机车走行部牵齿轮的故障诊断及检测.doc

机车走行部齿轮的故障诊断及检测刘宇珂 摘要：机车走行部安全是机车运行安全的重要条件之一，而齿轮正是走行部的重要组成部分。因此对于齿轮的故障诊断及检测尤为重要。而常见的齿轮失效有4种基本形式。对于齿轮的故障诊断方法目前大都以振动理论为基础，振动信号处理技术是设备故障诊断中最有效、最常用的方法。 关键字： 检测 振动 齿轮失效的基本形式 1.齿轮的疲劳断裂失效 齿轮运行过程中承受载荷。当根部收到周期应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展，甚至断裂。并齿轮在工作中受到严重的冲击、偏载以及材质不均匀也可能会引起断齿。当齿轮收到过高的交变周期应力时，也会引起疲劳断裂。 2.齿轮的磨损失效 当齿轮工作面间润滑油不足或油质不清洁，有硬质磨料存在时，会引起磨料损耗。 3.齿轮的擦伤失效 重载和高速的齿轮传动，使齿面工作温度很高。当润滑油过低、转速过低、运行温度过高以及接触面积过小，均会使油膜破裂而造成齿面摩伤。 齿面接触疲劳剥落 齿轮在齿合过程中，即有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生脉动载荷。这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的剪应力。剪应力导致点蚀。当“点蚀：扩大，连成一片时，形成齿面上金属块剥落，齿面上剩余的工作面积无法再继续承受外部载荷。从而使整个齿产生断裂。 二. 信号特征 2. 2. 1 正常齿轮的频域特征 正常齿轮的信号反映在功率谱上, 有啮合频率fm 及其谐波分量, 即有nf m( n = 1, 2, . . . ) , 且以啮合频率成分为主, 其高次谐波依次减小。同时, 在低频处有齿轮轴旋转频率f z 及其高次谐波mf z( m= 1, 2, . . . ) 。 2. 2. 2 均匀磨损齿轮的频域特征 均匀磨损时, 啮合频率及其谐波分量保持不变, 但其幅值大小改变, 且高次谐波幅值相对增大较多[ 6] 。分析时, 至少要分析3 个以上谐波的变化, 才能从谱上检测出这种磨损。另外, 随着磨损的加剧, 还可能产生1/ k ( k = 2, 3,4, . . . ) 的分数谐波, 有时在升降速时, 还会出现非线性振动特点的跳跃现象。 2. 2. 3 局部异常齿轮的频率特征 齿轮局部异常含义很广, 包括齿根部有较大裂纹, 局部齿面磨损, 轮齿折断, 局部齿形误差等。具有局部异常的齿轮, 由于裂纹, 折断或齿形误差的影响, 将以旋转频率为主要的频率特征, 即mf z ( m= 1, 2, . . . ) [ 7] 。 1. 2. 4 齿轮点蚀的特征 在啮合过程中齿轮每转到此部分接触时, 由于摩擦力突然加大, 会产生一次或几次冲击现象, 啮合振动受到调制, 其频域表现为信号谱中出现一系列等间隔的频率簇, 尤其是在高频的啮合频率两侧, 还经常分布一系列以旋转频率为间隔的边频带, 这就是发生点蚀的故障特征。 三. 齿轮振动信号的提取 轴承、齿轮等旋转机械故障检测一般均使用振动的方法。通过时域信号特征参数及频谱分析判断其运行状态。轴承和齿轮安装在同一根轴上, 检测时只有一个测点, 两者的振动叠加在一起均被采集, 形成信号干扰。要想单独检测齿轮振动, 就需要将轴承振动信号尽量排除。轴承的振动是高频振动, 一般在4 000 Hz 以上。当轮对转速在400 r/ min 时, 轴承振动信号在8 000 Hz以下, 因此检测轴承时信号的截止频率定在8 000 Hz。而齿轮的振动主要反映在它的啮合频率上, 啮合频率计算公式如下: 式中Fm 为啮合频率; f r 为轴的转频; N 为齿轮齿数。 在机车顶轮检测时, 轮对转速在400 r/ min, DF4B 货机车的齿轮传动比是63 ? 14( 大齿轮齿数63, 电机轴小齿轮齿数14) , 这样啮合频率Fm = ( 400/ 60) @ 63= 420Hz; DF8B 的齿轮传动比是77 ? 17, 它的啮合频率Fm =( 400/ 60) @ 77= 513 Hz。因此单独对齿轮检测时, 截止频率既要包含齿轮振动, 又要躲开轴承的振动, 考虑到观察啮合频率倍频的情况, 截止频率选取啮合频率的3 ) 4 倍, 因此采集齿轮振动信号的截止频率设在2 000 Hz, 就可以排除轴承振动的干扰。 四.齿轮的故障类型和诊断 4. 1 齿面过度磨损或间隙过大 齿轮正常振动啮合频率幅值较小, 如图1。齿轮在经过较长时间运用后, 会过度磨损齿面, 造成齿隙过大,啮合时附加冲击力加大。反映到振动信号上就是啮合频率的各次谐波幅值增大, 尤其高次谐波幅值增大更大, 如图2。采集信号, 做频谱分析, 观察啮合频率的峰值, 与正常值比较可以判断是否过度磨损。 图1 正常齿轮啮合频率图 图2 齿轮过