研究生课程考核试卷

科 目： 设备状态监测与故障诊断 教 师： 谢志江 姓 名： 崔洪斌 学 号： 20110702178 专 业： 机械设计及理论 类 别： （ 学术） 上课时间： 2012 年 5 月至20 12 年 6 月

考

生 成 绩：

卷面成绩 平时成绩 课程综合成绩

阅卷评语： 阅卷教师 (签名)

重庆大学研究生院制

设备状态监测与故障诊断 20110702178-崔洪斌

设备状态监测与故障诊断

一、 论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法

答：由齿轮传动理论可知，渐开线齿廓齿轮在节点附近为单齿啮合，而在节线的两边为双齿啮合，啮合区的大小则由重叠系数ε决定。因此，每对轮齿在啮合过程中承受的载荷是变化的，从而引起齿轮的振动，另外，一对轮齿在啮合过程中两齿面的相对滑动速度和摩擦力均在节点处改变方向，引起齿轮的振动.这两者形成了啮合频率fz及其谐波Nfz，其计算式为:

nZfz?60

式中 Z——齿轮的齿数；

n——轴的转速，

nZNfz?N?60

式中 N—自然数，1，2，3，??。N=1称为基波，即啮合频率；

N = 2，3，??时，称为二次，三次?谐波。

? 齿轮啮合频率产生的机理：

1) 负载和啮合刚度的周期性变化形成啮合冲击

负载和啮合刚度的变化可用两点来说明：一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一齿轮的刚度发生了变化，二是参加啮合的齿数在变化。如渐开线直齿轮，在节点附近是单齿啮合，在节线两侧某部位开始至齿顶、齿根区段为双齿啮合。显然，在双齿啮合时，整个齿轮的载荷由两个齿分担，故此时齿轮的啮合刚度就较大；同理单齿啮合时，载荷由一个齿承担，此时齿轮的啮合刚度较小。也就是说，即使齿轮所传递的是恒定扭矩，但当每对齿在脱离啮合或进入啮合时，轮齿上的载荷和刚度都要发生突然增大或减小，从而形成周期性啮合冲击。对于重叠系数低的直齿，啮合冲击尤为显著，其作用力和刚度变化基本上呈矩形波。对于斜齿，由于其啮合点是沿齿宽方向移动的，啮合过程的变化较为平缓，刚度变化接近正弦波。因此，轮齿的啮合冲击和啮合刚度的变化取决于齿轮的类型和重叠系数。从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的负载和啮合刚度就变化一次，所以齿轮的负载和啮合刚度周期性变化的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。

1

设备状态监测与故障诊断 20110702178-崔洪斌

图1 轮齿啮合过程及载荷变化

2) 节线冲击的周期性变化

齿轮在啮合过程中，轮齿表面既有相对滚动，又有相对滑动。主动轮带动从动轮旋转时，主动轮上的啮合点从齿根移向齿顶，啮合半径逐渐增大，速度渐次增高；而从动轮上的啮合点是由齿顶移向齿根，啮合半径逐渐减小，速度渐次降低。两轮齿齿面在啮合点的速度差异就形成了主动轮和从动轮的相对滑动。在主动轮上，齿根和节点之间的啮合点速度低于从动轮上的啮合点速度，因此滑动方向向下；在节点处，因为两轮上的啮合点速度相等，相对滑动速度为零。因此，摩擦力在节点处改变了方向，形成节线冲击。由以上分析可知，从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，发生两次节点冲击，所以节线冲击发生的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。

因此，啮合冲击，节线冲击以及啮合刚度的变化都是周期性的，而这个周期性变化的频率，就是转速频率f与齿数z的乘积（每秒针的变化圈数由转速频率定，每圈的变化次数由齿数定，乘积就是每秒针的变化次数），也就是啮合频率。

? 齿轮故障诊断方法

在各种齿轮故障的检测方法中，以振动检测为基础的齿轮故障检测方法具有测量简便、实时性强等优点，是现今齿轮故障检测方法中较为有效的一种。振动和噪声信号是齿轮故障特征信息的载体。目前能够通过各种信号传感器，放大器及其他测量仪器，很方便地测量出齿轮箱的振动和噪声信号，通过各种分析和处理，提取其故障特征信息，从而诊断出齿轮的故障。齿轮正常运行时，一般其振动信号是平稳信号，信号频率成分有各轴的转动频率和齿轮的啮合频率等。

当齿轮发生故障，其振动信号频率成分或幅值发生变化，一般具有下列三种

2

设备状态监测与故障诊断 20110702178-崔洪斌

特征：

1) 信号是稳态的，但对应特征频率的幅值发生明显变化，振动能量有较大的变化。这类故障是以齿轮均匀磨损为代表。

2) 信号是周期平稳信号，出现了有规律的冲击或调制现象。这类故障一般是齿轮或滚动轴承已经发生轻度或较严重的故障。

3) 信号中出现无规律的冲击或调制现象。这类故障一般是齿轮或滚动轴承已经发生较严重的故障，例如，滚动轴承出现大面积的连续疲劳剥落现象。

但并不是出现调制现象就一定有故障。例如，在大齿轮制造中，由于制造工艺、精度和安装等方面的问题，即使是新齿轮或正常运行的齿轮也会出现轻微的调制现象；像轧钢机这类本身负荷是冲击性的工作机械，其齿轮箱的振动信号中也必然有调制现象或无规律的冲击现象。

通过各种信号传感器对齿轮不同信号的监测、能很方便地测量出齿轮的振动和噪声信号，将获得的振动信号进行各种类型分析和处理，捕捉其故障特征信息，利用这些故障特征信息，能很方便的辨别查找齿轮的故障。

以振动和噪声分析法进行的简易齿轮诊断方法有： a) 振平诊断法

利用齿轮的振动强度来判别凿轮是否处于正常工作状态的诊断方法。根据判定指标和标准不同，又可以分为两种方法，即绝对值判定法、相对值判定法。

i. 绝对值判定法 利用在齿轮箱同一测点部位测得的振幅值直接作为

评价运行状态的标准。

ii. 相对值判定法 在实际中，对于尚未制定出绝对植判定标准的齿轮，

可以充分使用现场测量的统计资料制定适当的相对判定标准。

b) 判定参数法

利用齿轮振动的速度信号和加速度信号来计算出某一特征量，根据其大小来判定 齿轮所处工作状态的方法。

以振动与噪声为故障信息载体来进行齿轮的精密检测，目前常用的信号分析处理方法有以下几种：

a) 时域分析法，包括时域波形、调幅解调、相位解调等； b) 频域分析法，包括功率谱、细化谱； c) 倒频谱分析法； d) 包络分析法；

e) 时频域分析方法，包括小波分析法、短时FFT、维格纳分布等； f) 神经网络；

g) 时序分析，包括最大时序和最大熵谱；

3