張 敏

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 紹興 312000）

0 引言

齒輪箱作為機(jī)電設(shè)備運(yùn)行中不可或缺的連接和動(dòng)力傳輸部件，它的正常運(yùn)行直接決定著整臺(tái)機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但由于齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作強(qiáng)度大，很容易受到磨損發(fā)生故障，因而我們致力于齒輪箱遠(yuǎn)程故障診斷的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況，及時(shí)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，確保生產(chǎn)的平穩(wěn)、有序[1]。

1 齒輪箱典型故障分類

通過(guò)分析，把齒輪箱經(jīng)常出現(xiàn)的故障分類如圖1所示。整個(gè)齒輪箱系統(tǒng)是一個(gè)包含有傳動(dòng)軸、軸承、齒輪以及箱體結(jié)構(gòu)等機(jī)械部件的復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)，在齒輪箱不斷運(yùn)轉(zhuǎn)的工作過(guò)程中，較容易發(fā)生機(jī)械故障的是齒輪、軸承和傳動(dòng)軸部件，而箱體出現(xiàn)故障的概率往往較低。

在齒輪工作過(guò)程中，由于某些原因喪失工作能力或功能參數(shù)值超過(guò)所允許的最大界限值，被稱為齒輪故障。齒輪故障表現(xiàn)形式多樣，總體上來(lái)說(shuō)可以分為兩類：一類是由于初始制造過(guò)程或安裝失誤導(dǎo)致的，這類故障常表現(xiàn)為輪齒外圓和內(nèi)孔不同心、齒輪嚙合中的齒形誤差以及軸線不對(duì)稱等[2]。第二類是齒輪在長(zhǎng)期的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中慢慢形成的，由于齒輪表面在承受較大負(fù)載的同時(shí)，相互嚙合的輪齒之間又存在著相對(duì)滑動(dòng)和滾動(dòng)的作用力，并且相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的摩擦力作用在極點(diǎn)兩側(cè)的方向相反，因而產(chǎn)生了力的脈動(dòng)現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)直接導(dǎo)致齒面發(fā)生磨損、膠合、齒根裂紋甚至發(fā)生斷齒現(xiàn)象。

在齒輪箱的機(jī)械部件中，軸也是很容易發(fā)生故障的零部件之一。當(dāng)存在較大負(fù)載對(duì)軸進(jìn)行沖擊時(shí)，會(huì)使得軸發(fā)生彎曲變形，從而直接導(dǎo)致齒輪箱故障的發(fā)生。在對(duì)齒輪箱故障診斷的研究過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)不同彎曲程度的軸對(duì)齒輪箱故障的影響程度是不同的，也會(huì)伴隨不同的故障特征，因而軸的彎曲可以定位為嚴(yán)重彎曲和輕度彎曲[3]。軸產(chǎn)生嚴(yán)重不平衡也會(huì)導(dǎo)致故障的發(fā)生，其產(chǎn)生的原因來(lái)自兩個(gè)方面：

1.1 在制造和加工過(guò)程中導(dǎo)致的問(wèn)題，新鑄造的軸出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡的現(xiàn)象。

1.2 長(zhǎng)期在較大負(fù)載的情況下工作，由長(zhǎng)期負(fù)載發(fā)生的變形。

圖1 齒輪箱故障分類

2 齒輪箱故障診斷實(shí)驗(yàn)

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由齒輪箱、數(shù)據(jù)采集器、直流電機(jī)等組成，可以模擬出齒輪箱齒輪最可能發(fā)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?qū)崟r(shí)采集各種故障信號(hào)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.1 被測(cè)對(duì)象：齒輪箱中的齒輪。

2.2 通道的選?。簩?duì)二級(jí)齒輪箱中的齒輪進(jìn)行故障診斷時(shí)，需要對(duì)三個(gè)通道的信號(hào)值進(jìn)行提取后作一定分析處理。

2.3 電荷放大器：為提高測(cè)試精度，盡可能讓A/D板得到等同的信號(hào)電壓需求，我們必須對(duì)設(shè)備信號(hào)進(jìn)行放大。在本次試驗(yàn)中分別使用WLD振動(dòng)測(cè)量?jī)x和G22型數(shù)字振動(dòng)測(cè)量?jī)x對(duì)設(shè)備的振幅和轉(zhuǎn)速通道進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)不斷調(diào)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(shí)現(xiàn)了連續(xù)信號(hào)向離散信號(hào)的轉(zhuǎn)換，只有離散的信號(hào)才能被計(jì)算機(jī)處理。

2.5 存儲(chǔ)：把放大的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D板采集后，將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)文件中，從而可完成模擬實(shí)驗(yàn)信號(hào)數(shù)據(jù)采集的功能。

齒輪箱試驗(yàn)平臺(tái)主要包括齒輪減速器、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻器等部件，其中直流電機(jī)、齒輪箱均固定在剛性平臺(tái)上，變頻器可控制電機(jī)在一定范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)儀器的布置如圖3所示。齒輪箱內(nèi)部齒輪參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 齒輪試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 齒輪參數(shù)表

本次實(shí)驗(yàn)中振動(dòng)信號(hào)的采樣頻率是20000Hz，濾波頻率是10000Hz，取樣長(zhǎng)度為8192，負(fù)載的電壓為30V，電流為0.5A。通過(guò)數(shù)據(jù)采集器，分別采集齒輪在不同模式及不同轉(zhuǎn)速下 （分別為1000rpm、1500rpm、2000rpm）各測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)，再把這些數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，以供分析使用。

圖4 齒輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的頻譜圖

圖5 齒輪磨損的頻譜圖

圖6 齒輪點(diǎn)蝕的頻譜圖

圖4、圖5、圖6分別給出當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速為1500rpm時(shí)，齒輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)、齒輪受到磨損和齒輪點(diǎn)蝕的頻譜圖。

［1］袁楚明，陳幼平，周祖德.機(jī)械制造設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)[J].機(jī)械與電子，2001（2）：54－57.

［2］王強(qiáng)，段晨東.機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004（9）：208－211.

［3］喬黎.遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、診斷與維護(hù)技術(shù)研究[J].電子機(jī)械工程，2004，20（1）： 27－30.