齿轮箱远程故障诊断分析及实验

张 敏

（浙江工业职业技术学院 浙江 绍兴 312000）

0 引言

齿轮箱作为机电设备运行中不可或缺的连接和动力传输部件，它的正常运行直接决定着整台机电设备的正常运转，但由于齿轮箱内部结构复杂，工作强度大，很容易受到磨损发生故障，因而我们致力于齿轮箱远程故障诊断的研究具有重要的现实意义，可以实时监测设备的运行情况，及时调整设备运行参数，确保生产的平稳、有序[1]。

1 齿轮箱典型故障分类

通过分析，把齿轮箱经常出现的故障分类如图1所示。整个齿轮箱系统是一个包含有传动轴、轴承、齿轮以及箱体结构等机械部件的复杂动力系统，在齿轮箱不断运转的工作过程中，较容易发生机械故障的是齿轮、轴承和传动轴部件，而箱体出现故障的概率往往较低。

在齿轮工作过程中，由于某些原因丧失工作能力或功能参数值超过所允许的最大界限值，被称为齿轮故障。齿轮故障表现形式多样，总体上来说可以分为两类：一类是由于初始制造过程或安装失误导致的，这类故障常表现为轮齿外圆和内孔不同心、齿轮啮合中的齿形误差以及轴线不对称等[2]。第二类是齿轮在长期的运转过程中慢慢形成的，由于齿轮表面在承受较大负载的同时，相互啮合的轮齿之间又存在着相对滑动和滚动的作用力，并且相对滑动时的摩擦力作用在极点两侧的方向相反，因而产生了力的脉动现象，长时间的机械运转直接导致齿面发生磨损、胶合、齿根裂纹甚至发生断齿现象。

在齿轮箱的机械部件中，轴也是很容易发生故障的零部件之一。当存在较大负载对轴进行冲击时，会使得轴发生弯曲变形，从而直接导致齿轮箱故障的发生。在对齿轮箱故障诊断的研究过程中，我们发现不同弯曲程度的轴对齿轮箱故障的影响程度是不同的，也会伴随不同的故障特征，因而轴的弯曲可以定位为严重弯曲和轻度弯曲[3]。轴产生严重不平衡也会导致故障的发生，其产生的原因来自两个方面：

1.1 在制造和加工过程中导致的问题，新铸造的轴出现严重不平衡的现象。

1.2 长期在较大负载的情况下工作，由长期负载发生的变形。

图1 齿轮箱故障分类

2 齿轮箱故障诊断实验

图2 实验平台示意图

实验平台由齿轮箱、数据采集器、直流电机等组成，可以模拟出齿轮箱齿轮最可能发生的故障类型，比如齿轮的断齿、齿面剥落、齿轮均匀磨损、偏心等故障模式，并能够实时采集各种故障信号，实验平台的结构示意图如图2所示。

2.1 被测对象：齿轮箱中的齿轮。

2.2 通道的选取：对二级齿轮箱中的齿轮进行故障诊断时，需要对三个通道的信号值进行提取后作一定分析处理。

2.3 电荷放大器：为提高测试精度，尽可能让A/D板得到等同的信号电压需求，我们必须对设备信号进行放大。在本次试验中分别使用WLD振动测量仪和G22型数字振动测量仪对设备的振幅和转速通道进行测量，通过不断调整电荷放大器的灵敏度获取不同的电压增量。

2.4 A/D采集板：A/D采集板实现了连续信号向离散信号的转换，只有离散的信号才能被计算机处理。

2.5 存储：把放大的信号经过A/D板采集后，将采集的数据存储在计算机文件中，从而可完成模拟实验信号数据采集的功能。

齿轮箱试验平台主要包括齿轮减速器、直流驱动电机、变频器等部件，其中直流电机、齿轮箱均固定在刚性平台上，变频器可控制电机在一定范围内运转，试验仪器的布置如图3所示。齿轮箱内部齿轮参数见表1。

图3 齿轮试验台结构示意图

表1 齿轮参数表

本次实验中振动信号的采样频率是20000Hz，滤波频率是10000Hz，取样长度为8192，负载的电压为30V，电流为0.5A。通过数据采集器，分别采集齿轮在不同模式及不同转速下 （分别为1000rpm、1500rpm、2000rpm）各测试点的数据，再把这些数据传输至计算机存储，以供分析使用。

图4 齿轮正常运转时的频谱图

图5 齿轮磨损的频谱图

图6 齿轮点蚀的频谱图

图4、图5、图6分别给出当齿轮转速为1500rpm时，齿轮正常运转、齿轮受到磨损和齿轮点蚀的频谱图。

［1］袁楚明，陈幼平，周祖德.机械制造设备远程监测与故障诊断技术[J].机械与电子，2001（2）：54－57.

［2］王强，段晨东.机电设备远程监测和故障诊断系统的数据管理[J].计算机工程与应用，2004（9）：208－211.

［3］乔黎.远程监测、诊断与维护技术研究[J].电子机械工程，2004，20（1）： 27－30.