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1、第二篇齿轮故障诊断方法,中国石油大学（北京）王朝晖,齿轮故障诊断方法,一、齿轮的特点及主要故障形式二、齿轮调幅调频诊断法三、齿轮倒频谱诊断法四、齿轮的诊断标准五、齿轮箱综合诊断实例,一、齿轮运行特点及主要故障形式,1、齿轮的分类 1）渐开线齿轮：应用最广泛，传动平稳、承载力大、寿命长；2）圆弧齿轮；3）行星机构、摆线针轮、谐波减速器齿轮；4）蜗轮、双曲线齿轮、圆锥齿轮：轴线相互垂直，可改变运动方向,2、齿轮的运行特点,1）传递功率大：蒸气透平齿轮最大功率达到25000KW，燃气透平齿轮最大功率达到47000KW。2）速度高：高速齿轮圆周速度在70110ms，正向150200ms发展，个别已达2
2、50300ms。3）负荷大：起停机产生超过额定值8一10倍的扭矩。4）长周期：要求工作时间在10万小时以上。,3、齿轮故障形式,4、齿轮箱的故障特征与故障间的关系,二、齿轮调幅调频诊断法,1、调幅、调频诊断法原理 调幅、调频诊断法是频谱分析方法。转频fr、啮频fm是齿轮的主要故障特征频率：转频 fr=n/60 n-齿轮所在轴的转速，转/分钟；啮频 fm=z*fr z-齿轮齿数。齿轮故障最大特点是：转频fr、啮频fm是以调幅、调频的形式存在于频谱中的，通过解调分析，可有效地分解出转频fr、啮频fm。,2、调幅、调幅的形式,1)线性相加：cos(fmt)+cos(frt)2)调幅：fm载波,fr调
3、幅波(1+A1sin(frt)A2sin(fmt)=A2sin(fmt)+1/2A1A2（cos(fm+fr)-cos(fm-fr)3)调频：fm载波,fr调频波 A1sin(fmt+A2sin(frt),3、调幅、调幅的典型图谱,1)正常齿轮图谱,当齿轮啮合完全正常而处于理想状态时，其波形接近于正弦波，每转内的波形是一样的，其频谱为啮合频率fm的线性频谱，频谱强度为P（fm）；基频fr能量较小。,2)齿轮磨损严重图谱,齿轮磨损时，啮合正弦波逐渐发生畸变，啮合频率fm能量P(fm)增加；同时可能会引起啮合频率2倍、3倍、的高次谐波n fm(n=2，3)能量的增加。,3)齿轮不对中图谱,当齿轮存
4、在对中不良时，由于每转中的啮合压力能时高时低，使振动波形振幅是周期性变化的。按调幅理论，其故障特征频率为:fm-fr及fm+fr。,4)齿轮不平衡图谱,齿轮产生不平衡时，由于附加不平衡力的影响，使其振动波形产生跳动。由不平衡所引起的振动与转频fr同步，使转频能量P(fr)增加。,5)齿轮周节误差图谱,存在周节误差的齿轮，振动波形受旋转频率调制，啮合频率fm、2fm将出现转频高次谐波nfr(n=2,3)。,三、齿轮倒频谱诊断法,1、倒频谱公式 横坐标为“倒频率”(时间)，纵坐标为幅值m/s2,2、倒频谱诊断原理 当信号x(t)与附加信号h(t)(系统函数、回声等)以“卷积”的方式叠加时，FFT变
5、换后会产生频域信号相乘，即:x(t)*h(t)x(f)h(f)这样，频谱法无法将这二个信号分开。倒频谱可将x(t)与h(t)分开。其原理为:卷积-(fft)-频域乘-(log)-频域和-(fft-1)-倒谱,3、倒频谱的变换步骤1)先进行FFT变换，使时域的卷积等于频域相乘：y(f)=x(f)h(f)2)取对数,变积为和:Log(y(f)=log(x(f)+log(h(f)3)进行频谱反变换：C(q)=f-1(log(y(f)4、倒频谱的种类功率倒谱：Cq=f(log(S(f)幅值倒谱：Cq=f(log(x(f)类自相关倒谱：Cq=f-1(log(S(f),5、倒频谱应用 Gx为信号，频率较高
6、；Gh为系统函数，频率较低，两者产生了卷积混叠，如图(a)。进行倒谱分析后，倒频率为q2,q1，较为明显,如图(b)。,齿轮频谱，特征频率不明显,齿轮倒频谱，特征频率突出,四、齿轮的诊断标准,国际ISO2372、德国VDI2056、英国BS4675时域速度标准。,第一类：小型机器 第二类：中型机器 第三类：大型机器 第四类：透平机器,美国齿轮制造协会AGMA的频域加速度标准。A线为线速度25ms。,四、齿轮箱综合诊断实例,风机结构示意图（重齿600kw）（增速箱是由一级行星轮和二级平行轴传动组成）,齿轮箱内各齿轮与轴的故障特征频率,齿轮箱内各轴承的故障特征频率,以G15#齿轮箱为例,由于G14
7、与G15为同一时期测量的数据，且得知风速变化不大，可认为载荷大致相当，且知G14机运行状态良好，故选择G14作为诊断标准。处理后得到各风机齿轮箱的总体能量G15=0.080,G14=0.034，经分析对比得出G15风机可能存在以下故障：(1)一级被动齿轮存在不对中；特征：啮频195HZ及边频(轴基频为9.7HZ)处幅值较大。(2)二级主动齿轮磨损较严重；特征：啮频及倍频(531HZ，2倍1062HZ，3倍1594HZ)处幅值较大。,G14和G15时域指标对比,精密诊断综合报告 诊断库部门:风电一厂 编号:G15 时间:2005年 3月 17日 标准库部门:风电一厂 编号:G14 时间:2005
8、年 3月 17日-1.诊断参数报告平均值、最大值单位为(加速度 m/s2),其余单位为(加速度 m/s2)/1000(1)绝对值 1.32 3.12 135.5%风电一厂G15发电机自由端滚动轴承_ 0.759 2.014 165.3%风电一厂G15发电机输入端滚动轴承_ 0.747 1.675 124.2%风电一厂G15低速轴前滚动轴承_ 0.725 1.183 63.2%风电一厂G15低速轴后滚动轴承_ 0.771 1.353 75.5%风电一厂G15太阳轮前滚动轴承_ 1.748 3.496 100.0%风电一厂G15太阳轮后滚动轴承_ 1.776 4.184 135.6%风电一厂G15
9、中间轴前滚动轴承_ 1.807 4.682 159.1%风电一厂G15中间轴后滚动轴承_ 1.383 3.994 188.8%风电一厂G15高速轴前滚动轴承_ 1.470 3.819 159.8%风电一厂G15高速轴后滚动轴承_ 1.537 3.393 120.8%风电一厂G15内齿圈齿轮_ 1.050 2.309 119.9%风电一厂G15行星齿轮_ 1.050 2.309 119.9%,风电一厂G15太阳齿轮_ 1.748 3.496 100.0%风电一厂G15低速轴第1级主动齿轮 1.776 4.184 135.6%风电一厂G15中间轴第1级被动齿轮 1.807 4.682 159.1%
10、风电一厂G15中间轴第2级主动齿轮 1.383 3.994 188.8%风电一厂G15高速轴第2级被动齿轮 1.470 3.819 159.8%风电一厂G15发电机转轴_ 0.747 1.675 124.2%风电一厂G15低速转轴_ 0.725 1.183 63.2%风电一厂G15中间转轴_ 1.807 4.682 159.1%风电一厂G15高速转轴_ 1.537 3.393 120.8%-(2)峰峰值 11.75 31.54 168.4%风电一厂G15发电机自由端滚动轴承_ 5.750 15.401 167.8%风电一厂G15发电机输入端滚动轴承_ 6.440 13.534 110.2%风电
11、一厂G15低速轴前滚动轴承_ 6.370 14.428 126.5%风电一厂G15低速轴后滚动轴承_ 6.848 14.283 108.6%风电一厂G15太阳轮前滚动轴承_ 14.662 36.006 145.6%风电一厂G15太阳轮后滚动轴承_ 15.616 41.061 162.9%风电一厂G15中间轴前滚动轴承_ 15.011 40.361 168.9%风电一厂G15中间轴后滚动轴承_ 12.535 42.276 237.3%风电一厂G15高速轴前滚动轴承_ 12.270 35.783 191.6%风电一厂G15高速轴后滚动轴承_ 12.522 33.464 167.2%,风电一厂G15
12、内齿圈齿轮_ 10.822 27.033 149.8%风电一厂G15行星齿轮_ 10.822 27.033 149.8%风电一厂G15太阳齿轮_ 14.662 36.006 145.6%风电一厂G15低速轴第1级主动齿轮 15.616 41.061 162.9%风电一厂G15中间轴第1级被动齿轮 15.011 40.361 168.9%风电一厂G15中间轴第2级主动齿轮 12.535 42.276 237.3%风电一厂G15高速轴第2级被动齿轮 12.270 35.783 191.6%-(3)脉冲值 8.48 9.70 14.3%风电一厂G15发电机自由端滚动轴承_ 7.576 7.649 1
13、.0%风电一厂G15发电机输入端滚动轴承_ 8.626 8.081-6.3%风电一厂G15低速轴前滚动轴承_ 8.791 12.196 38.7%风电一厂G15低速轴后滚动轴承_ 8.882 10.556 18.8%风电一厂G15太阳轮前滚动轴承_ 8.387 10.298 22.8%风电一厂G15太阳轮后滚动轴承_ 8.792 9.814 11.6%风电一厂G15中间轴前滚动轴承_ 8.305 8.620 3.8%风电一厂G15中间轴后滚动轴承_ 9.064 10.585 16.8%风电一厂G15高速轴前滚动轴承_ 8.346 9.370 12.3%风电一厂G15高速轴后滚动轴承_ 8.14
14、5 9.863 21.1%,风电一厂G15发电机转轴_ 8.626 8.081-6.3%风电一厂G15低速转轴_ 8.791 12.196 38.7%风电一厂G15中间转轴_ 8.305 8.620 3.8%风电一厂G15高速转轴_ 8.145 9.863 21.1%-(4)轴振动值 106.89 301.78 182.3%风电一厂G15发电机转轴_ 337.100 886.586 163.0%风电一厂G15低速转轴_ 32.181 48.710 51.4%风电一厂G15中间转轴_ 34.096 157.031 360.6%风电一厂G15高速转轴_ 24.201 114.794 374.3%-
15、(5)轴对中振值 49.17 121.34 146.8%风电一厂G15发电机转轴_ 21.911 45.702 108.6%风电一厂G15低速转轴_ 32.181 48.710 51.4%风电一厂G15中间转轴_ 40.559 206.552 409.3%风电一厂G15高速转轴_ 102.042 184.385 80.7%(6)齿轮振动值 111.75 233.94 109.3%风电一厂G15内齿圈齿轮_ 18.511 41.111 122.1%风电一厂G15行星齿轮_ 24.386 81.370 233.7%风电一厂G15太阳齿轮_ 66.539 218.456 228.3%,风电一厂G15
16、低速轴第1级主动齿轮 286.770 411.255 43.4%风电一厂G15中间轴第1级被动齿轮 258.723 486.261 87.9%风电一厂G15中间轴第2级主动齿轮 81.396 87.005 6.9%风电一厂G15高速轴第2级被动齿轮 45.928 312.109 579.6%-(7)滚动轴承内圈振值 37.71 107.62 185.4%风电一厂G15发电机自由端滚动轴承_ 75.521 73.270-3.0%风电一厂G15发电机输入端滚动轴承_ 44.792 28.018-37.4%风电一厂G15低速轴前滚动轴承_ 43.608 39.151-10.2%风电一厂G15低速轴后
17、滚动轴承_ 23.711 31.418 32.5%风电一厂G15太阳轮前滚动轴承_ 27.425 92.034 235.6%风电一厂G15太阳轮后滚动轴承_ 21.260 84.498 297.5%风电一厂G15中间轴前滚动轴承_ 44.008 227.925 417.9%风电一厂G15中间轴后滚动轴承_ 31.226 141.209 352.2%风电一厂G15高速轴前滚动轴承_ 36.458 94.340 158.8%风电一厂G15高速轴后滚动轴承_ 29.140 264.373 807.3%-(8)滚动轴承外圈振值 38.53 86.03 123.3%风电一厂G15发电机自由端滚动轴承_
18、12.481 70.327 463.5%风电一厂G15发电机输入端滚动轴承_ 21.428 33.529 56.5%,风电一厂G15低速轴前滚动轴承_ 30.250 29.357-3.0%风电一厂G15低速轴后滚动轴承_ 14.207 17.314 21.9%风电一厂G15太阳轮前滚动轴承_ 23.712 129.169 444.7%风电一厂G15太阳轮后滚动轴承_ 54.814 112.218 104.7%风电一厂G15中间轴前滚动轴承_ 41.542 82.518 98.6%风电一厂G15中间轴后滚动轴承_ 24.646 61.237 148.5%风电一厂G15高速轴前滚动轴承_ 136.
19、294 126.794-7.0%风电一厂G15高速轴后滚动轴承_ 25.931 197.843 663.0%-(9)滚动轴承滚珠振值 26.33 100.19 280.6%风电一厂G15发电机自由端滚动轴承_ 12.352 88.039 612.8%风电一厂G15发电机输入端滚动轴承_ 23.098 51.521 123.1%风电一厂G15低速轴前滚动轴承_ 10.242 27.312 166.7%风电一厂G15低速轴后滚动轴承_ 12.227 33.646 175.2%风电一厂G15太阳轮前滚动轴承_ 44.122 142.206 222.3%风电一厂G15太阳轮后滚动轴承_ 47.424 95.212 100.8%风电一厂G15中间轴前滚动轴承_ 34.898 157.031 350.0%风电一厂G15中间轴后滚动轴承_ 27.616 83.371 201.9%风电一厂G15高速轴前滚动轴承_ 23.844 101.407 325.3%风电一厂G15高速轴后滚动轴承_ 27.430 222.128 709.8%,G14和G15频域图对比（二级主动齿轮）,G14和G15频谱图对比（一级被动齿轮）,谢 谢！,
