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振動技術(shù)判定齒輪損害的嚴重性及改善_振動分析診斷

文/ 發(fā)布于 : 2021-04-26    瀏覽次數(shù):6424

一、齒輪上發(fā)生的異常

  為診斷齒輪設(shè)備,必須認識設(shè)備所發(fā)生的各種異常,在此先對齒輪所發(fā)生的異常,從作到使用中分為三階段說明其特徵。

 

1.造時發(fā)生的異常

 齒輪作時發(fā)生的異常中具代表性的有下述三種。

 (1)偏心

 (2)齒距誤差

 (3)齒形誤差

  小齒輪偏心,大齒輪有齒距誤差的齒輪對如圖A(a)所示,又齒形誤差的例子如同圖(b)所示。雖然這些異常在齒輪安裝前可以用精密量測檢查出,但微小異常在任何齒輪中還是存在的。

 

2.安裝時發(fā)生的異常

 無論齒輪是如何精密造出的,若安裝不良就無法達到100%的性能, 

 安裝時發(fā)生的異常有代表性的如下述兩種。

 (1)偏嚙合

 (2)齒輪軸的對心不良

  齒輪在齒寬方向若沒有承受一樣的荷重時,在如圖B(a)所示的偏嚙合狀態(tài)下,力的傳達無法達到圓心,且恐怕會增加額外的負荷造成齒的折損。又同圖(b)所示對心不良的例子,此狀態(tài)和偏嚙合同樣會增加額外負荷,必須避免在此狀態(tài)下長期使用。

 

圖片1.png

圖A  齒輪造時發(fā)生的異常

圖片2.png

圖B  齒輪安裝時發(fā)生的異常

 

3.使用中發(fā)生的異常

 在造誤差大,組立或安裝不良的狀態(tài)下,或負荷、潤滑等使用條件

 不恰當時使用齒輪常會造成各種異常損傷,齒輪的損傷依發(fā)生形態(tài)分

 類有以下四種。

 (1)摩耗

 (2)表面疲勞

 (3)塑性流

 (4)齒的折損

這些損傷中也包含了甚多使用初期出現(xiàn)的所謂磨合現(xiàn)象,此種非進行性的破壞不能稱之為異?,F(xiàn)象。但是進行性破壞卻是齒輪的致命傷,可能會引起重大事故。

  一般而言,摩耗并非是重大的損傷,進行性破壞的摩耗如刮傷、鱗狀剝落(flaking)等,在損傷發(fā)生后,依不同的使用場合等,決定是否能繼續(xù)使用。

  表面疲勞有初期孔蝕(pitting)、破壞的孔蝕、剝落等種類,其中剝落突發(fā)的疲勞現(xiàn)象,僅發(fā)生于完全淬火,特別是滲碳淬火鋼。

  屬于塑性流的損傷有碾軋(rolling),錘擊(peening),波紋(rippling),山脊紋(ridging)等,其中波紋常發(fā)生于滲碳戟齒輪,山脊紋常發(fā)生于滲碳戟齒輪或青銅蝸齒輪的齒面。

  齒的折損齒輪損傷中最嚴重的,有疲勞折損、過負荷折損、熱裂、研磨裂等,其中以疲勞折損最多,一般由于在材料疲勞限以上承受反覆應(yīng)力所引起。通常在負荷側(cè)齒底角隅處開始產(chǎn)生起始裂痕,然后沿著齒底或往斜上方進展直到折損。疲勞折損的破斷面,可明顯看到一連串的貝殼狀輪廓和其中比較平滑的部份。若表面下方有裂痕起始點時,破斷凹面的底部常造成很嚴重磨損的狀態(tài),熱裂及研磨裂痕也是疲勞折損的原因之一。

 

 

二、診斷法

  在敘述齒輪診斷有關(guān)的基本事項如齒輪的回轉(zhuǎn)、嚙合等之后,針對平齒輪、螺旋齒輪等一般齒輪的振動,和以蝸齒輪的回轉(zhuǎn)不均所代表特殊的齒輪的診斷原理及方法予以敘述,但是并未觸及針對裂痕所用的超音波、磁場等非破壞檢查法。

 

1.齒輪診斷有關(guān)的基礎(chǔ)知識

  設(shè)備發(fā)生異常時振動變大并產(chǎn)生異音,又潤滑油中特定的金屬粉會增 加,溫度也會上升。如此,在發(fā)生異常時發(fā)生變化的因素稱之為徵兆參數(shù),具代表性的齒輪徵兆參數(shù)如下。

(1)振動

(2)音響

(3)軸扭矩變動

(4)回轉(zhuǎn)不均

(5)潤滑油

  在此針對齒輪回轉(zhuǎn)取得的參數(shù)(1)~(4)用于診斷時所需事項予以說明。嚙合中的一對齒輪1,2其轉(zhuǎn)速分別為N1,N2(rpm)時:

fr1=N/60(Hz),    fr2=N2/60(Hz)……………………………(2.61)

上式稱之為各齒輪的回轉(zhuǎn)頻率(fr),又齒數(shù)分別為z1,z2 的話

fm=z1fr1=z2fr2    (Hz)……………………………………(2.62)

上式稱之為嚙合頻率(fm),在齒輪的診斷中,一般的作法是依各徵兆參數(shù),或?qū)ζ渥鬟m當處理后依含有主要fr ,fm 與否,或依其振幅值等來判定。以下以振動和回轉(zhuǎn)不均為例說明齒輪的診斷原理及方法。

 

2.利用振動的齒輪診斷原理

  在嚙合率介于1和2之間的場合,看齒輪的微觀,有時瞬間僅有一齒嚙合,有時瞬間有兩齒嚙合,因一個齒輪所傳達的力為固定;若由一齒承受力量,此時的承受力假設(shè)為"1",則有時承受力為"1/2"。如此在齒輪的回轉(zhuǎn)中一個齒的傳達力呈現(xiàn)週期性變化,因為這變化有衝擊成份存在齒輪因而受到激振,此時發(fā)生的振動為「自然振動」(嚴格來說是具衰減的自由振動),這就是齒輪振動的基本原理。圖C所示,齒輪受力和所發(fā)生振動的關(guān)。

 

圖片3.png

圖C  齒的受力和振動的關(guān)

 

由此圖可知,從兩齒嚙合變?yōu)橐积X嚙合的瞬間,和從一齒嚙合變?yōu)閮升X嚙合的瞬間,分別在一齒嚙合及兩齒嚙合的狀態(tài)發(fā)生齒輪對的自然振動(衝擊振動),但通常以后者的振動較大。

  在作齒輪的診斷時,大都以量測其軸承部的振動,此時測出的振動樣子以圖D(a)為其典型。此波形可分解為同圖(b)的三種類。(1)偏心、對心不良引起的振動,主要齒輪作及安裝時的異常。(2)嚙合時因嚙合壓力變化引起的振動,齒面摩耗進行時除正常嚙合磨損外大都為此種成份,其波形從漂亮的正弦波慢慢歪斜。(3)自然振動成份,嚙合異常時其衝擊振動較正常時大很多,或在發(fā)生齒折損等局部異常時,這齒的嚙合所產(chǎn)生的衝擊振動比其他部份大很多。齒輪自然振動頻率中較常出現(xiàn)者每個齒輪都不同,但大約在1~10KHz的范圍中,量測位置若遠離齒輪本體會有衰減現(xiàn)象,有時無法測得清楚的自然振動波形。

  高速汽輪機等使用的增速機中,齒輪的嚙合頻率非常高,達到數(shù)KHz到十數(shù)KHz。有時自然振動頻率也有上升的情形,此時,(3)那種衝擊的自然振動成份不再存在;頻率高但僅存有(2)的嚙合頻率和(1)的回轉(zhuǎn)頻率。

 

圖片4.png

圖D 從軸承部測出的齒輪振動(影像圖)

 

其他由齒輪引起的振動也存在有滾齒機等齒切削工具的齒數(shù)所對應(yīng)的頻率或各段齒嚙合頻率的和或差的頻率成份。

 

3.利用振動的齒輪診斷法

  利用振動作齒輪診斷的場合,診斷的對象有平齒輪、螺旋齒輪、傘齒輪等,至于利用振動于蝸齒輪診斷甚為困難,蝸齒輪的場合用后述的回轉(zhuǎn)不均來診斷較為有效。

  振動量測時,須在齒輪之齒面未分離的情況下加之以固定負荷,在量測時若負荷變動無法得到正確的診斷。在相當大的負荷或高速回轉(zhuǎn)齒輪的場合,因齒面有可能分離須特別注意。有齒面分離情況時會發(fā)生隨機的齒打擊現(xiàn)象,在此狀態(tài)下所量測的振動無法作正確的診斷。

  通常在軸承座量測振動,在高速增速機等其軸承座被外殼蓋住的場合,量測位置靠近軸承座的剛性大或在基礎(chǔ)上量測,此時依不同量測位置所測得的振動值及特徵參差不齊,量測時其位置應(yīng)該固定不變。量測方向(水平、垂直或軸向)特別不能有阻礙;位置也最好在振動最大的部份。量測探頭最好接觸在表面最平滑的地方。探頭最好是從數(shù)Hz到5~10KHz具有平的頻率特性的加速度型振動感測器,電壓感度在10~50mv/G(1G=9.8m/s2)以上,探頭的安裝最好用鐵螺栓或絕緣螺絲,若欲得到完全的頻率特性用強力膠、臘或磁鐵來安裝也不錯。

  圖E所示利用振動作齒輪診斷的解析順序,通常如圖所示(1)針對回轉(zhuǎn)頻率和嚙合頻率成份予以解析的低頻域解析(2)針對衝擊的自然振動成份的高頻域解析,再下綜合的判定。特別是在低頻域中振動加速度變換為速度,因為在此領(lǐng)域,速度的振動量測感測較加速度高,在高速齒輪的診斷時也有不變換就加速度予以解析的情形,此時前述的自然振動成份不存在,因而無法作高頻解析。又高頻域中,自然振動成份的振幅變調(diào)的間隔(週期或頻率的倒數(shù))也是調(diào)查的目的之一,因而作濾波后的波形絕對值處理(包絡(luò)線處理)。

圖片5.png

圖E 齒輪振動的解析流程

 

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