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雙環(huán)減速器故障特征故障模式及專家領域知識庫

5.1 引言
雙環(huán)減速器是一種新型齒輪裝置，從目前的理論分析、試驗研究和實際應用都證實和發(fā)現(xiàn)，雙環(huán)減速器運行時振動普遍較大，并隨傳動比的增大及功率的增加而加劇，嚴重時導致環(huán)板斷裂，軸承發(fā)熱失效，縮短了減速器的使用壽命。

雙環(huán)減速器由于自身結構的原因，因此運動特性不同于一般減速器齒輪箱，一是兩偏心軸偏心相位相差180°，偏心軸轉動一周產(chǎn)生兩次過“死點”沖擊現(xiàn)象，二是雙環(huán)減速器內(nèi)有兩根偏心軸，兩偏心軸轉動帶動兩環(huán)板做平面圓運動，使兩偏心軸轉動產(chǎn)生動不平衡，同時兩偏心軸與兩環(huán)板及輸出齒輪屬過約束行星傳動，使環(huán)板與輸出齒輪之間的嚙合不同與一般行星齒輪傳動，由于制造、安裝誤差，使環(huán)板內(nèi)齒與輸出齒輪嚙合時產(chǎn)生較大嚙合沖擊。因此雙環(huán)減速器在運行過程中，存在動不平衡慣性沖擊及制造、安裝誤差造成的過約束沖擊，從而使雙環(huán)減速器振動信號中轉頻、環(huán)板與輸出齒輪嚙合頻率及其倍頻成份幅值高，在雙環(huán)減

速器的故障診斷中，振動信號參數(shù)的識別方法不能簡單的等同于一般減速器。

5.2 雙環(huán)減速器常見故障特征分析

5.2.1 故障特征參量的定義及選取原則

對于某一具體的故障類型，我們所關心的問題是：l）這種故障通過哪些物理參量表現(xiàn)出來；2）與各物理參量間的關系強弱情況如何。一般而言，對于前一個問題，只要機械系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生了變化，就必定會影響到與之相聯(lián)系的各個動態(tài)物理參量，牽涉面較廣；而故障類型與物理參量的關系強弱是我們最感興趣的。因為只有那些與某種故障類型之間的關系密切、對故障靈敏可靠的物理參量才被用于故障的診斷。在機械故障診斷學領域，將這些對故障靈敏、穩(wěn)定可靠的物理參量稱為故障特征參量。機械系統(tǒng)的故障類型是千差萬別的，與每一種故障類型相對應，機械系統(tǒng)必定會通過一個或多個物理參量將其表征出來，每一種故障類型也必須由一種或多種原因所引起。這就是說，故障表現(xiàn)與其特征參量和故障原因之間存在如下的對應關系

                        F=f（a₁，a₂…）                              （5.1）

式中F_____某種故障類型；

     a₁，a₂…_____各特征參量或故障原因。
故障診斷就是要確定F與a₁，a₂，…之間的某種對應關系f，以便通過檢測a₁，a₂，…來判斷故障類型F是否發(fā)生，或在已知F發(fā)生的情況下去查明造成F的原因西a₁，a₂，…,等

應該指出的是，對于同一種故障類型，當它們發(fā)生在不同的機械系統(tǒng)上時，其故障特征參量也不同，因此，在確定某種故障的特征參量時，應結合具體的系此時溫度可選為故障特征參量。然而，對于礦山井下的通風機，其轉子軸承處于風道內(nèi)，受到強風冷卻，即使出現(xiàn)故障溫度也未必明顯升高，此時就不宜選用溫度作為軸承故障的特征參量。
由上面的分析可知，雖然某種故障類型發(fā)生所能引起變化的物理參量有許多個，但可用作故障特征的參量是有限的，這就引出了如何來選定故障特征參量的問題。實踐證明，選取故障特征參量應遵循以下原則：
1）高度敏感性
機械系統(tǒng)狀態(tài)的微弱變化應引起故障特征參量的較大變化。
2）高度可靠性

故障特征參量是依賴于機械系統(tǒng)的狀態(tài)變化而變化的，如果把故障特征參量取作應變量，系統(tǒng)狀態(tài)取作自變量，一則故障特征參量應是系統(tǒng)狀態(tài)這個自變量的單值函數(shù)。
3）實用性（或可實現(xiàn)性）
故障特征參量應是便于檢測的，如果某個物理參量雖對某種故障足夠靈敏，但這個參量不易獲得（經(jīng)濟的、技術方面的考慮人那么這個物理參量也不便用作故障特征參量。
不同的故障類型有不同的故障特征與之相對應也就是說，故障類型不同，其故障特征參量也不同即使是同一種故障類型，當其環(huán)境條件（包括故障主體）發(fā)生變化時，其故障特征參量也不同驗的方法來確定。
5.2.2 齒輪箱常見故障特征分析

齒輪箱的實際振動信號異常復雜，但是通過大量的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：齒輪箱中齒輪故障占主要部分，其次是軸承故障障中，主要是疲勞剝落、崩裂掉塊、，其他部分占的比例很小。在齒輪與軸承故壓痕凹坑及拉傷等相對集中的故障，而由均勻性磨損、腐蝕等因素引起的故障所占的比例很小。

表5.1 列舉了齒輪箱中各類零件損壞的百分比，其中，齒輪本身的失效比重最大，占60 % ，說明在齒輪箱中，齒輪本身的制造和裝配質(zhì)量及其維護是保證齒輪正常運行的關健。

表5.1 齒輪箱的失效零件及失效比重

l）軸系的失效類型及其振動特征
軸系的主要失效型式為：失衡、彎曲變形、扭轉變形及疲勞斷裂，每種失效型式都有自己的振動特征。因此，只要掌握了振動特征就可診斷軸系的故障。

A失衡
安裝有齒輪、皮帶輪、葉片的轉動軸由于制造或安裝的質(zhì)量不良，或是軸系上某個零件損壞、失落、附著異物，或者是軸的彎曲變形等原因均會導致軸系的質(zhì)量分布不均。當軸轉動時，偏心質(zhì)量的離心慣性力就構成使轉軸產(chǎn)生橫向強迫振動的周期激振力，激振力的頻率等于軸的轉動頻率。所以軸橫向振動的頻率就等于軸的轉動頻率，并隨著轉速的升高而增大。當轉速等于軸系的固有頻率時，軸系產(chǎn)生強烈振動一共振，此時軸的轉速稱為臨界轉速。
B彎曲變形
轉軸由于受力不均、設計或裝配不良、箱體變形等原因發(fā)生彎曲變形時，其橫向振動的剛度是時間的周期函數(shù)，周期就是軸轉動一轉所需的時間。因此，由其引起的軸的橫向振動不僅有以軸的轉動頻率為頻率的基頻振動，而且有二階及高階的簡諧振動分量。在軸有彎曲變形時必然伴隨著失衡，所以軸彎曲時振動的幅值是隨著轉速的升高而增大的。由于裝配不良、箱體變形等原因使軸對中不良時，所引起的振動也有類似的特征，其不同處在于除橫向振動外還有軸向振動。

C扭轉變形
轉軸在傳遞動力時產(chǎn)生扭轉變形一般不影響軸的正常工作，但當動力或負載扭矩變化以及齒輪的齒面有不同程度的損傷時，將會引起轉軸的扭轉振動。安裝著齒輪的軸的扭轉振動將導致軸產(chǎn)生橫向振動和軸向振動。根據(jù)軸扭轉振動的頻率及其它振動特征，可以區(qū)分引起扭轉振動的原因：由動力或負載變化引起時軸作強迫振動，其振動幅值和頻率僅取決于動力或負載的變化，而與軸的轉速無關；若由齒輪的齒面損傷引起時，不僅產(chǎn)生與軸的轉速有關的強迫振動，而且產(chǎn)生與系統(tǒng)扭轉振動固有頻率有關的自由振動。
D疲勞斷裂

轉軸上出現(xiàn)橫向裂紋時，軸的剛度隨著裂紋深度的增加而下降，而且裂紋的位置越接近軸的中部其剛度變化越大。在軸轉動一周的過程中，對應于軸的不同轉角，軸的剛度是不同的。這是因為當裂紋部位受拉應力作用時，裂紋張開，剛度減��；而裂紋部位受壓應力作用時，裂紋閉合，其對軸的剛度的影響就不明顯。在軸轉動過程中，裂紋處的拉壓應力周期性變化，所以軸的剛度也隨著軸的轉動而周期性地變化，其變化的周期就是軸的轉動周期。因此，轉軸有了橫向裂紋后，其臨界轉速（也即是軸橫向振動的固有頻率）相應地減小，軸的橫向振動除了以轉動頻率作基頻振動外，還有高階諧波振動。此外，尚有異于其它失效類型的振動特征：在轉速達到臨界轉速的1/3和1/2時分別發(fā)生三階與二階諧波共振。

2）齒輪的失效類型與特征
齒輪的失效類型很多，基本上可分為兩類：一類為制造和裝配不善造成的。如齒形誤差、輪齒與內(nèi)孔不同心、各部分的軸線不對中、大型齒輪的不平衡等。另一類為齒輪在長期運行中形成的。由于輪齒表面承受的載荷很大，兩嚙合輪齒之間既有相對滾動又有相對滑動，而且相對滑動的摩擦力在節(jié)點兩側的方向相反，從而產(chǎn)生了力的脈動，在長期運行中導致齒面發(fā)生點蝕、膠合、磨損。疲勞剝落。塑性流動及齒根裂紋，甚至斷齒等失效現(xiàn)象。
據(jù)國外拍樣分析結果，輪齒的各種損傷發(fā)生的概率如表5.2

表5.2 齒輪的失效比重

齒輪的第一類失效主要引起不平衡和嚙合不良，前者使振動加劇，后者將誘發(fā)齒輪的第二類失效。第二類失效主要是指嚙合齒面上的損傷，這些損傷會造成運轉時齒面間的撞擊，從而產(chǎn)生具有一定頻率特征的振動和聲音；齒面產(chǎn)生這些損傷時，剝離的金屬微粒必然進入齒輪箱的潤滑油內(nèi)，不同類型的損傷其微粒的形貌特征、化學成分、數(shù)量多少等方面都有所區(qū)別。因此，對于齒面損傷不僅可以根據(jù)振動與聲的頻率特征進行診斷，也可以通過對油液中的金屬微粒進行物理化學分析來判斷齒面損傷的類型和嚴重程度。
實際上，齒輪的自由振動經(jīng)由軸、軸承傳到齒輪箱體時，猶如通過一個機械低通濾波器，因此在軸承座等處測得的振動信號，一般只包含轉動頻率和嚙合頻率及其諧波。

次料列出了齒輪箱各不同部件故障的振動特征，見表5.3所示。

表5.3 齒輪箱故障的振動特征簡表

已有資料總結了一般齒輪箱中齒形誤差、齒輪均勻磨損、箱體共振、軸輕度彎曲、斷齒、軸不平衡、軸嚴重彎曲、軸向竄動、軸承疲勞剝落和點蝕九種典型故障的振動特征。

5.2.3 齒輪箱振動信號的頻域分析
在工作條件下，人們很難直接檢測某一個齒輪的故障信號，一般是在軸承、箱體有關部位測量，所測得的信號是輪系的信號，從輪系的信號中分離出故障信息。在齒輪箱故障診斷中，振動檢測是目前的主要方法。當齒輪旋轉時，無論齒輪發(fā)生了異常與否，齒的嚙合都會發(fā)生沖擊嚙合振動，其振動波形表現(xiàn)出振幅受到調(diào)制的特點。甚至既調(diào)幅又調(diào)頻。
齒輪箱傳動系統(tǒng)振動的頻譜分析法和轉子、滾動軸承的頻譜分析在原理上是一致的。因為齒輪的傳動產(chǎn)生振動，而故障缺陷也產(chǎn)生振動，二者給合而產(chǎn)生調(diào)制，這是它的特點。這種調(diào)制有調(diào)幅和調(diào)頻。
l）幅值調(diào)制
調(diào)幅現(xiàn)象由于齒面載荷波動對振幅影響形成的。例如齒輪偏心是裝配、制造中不可避兔的問題，偏心使齒輪嚙合時一邊緊一邊松，從而產(chǎn)生載荷波動，使振動幅值按此規(guī)律周期性變化，即相當于齒輪振動受到一個脈沖調(diào)制，齒輪一轉，脈沖重復一次，它的頻率f_z（或 ）等于齒輪的回轉頻率f（或 ），但它比齒輪的嚙合頻率f_e（或 ）要小得多，兩種頻率的信號互相作用而形成調(diào)制。齒輪加工造成節(jié)距不均勻及類似故障使齒輪在嚙合過程中產(chǎn)生短暫的“加載”和“卸載”效應，也會產(chǎn)生幅值調(diào)制。
若x_c(t）=A·sin(2 f_et＋φ）為嚙合振動載波信號，a(x)=1+b·cos f_zt為齒輪軸的旋轉調(diào)制信號，則調(diào)幅后的振動信號

調(diào)制后的信號，除原來的嚙合頻率分量外，增加了一對分量（f_c+ f_n）和（f_c-f_n）它們以f_c為中心，以f_z為間距對稱分布于f_c兩側，所以稱為邊頻帶，見圖5.1所示。上述原理不但適用于像齒輪偏心的故障，也適用于可產(chǎn)生沖擊信號的其它故障，如崩齒、齒面剝落等。

2）頻率調(diào)制

由于齒輪載荷不均、齒距不均勻及故障造成的載荷波動，除了對振動幅值產(chǎn)生影響外，同時也必然產(chǎn)生扭矩的波動，使齒輪轉速產(chǎn)生波動。這種波動表現(xiàn)在振動上即為頻率調(diào)制（也可認為是相位調(diào)制）。所以，對于齒輪來說任何導致產(chǎn)生幅值調(diào)制的因素也同時會導致頻率調(diào)制，兩種調(diào)制總是同時存在的。這種對于質(zhì)量較小齒輪副，頻率調(diào)制現(xiàn)象尤為突出。
對于齒輪振動信號而言，頻率調(diào)制的根源在于齒輪嚙合剛度函數(shù)由于齒輪加工誤差和故障的影響而產(chǎn)生了相位變化，如圖5.2 所示。
這種相位變化會由于齒輪運轉而具有周期性。在齒輪信號頻率調(diào)制中，載波函數(shù)和調(diào)制函數(shù)均為一般周期函數(shù)，均包含基頻及其各階倍頻成分。其結果是在各階嚙合頻率兩側形成一系列邊頻帶。邊頻的間隔為齒輪軸的旋轉頻率f_z。

在實際齒輪系統(tǒng)中，調(diào)幅、調(diào)頻總是同時存在的，所以，頻譜上的邊頻成分為兩種調(diào)制單位作用時所產(chǎn)生的邊頻成分的疊加。雖然在理想條件下（即單獨作用時）兩種調(diào)制所產(chǎn)生的邊頻都是對稱于載波頻率計的，但兩者共同作用時，由于邊頻成分具有不同的相位，而它們的疊加是向量相加，所以疊加后有的邊頻幅值增加了，有的反而下降了，這就破壞了原有的對稱性。
邊頻具有不穩(wěn)定性，這是由于邊頻的相對相位關系容易受到隨機因素的影響而改變，所以在同樣的調(diào)制指數(shù)下，邊頻帶的形狀會有所改變。所以在齒輪故障診斷中，只監(jiān)測某幾個邊頻仍是不可靠的。

5.2.4 雙環(huán)減速器齒輪箱故障特征分析
根據(jù)第三章所述，雙環(huán)減速器有其自身的特點，運動特性不同于一般減速器齒輪箱，其故障特征也有別于一般減速器齒輪箱，雙環(huán)減速器的運動因兩偏心軸轉動帶動兩環(huán)板做平面圓運動，使兩偏心軸轉動產(chǎn)生動不平衡，同時兩偏心軸與兩環(huán)板及輸出齒輪屬過約束行星傳動，使環(huán)板與輸出齒輪之間的嚙合不同與一般行星齒輪傳動，由于制造、安裝誤差，可能使環(huán)板內(nèi)齒與輸出齒輪嚙合時產(chǎn)生較大嚙合沖擊。同時，制造、安裝誤差可能使兩塊環(huán)板內(nèi)齒與輸出齒輪的嚙合不完全同步，從而使雙環(huán)減速器振動信號中環(huán)板與輸出齒輪嚙合頻率及其倍頻成份幅值較高而且有波動現(xiàn)象，因此，在雙環(huán)減速器的故障診斷中，振動信號參數(shù)的識別方法不能簡單的等同于一般減速器。
一般減速器中有嚴重軸彎曲時，時域有明顯的沖擊振動，以一定的時間間隔出現(xiàn)，沖擊持續(xù)了整個周期的1/3以上，這與單個斷齒和集中型故障產(chǎn)生的沖擊振動有明顯區(qū)別，這是軸嚴重彎曲造成的齒輪嚙合過程中連續(xù)多次沖擊振動構成的一次大的沖擊過程。而雙環(huán)減速器振動信號出現(xiàn)上述現(xiàn)象時，可能不是因為軸嚴重彎曲造成，而是因為環(huán)板內(nèi)齒與輸出齒輪嚙合沖擊產(chǎn)生。一般減速器軸有較嚴重的不平衡時，在齒輪傳動中將導致齒形誤差，形成以嚙合頻率及其倍頻為載波頻率，以齒輪所在軸轉頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象，但一般譜圖上邊帶數(shù)量少而稀。但在譜圖中其有故障的軸的轉頻成份明顯加大。而雙環(huán)減速器振動信號出現(xiàn)上述現(xiàn)象時，不一定是因軸有嚴重的不平衡，而可能是因環(huán)板與兩偏心軸轉動時的動不平衡的慣性產(chǎn)生。另外，環(huán)板的慣性力很可能造成偏心軸的動彎曲，使偏心軸出現(xiàn)彎曲故障特征頻率現(xiàn)象。
根據(jù)第三章接觸齒對分析中可知，由于誤差的原因，兩環(huán)板在與輸出齒輪嚙合傳動過程中，會出現(xiàn)兩環(huán)板上嚙合齒的對數(shù)不一致或接觸應力不同而產(chǎn)生載荷不均的現(xiàn)象，這種載荷不均必然產(chǎn)生輸出齒輪的轉矩波動，因此產(chǎn)生振動信號的調(diào)制（主要是頻率調(diào)制）。同時由于兩環(huán)板與兩偏心軸之間的過約束作用，可能造成上述情況非周期性或不均勻性變化，從而使振動信號變得復雜多變。

5.3 雙環(huán)減速器故障專家領域知識庫的建立
綜合上述分析，雙環(huán)減速器故障特征不同于一般減速器，由于雙環(huán)減速器運動的特殊性，分析雙環(huán)減速器的故障時應考慮其特殊性。不僅要考慮一般減速器的故障特征，而且重點要考慮雙環(huán)減速器的運動特性對其故障特征產(chǎn)生的影響。本文對雙環(huán)減速器的故障診斷研究尚屬首次，因此只針對減速器的偏心軸彎曲故障、環(huán)板齒形誤差故障、斷齒故障等進行了分析研究，并根據(jù)其特征建立了相應的故障專家知識。由于本文對雙環(huán)減速器的故障診斷，所用的診斷軟件及設備是用“網(wǎng)絡化、智能化大型旋轉機械在線診斷系統(tǒng)”，因此，本文討論雙環(huán)減速器的故障時，是針對減速器不解體進行故障檢測。
根據(jù)以上分析，本文用圖形化的智能故障診斷預報系統(tǒng)（INCON FIDPS), 建立了雙環(huán)減速器偏心軸彎曲及環(huán)板齒形誤差兩種故障的推理流程。如圖5.3 所示。

圖5.3 中zdpll、zdpl2、zdp13分別為偏心軸的轉頻、環(huán)板齒輪嚙合頻率及二倍環(huán)板齒輪嚙合頻率等三個故障特征頻率成份下的幅值。Zdp14表示是否有以環(huán)板齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，以偏心軸轉頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制，zdp15表示時域信號是否有明顯的沖擊振動，且沖擊持續(xù)了整個周期的1/3 以上。智能故障診斷預報系統(tǒng)（INCON FIDPS)，在進行故障推理時，向數(shù)據(jù)引擎申請故障特征數(shù)據(jù)（圖2中最下層數(shù)據(jù)變量），因此zdpll、zdpl2…zdp15等數(shù)據(jù)變量的數(shù)值或故障特征形態(tài)的準確性將直接影響減速器故障推理的準確性。而zdpll、zdp12…zdp15等數(shù)據(jù)變量在建立偏心軸彎曲及環(huán)板齒形誤差兩種故障的推理流程時需設定故障臨界界限值，這些界限值應該用測量正常同型號雙環(huán)減速器實時數(shù)據(jù)評估設定或用測得的正常同型號雙環(huán)減速器的歷史數(shù)據(jù)來評估設定。當智能診斷系統(tǒng)進行故障推理診斷時，由數(shù)據(jù)引擎向一個動態(tài)數(shù)據(jù)連接庫申請故障特征數(shù)據(jù)，該動態(tài)數(shù)據(jù)連接庫可以直接連接由信號分析模塊處理后得到的故障特征數(shù)據(jù)，也可以自行處理信號數(shù)據(jù)得到故障特征數(shù)據(jù)或采用人機交互方式將人工判定的故障特征數(shù)據(jù)輸入計算機。

5.4 本章小結

本章介紹了故障特征參量的定義及選取原則，討論了齒輪箱的故障診斷方法，分析了雙環(huán)減速器的振動特性及其故障特性，在此基礎上，建立了雙環(huán)減速器偏心軸彎曲及環(huán)板誤差兩種故障的專家知識庫。