齒輪箱遠程故障診斷分析及實驗

張 敏

（浙江工業職業技術學院 浙江 紹興 312000）

0 引言

齒輪箱作為機電設備運行中不可或缺的連接和動力傳輸部件，它的正常運行直接決定著整臺機電設備的正常運轉，但由于齒輪箱內部結構復雜，工作強度大，很容易受到磨損發生故障，因而我們致力于齒輪箱遠程故障診斷的研究具有重要的現實意義，可以實時監測設備的運行情況，及時調整設備運行參數，確保生產的平穩、有序[1]。

1 齒輪箱典型故障分類

通過分析，把齒輪箱經常出現的故障分類如圖1所示。整個齒輪箱系統是一個包含有傳動軸、軸承、齒輪以及箱體結構等機械部件的復雜動力系統，在齒輪箱不斷運轉的工作過程中，較容易發生機械故障的是齒輪、軸承和傳動軸部件，而箱體出現故障的概率往往較低。

在齒輪工作過程中，由于某些原因喪失工作能力或功能參數值超過所允許的最大界限值，被稱為齒輪故障。齒輪故障表現形式多樣，總體上來說可以分為兩類：一類是由于初始制造過程或安裝失誤導致的，這類故障常表現為輪齒外圓和內孔不同心、齒輪嚙合中的齒形誤差以及軸線不對稱等[2]。第二類是齒輪在長期的運轉過程中慢慢形成的，由于齒輪表面在承受較大負載的同時，相互嚙合的輪齒之間又存在著相對滑動和滾動的作用力，并且相對滑動時的摩擦力作用在極點兩側的方向相反，因而產生了力的脈動現象，長時間的機械運轉直接導致齒面發生磨損、膠合、齒根裂紋甚至發生斷齒現象。

在齒輪箱的機械部件中，軸也是很容易發生故障的零部件之一。當存在較大負載對軸進行沖擊時，會使得軸發生彎曲變形，從而直接導致齒輪箱故障的發生。在對齒輪箱故障診斷的研究過程中，我們發現不同彎曲程度的軸對齒輪箱故障的影響程度是不同的，也會伴隨不同的故障特征，因而軸的彎曲可以定位為嚴重彎曲和輕度彎曲[3]。軸產生嚴重不平衡也會導致故障的發生，其產生的原因來自兩個方面：

1.1 在制造和加工過程中導致的問題，新鑄造的軸出現嚴重不平衡的現象。

1.2 長期在較大負載的情況下工作，由長期負載發生的變形。

圖1 齒輪箱故障分類

2 齒輪箱故障診斷實驗

圖2 實驗平臺示意圖

實驗平臺由齒輪箱、數據采集器、直流電機等組成，可以模擬出齒輪箱齒輪最可能發生的故障類型，比如齒輪的斷齒、齒面剝落、齒輪均勻磨損、偏心等故障模式，并能夠實時采集各種故障信號，實驗平臺的結構示意圖如圖2所示。

2.1 被測對象：齒輪箱中的齒輪。

2.2 通道的選取：對二級齒輪箱中的齒輪進行故障診斷時，需要對三個通道的信號值進行提取后作一定分析處理。

2.3 電荷放大器：為提高測試精度，盡可能讓A/D板得到等同的信號電壓需求，我們必須對設備信號進行放大。在本次試驗中分別使用WLD振動測量儀和G22型數字振動測量儀對設備的振幅和轉速通道進行測量，通過不斷調整電荷放大器的靈敏度獲取不同的電壓增量。

2.4 A/D采集板：A/D采集板實現了連續信號向離散信號的轉換，只有離散的信號才能被計算機處理。

2.5 存儲：把放大的信號經過A/D板采集后，將采集的數據存儲在計算機文件中，從而可完成模擬實驗信號數據采集的功能。

齒輪箱試驗平臺主要包括齒輪減速器、直流驅動電機、變頻器等部件，其中直流電機、齒輪箱均固定在剛性平臺上，變頻器可控制電機在一定范圍內運轉，試驗儀器的布置如圖3所示。齒輪箱內部齒輪參數見表1。

圖3 齒輪試驗臺結構示意圖

表1 齒輪參數表

本次實驗中振動信號的采樣頻率是20000Hz，濾波頻率是10000Hz，取樣長度為8192，負載的電壓為30V，電流為0.5A。通過數據采集器，分別采集齒輪在不同模式及不同轉速下 （分別為1000rpm、1500rpm、2000rpm）各測試點的數據，再把這些數據傳輸至計算機存儲，以供分析使用。

圖4 齒輪正常運轉時的頻譜圖

圖5 齒輪磨損的頻譜圖

圖6 齒輪點蝕的頻譜圖

圖4、圖5、圖6分別給出當齒輪轉速為1500rpm時，齒輪正常運轉、齒輪受到磨損和齒輪點蝕的頻譜圖。

［1］袁楚明，陳幼平，周祖德.機械制造設備遠程監測與故障診斷技術[J].機械與電子，2001（2）：54－57.

［2］王強，段晨東.機電設備遠程監測和故障診斷系統的數據管理[J].計算機工程與應用，2004（9）：208－211.

［3］喬黎.遠程監測、診斷與維護技術研究[J].電子機械工程，2004，20（1）： 27－30.