齿轮振动的机理分析及案例解析.docx

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1、齿轮及齿轮箱在运行中，其运行状态与故障的征兆主要由温度、涧滑油中磨粒的含量及形态(铁谱技术)、齿轮箱的振动及辐射的噪声、齿轮传动轴的扭振和转矩、齿轮齿根应力分布等构成。每个量都从各自的角度反映了齿轮箱的状态,但是由于工业现场测试的条件及分析技术所限，有些征兆的提取与分析不易实现，有些征兆反映的状态情况不敝感，相对来讲，齿轮的振动和噪声(特别是振动)是目前公认的最佳征兆提取量,它对齿轮箱的状态变化反映迅速、真实、全面，能很好地反映出绝大部分齿轮、滚动轴承和轴系故障的性质、范围，并且有很多先进有效的分析方法可供选用.因此，研究齿轮及齿轮箱振动的产生机理，分析其振动信号的频率成分，对于齿轮箱故障诊断

2、来说有着重要的意义。齿轮噪声产生机理，其实质是齿轮振动形成空气振动，因此着重考虑齿轮及齿轮箱的振动.齿轮的简化振动模型齿轮及齿轮箱的振动系统是一个相当发杂的亦线性系统。要建立其完蛉的非线性振动模型是非常困难的，在研究齿轮及齿轮箱故障时,通常将齿轮传动副进行简化。齿轮传动副作为一个振动系统，其物理模型可以简化为如图I所示。图1省轮啮合物理模型根据振动理论，其动力学方程为iWx+Cx+()x=F（三）式中，X为沿啮合线上齿轮相对位移(x=x2-x1.):C为齿轮啮合阻尼：k为啮合刚度；M为当量质地，M=(111.m2)(m1.+m2);F(I)为外界激励。F(t)为动载荷，包含故障缺陷所产生的激励

3、，它的变化受轮齿刚度和传动误差变化的影响，同时还与齿面摩擦力方向的变化有关。在润滑状态良好，I1.齿面粗糙度低的情况下,齿面摩擦力变化对啮合振动的影响较小，常可忽略,从而可以表示为斯+C+上Q)X=上()&+上式中，E1.为齿轮受载后的平均静弹性变形：E2为齿轮误差和故障造成的两个轮齿间的相对位移，又称故障函数；k(t)EI为齿轮正常工作时的常规振动；k(t)E2为取决于齿轮综合刚度和故障函数。对尚轮岫合运转，参与工作的齿数由一对变成两对，乂由两对变成对，形成单双齿啮合交替变化，对齿轮推加一个周期性的冲击，从而形成齿轮啮合振动。正常情况下，啮合频率及谐频成分为JtfZ(t)=4cos(2+)K

4、-O式中，fz为啮令频率：N为自然数1,2,3,M,M为最大谐波次数：N为齿轮轴的转速(n,min);Z为齿轮的齿数.齿轮的啮合刚度对于齿轮振动的产生，齿轮啮合刚度是一个很重要的，同时也是一个很狂杂的参量，它是研究齿轮动态性能的基础。齿轮的啮令刚度受诸多因素的影响，如传递载荷、载荷分布、轮齿变形和哂合位置等.建立齿轮传动的啮合刚度模型是一个很第杂的问题，F1.前较为流行的是美国学者R.Kusuba归纳总结出的非固定变化的啮合刚度模型(VVMS),VVMS模型仅考虑了载荷、误差和啮合位置的影响，有关学行在此基础上提出了综合考虑振动位移和转速成分影响的动态啮合刚度模型(DMS)-虽然有很多研究模型

5、，但由于其自身的更杂性，目前仍不能对它进行定量的准确评估，一般只是用一个定性的齿轮刚度模型来研究齿轮振动，围绕它对齿轮某些故障进行分析。岫合刚度除受上述因素影响外，还与齿轮重叠系数有关。图2所示为直齿轮和斜齿轮刚度曲线“由图可见，斜齿轮啮合刚度变化较缓，这也是斜齿轮传动平稳的原因之一。k()*01.1.a)直齿轮；b)斜齿轮图2齿轮岫合刚度变化曲线风电齿轮箱振动机理风电齿轮箱特点风电齿轮箱作为风力发电机组克要的增速设备，负资把叶轮在风力作用卜.获得的动力传递给发电机并使其得到相应的工作转速：为顺应市场发展的需求，兆瓦级大功率风电齿轮箱，逐步成为市场主流：齿轮箱安装在塔顶的狭小机他内，常年经受无

6、规律的交变载荷的冲击，一旦出现故障，修虹非常困难：通常要求齿轮箱的设计寿命为20年，对其可靠性要求极为苛刻：受制于齿轮箱总体设计、轮齿制造和加工工艺、整箱装配工艺以及测限技术等诸多问题的影响，风电齿轮箱在机组运行过程中会出现齿轮损坏、轴承磨损以及轴断裂等各种类型的失效问题.近年来人们对振动问题的探讨从未停止，并意识到振动反馈出的设备状态信息的经济价值。振动不仅是风电行业的问题，对整个机械行业来说都是普遍存在普遍头疼的问题，大多数情况卜它往往以破坏者的身份出现，影响若设备的使用精度和使用寿命，还可能引起重大的安全事故，造成不可估量的损伤.风电齿轮箱安装在狭小的机他内，常年受无规律交变载荷的冲击,

7、振动问题尤其突出，对振动的合理监测和分析对我们预防事故的发生，提而设备使用的安全性具有重要作用。齿轮箱振动机理分析齿轮箱的振动主要由内部岫合齿轮副受我变形引起的，齿轮副正常情况下的受教及其因为装配、质盘不平衡、齿轮故障等因素导致的啮合问题都体现为齿轮副的受载变形，鼓终通过传动轴系传递给箱体。表I风电齿轮箱部件故障率统计投坏件故障比例(%)故障表现形式Sfi粒60新:fi、点0、剥落*以合、.5?地承19决伤、内外用那捏.电?!：、保持架受形粕10断裂、0根穹曲、不对中7支形、开我3干涉0根淮封1上衣中列出的故障形式基本湎盖了风电齿轮箱全部的故障部件及故障形式，其中齿轮的故障占据齿轮箱故障比例的

8、60%.研究齿轮的振动机理对于解决风电齿轮箱振动问题具有重要意义。齿轮副力学模型分析：图1齿轮副力学模型齿轮啮合过程中有刚度的变化，有弹性变形，有阻尼的作用，根据齿轮副的啮合机理可以得到对应的齿轮副力学模型，该力学模型可简化成如下振动方程：mi*ci*k(t)x-k(t+6,)每一个参量定义如下：一齿面接触力作用下，齿轮沿齿面的相对位移：m：齿轮副的等效质量，；C:啮合明尼：(0:齿轮喷合刚度，随时间变化：&:齿轮受毂后平均弹性变形；:齿轮传动误差和故障激励引起的两齿轮间的相对位移。”)，：提幼位移对应的研究指标，指向弹性力；3：振动速度对应的研究指标，指向阻尼力：mf：振动加速度对应的研究指

9、标，指向惯性力。齿轮振动的激励源有两个部分组成：港正常的幽合激励，无故障状态下的向量振动，卜金由系统的内部激励和外部激励产生，齿轮的故障振动由它引起，其特征取决于齿轮的故障状况，简而言之对齿轮振动问题的研究就是对*电激励源的识别和定位。齿轮参数对振动的影响风电齿轮箱的齿轮件，简单点可分为直齿和斜齿两大类，不论是直齿或是斜齿的啮合和振动情况都受其对应的齿轮参数影响.图2和图4分别描述了直齿轮和斜齿轮啮合刚度的变化特性，可见斜齿轮刚度啮合更加平滑，对应的振动噪声必然更小，图2和图3描述了啮合齿轮数的变化对应的刚度变化，可知在不同幽合瞬间，参与啮合的齿数是不断变化的,单个齿啮合刚度小，2个齿啮合刚度

10、大，我们在齿轮参数设计的时候要尽可能的保证参与啮合的齿数更多，这对应一个要的参量即至合度，或合度越大，啮合刚度越大，振动越小。图2直齿轮刚度变化图4斜齿轮刚度变化虽然斜齿轮的啮合更平滑,但是选用斜齿轮设计的机型必须考虑轴向我荷对齿轮啮合的影响，对于轴系的轴向定位，及轴承造型需要区别于直齿轮设计的机型。结论研究风电齿轮箱振动问题，首先耍找到振动激励源，虽然齿轮啮合作为齿轮箱内部最大的激励源，但是我们也不能忽视风机系统其他部件和对风电齿轮箱振动的影响，只有找到了振动之源才能解决齿轮箱振动问题。齿轮故障的振动诊断及案例分析出轮传动的常见故障有齿断裂，齿磨损，齿面疲劳，点蚀(剥落)和齿轮安装不当。由结

11、构和工作时受力条件决定，齿轮传动的振动信号较为发杂，故障诊断需同时进行时域与频域分析。齿轮工作过程中的故障信号频率基本表现为两部分，一为啮合频率及其谐波(高频部分)构成的载波信号；二为低频成分的幅值和相位变化所构成的调制信号。、岫合频率及其谐波当轮齿进入或脱离啮合时，教荷和刚度均突然增大或减小，形成啮合冲击.齿轮啮合频率为Fm=f1.z1.=f2z2当齿轮出现故障时，将引起啮合频率及其各次谐波幅值的变化。二、佃值调制和频率调制所构成的边频带I幅值调制幅值调制相当于两个信号在时域上相乘,假定栽波信号为g调制信号为C则调制后的时域总信号为X=g(t)c将上式转换到频域上.则为X(D=g(f)c(f

12、)通常幅度调制的调制频率为旋转频率。2 .频率调制齿轮的转速波动，若载波信号为Asin(211fmt+0),调制信号为Bsin211f11t;频率调制可表示为X(t)=Asin(211fmt+Bsin(211frt)+O频率调制不仅产生围绕岫合频率fm的一族边频带。而且在相位信号中产生一个正弦波，通常频率调制的频率为分度不均匀齿轮的转频，实际上，齿轮故障中调幅与调频现象可能同时存在，因而在频谱上得到调幅与调频综合影晌卜.形成的边频带。3 .由齿轮转频的低次谐波构成的附加脉冲齿轮的低频故障不平衡,不对中等也会对齿轮振动时域波形产生影响，但不会在齿轮频率两侧产生边频带。4 .由齿轮加工误差形成的隐

13、含成分该成分的振动通常由加工机床分度齿轮误差造成，它对齿轮的整体运行影响很小.三、以下是一个齿轮故障的案例分析某采油平台原油外输泵(螺杆泵)传动齿轮局部断齿(1)设备形式及参数电机驶动直联双螺杆泵，螺杆之间以同步齿轮传动，齿轮齿数Z=67,电机转速,n=995rmin200n：50n30003j(图2须谱图图3二倍啮合频率局部放大图(4)结论省轮局部缺陷：齿轮箱拆检后发现齿轮局部断齿，缺陷伊共五个.四、某浮式储油轮热介质提升泉齿轮啮合不良1 .设备形式与参数电机驱动直然齿轮泵，电机转速N=1487rmin,齿轮齿数Z=I2。2 .故障现型该系运行时发出连续尖啸，非驱动端轴承温度偏高，非驱动端轴承位置的时域和频域谱见图4图53 .振动特征及分析时域图中有很高的冲击值，频谱图中存在较高峰值的尚轮地合摄率及二倍频，且其振动速度值裔于一倍频，但边频很少且幅值较低，表明齿轮啮合频率的振动并不是由于齿轮本身缺陷造成，齿轮泵#邨动端轴承温度偏高。图4时域图1.J01.30n4DOK06XDMDM)100O图5频谱图4.诊断结论由此可以判断，该齿轮泵齿轮岫合严重不良，主要原因是两齿轮轴平行度超差，拆检后发现齿轮泵非驱动端的滑动轴承偏磨，造成两齿轮中心线不平行，导致齿轮啮合故障，更换轴瓦后，设备运行正常。