸加大,而隱含成分及其各次諧波成分卻逐漸下降。因此隱含成分的各階諧頻的下降往往顯示了該齒輪齒廓磨損的信息。
(2) 附加脈衝
齒輪調製後所產生的信號大體上都對稱於零電平。但由於附加脈衝的影響,實際上測到的信號不一定對稱於零線。附加脈衝是直接疊加在齒輪的常規振動上,而不是以調製的形式出現,在時域上比較容易區分,如圖3所示。在頻域上,附加脈衝和調製效應也很容易區分。調製在頻譜上產生一係列邊頻成分,這些邊頻以齧合頻率及其諧頻為中心,而附加脈衝是齒輪旋轉頻率的低次諧波。
  
產生附加脈衝的主要原因有齒輪動平衡不良、對中不良和機械鬆動等。附加脈衝不一定與齒輪本身缺陷直接有關,其影響一般不會超出低頻段,即在齧合頻率以下。齒輪的嚴重局部故障,如嚴重剝落、斷齒等也會產生附加脈衝。此時在低頻段上表現為齒輪旋轉頻率及其諧頻成分的增加。
      (3) 軸承振動。
      由於測量齒輪箱振動時測點位置通常都選在軸承座上,測得的信號中必然會包含有軸承振動的成分。正常軸承的振動水平明顯低於齒輪振動,一般要小一個數量級,所以在齒輪振動頻率範圍內,軸承振動的頻率成分很不明顯。滑動軸承的振動信號往往在低頻段,而滾動軸承特征頻率範圍比齒輪要寬,所以,滾動軸承的診斷不宜在齒輪振動範圍內進行,而應在高頻段或采用其它方法進行。當滾動軸承出現嚴重故障時,在齒輪振動頻段內可能會出現較為明顯的特征頻率成分。這些成分有時單獨出現,有時表現為與齒輪振動成分交叉調製,出現和頻與差頻成分,和頻與差頻會隨其基本成分的改變而改變。
    綜上分析,齒輪振動信號中成分眾多,關係複雜,但總是以齧合頻率和轉頻為核心。
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