双环减速器故障特征故障模式及专家领域知识库

5.1 引言
双环减速器是一种新型齿轮装置，从目前的理论分析、试验研究和实际应用都证实和发现，双环减速器运行时振动普遍较大，并随传动比的增大及功率的增加而加剧，严重时导致环板断裂，轴承发热失效，缩短了减速器的使用寿命。

双环减速器由于自身结构的原因，因此运动特性不同于一般减速器齿轮箱，一是两偏心轴偏心相位相差180°，偏心轴转动一周产生两次过“死点”冲击现象，二是双环减速器内有两根偏心轴，两偏心轴转动带动两环板做平面圆运动，使两偏心轴转动产生动不平衡，同时两偏心轴与两环板及输出齿轮属过约束行星传动，使环板与输出齿轮之间的啮合不同与一般行星齿轮传动，由于制造、安装误差，使环板内齿与输出齿轮啮合时产生较大啮合冲击。因此双环减速器在运行过程中，存在动不平衡惯性冲击及制造、安装误差造成的过约束冲击，从而使双环减速器振动信号中转频、环板与输出齿轮啮合频率及其倍频成份幅值高，在双环减

速器的故障诊断中，振动信号参数的识别方法不能简单的等同于一般减速器。

5.2 双环减速器常见故障特征分析

5.2.1 故障特征参量的定义及选取原则

对于某一具体的故障类型，我们所关心的问题是：l）这种故障通过哪些物理参量表现出来；2）与各物理参量间的关系强弱情况如何。一般而言，对于前一个问题，只要机械系统的状态发生了变化，就必定会影响到与之相联系的各个动态物理参量，牵涉面较广；而故障类型与物理参量的关系强弱是我们最感兴趣的。因为只有那些与某种故障类型之间的关系密切、对故障灵敏可靠的物理参量才被用于故障的诊断。在机械故障诊断学领域，将这些对故障灵敏、稳定可靠的物理参量称为故障特征参量。机械系统的故障类型是千差万别的，与每一种故障类型相对应，机械系统必定会通过一个或多个物理参量将其表征出来，每一种故障类型也必须由一种或多种原因所引起。这就是说，故障表现与其特征参量和故障原因之间存在如下的对应关系

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

式中F_____某种故障类型；

     a₁，a₂…_____各特征参量或故障原因。
故障诊断就是要确定F与a₁，a₂，…之间的某种对应关系f，以便通过检测a₁，a₂，…来判断故障类型F是否发生，或在已知F发生的情况下去查明造成F的原因西a₁，a₂，…,等

应该指出的是，对于同一种故障类型，当它们发生在不同的机械系统上时，其故障特征参量也不同，因此，在确定某种故障的特征参量时，应结合具体的系此时温度可选为故障特征参量。然而，对于矿山井下的通风机，其转子轴承处于风道内，受到强风冷却，即使出现故障温度也未必明显升高，此时就不宜选用温度作为轴承故障的特征参量。
由上面的分析可知，虽然某种故障类型发生所能引起变化的物理参量有许多个，但可用作故障特征的参量是有限的，这就引出了如何来选定故障特征参量的问题。实践证明，选取故障特征参量应遵循以下原则：
1）高度敏感性
机械系统状态的微弱变化应引起故障特征参量的较大变化。
2）高度可靠性

故障特征参量是依赖于机械系统的状态变化而变化的，如果把故障特征参量取作应变量，系统状态取作自变量，一则故障特征参量应是系统状态这个自变量的单值函数。
3）实用性（或可实现性）
故障特征参量应是便于检测的，如果某个物理参量虽对某种故障足够灵敏，但这个参量不易获得（经济的、技术方面的考虑人那么这个物理参量也不便用作故障特征参量。
不同的故障类型有不同的故障特征与之相对应也就是说，故障类型不同，其故障特征参量也不同即使是同一种故障类型，当其环境条件（包括故障主体）发生变化时，其故障特征参量也不同验的方法来确定。
5.2.2 齿轮箱常见故障特征分析

齿轮箱的实际振动信号异常复杂，但是通过大量的统计分析发现：齿轮箱中齿轮故障占主要部分，其次是轴承故障障中，主要是疲劳剥落、崩裂掉块、，其他部分占的比例很小。在齿轮与轴承故压痕凹坑及拉伤等相对集中的故障，而由均匀性磨损、腐蚀等因素引起的故障所占的比例很小。

表5.1 列举了齿轮箱中各类零件损坏的百分比，其中，齿轮本身的失效比重最大，占60 % ，说明在齿轮箱中，齿轮本身的制造和装配质量及其维护是保证齿轮正常运行的关健。

表5.1 齿轮箱的失效零件及失效比重

l）轴系的失效类型及其振动特征
轴系的主要失效型式为：失衡、弯曲变形、扭转变形及疲劳断裂，每种失效型式都有自己的振动特征。因此，只要掌握了振动特征就可诊断轴系的故障。

A失衡
安装有齿轮、皮带轮、叶片的转动轴由于制造或安装的质量不良，或是轴系上某个零件损坏、失落、附着异物，或者是轴的弯曲变形等原因均会导致轴系的质量分布不均。当轴转动时，偏心质量的离心惯性力就构成使转轴产生横向强迫振动的周期激振力，激振力的频率等于轴的转动频率。所以轴横向振动的频率就等于轴的转动频率，并随着转速的升高而增大。当转速等于轴系的固有频率时，轴系产生强烈振动一共振，此时轴的转速称为临界转速。
B弯曲变形
转轴由于受力不均、设计或装配不良、箱体变形等原因发生弯曲变形时，其横向振动的刚度是时间的周期函数，周期就是轴转动一转所需的时间。因此，由其引起的轴的横向振动不仅有以轴的转动频率为频率的基频振动，而且有二阶及高阶的简谐振动分量。在轴有弯曲变形时必然伴随着失衡，所以轴弯曲时振动的幅值是随着转速的升高而增大的。由于装配不良、箱体变形等原因使轴对中不良时，所引起的振动也有类似的特征，其不同处在于除横向振动外还有轴向振动。

C扭转变形
转轴在传递动力时产生扭转变形一般不影响轴的正常工作，但当动力或负载扭矩变化以及齿轮的齿面有不同程度的损伤时，将会引起转轴的扭转振动。安装着齿轮的轴的扭转振动将导致轴产生横向振动和轴向振动。根据轴扭转振动的频率及其它振动特征，可以区分引起扭转振动的原因：由动力或负载变化引起时轴作强迫振动，其振动幅值和频率仅取决于动力或负载的变化，而与轴的转速无关；若由齿轮的齿面损伤引起时，不仅产生与轴的转速有关的强迫振动，而且产生与系统扭转振动固有频率有关的自由振动。
D疲劳断裂

转轴上出现横向裂纹时，轴的刚度随着裂纹深度的增加而下降，而且裂纹的位置越接近轴的中部其刚度变化越大。在轴转动一周的过程中，对应于轴的不同转角，轴的刚度是不同的。这是因为当裂纹部位受拉应力作用时，裂纹张开，刚度减小；而裂纹部位受压应力作用时，裂纹闭合，其对轴的刚度的影响就不明显。在轴转动过程中，裂纹处的拉压应力周期性变化，所以轴的刚度也随着轴的转动而周期性地变化，其变化的周期就是轴的转动周期。因此，转轴有了横向裂纹后，其临界转速（也即是轴横向振动的固有频率）相应地减小，轴的横向振动除了以转动频率作基频振动外，还有高阶谐波振动。此外，尚有异于其它失效类型的振动特征：在转速达到临界转速的1/3和1/2时分别发生三阶与二阶谐波共振。

2）齿轮的失效类型与特征
齿轮的失效类型很多，基本上可分为两类：一类为制造和装配不善造成的。如齿形误差、轮齿与内孔不同心、各部分的轴线不对中、大型齿轮的不平衡等。另一类为齿轮在长期运行中形成的。由于轮齿表面承受的载荷很大，两啮合轮齿之间既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，从而产生了力的脉动，在长期运行中导致齿面发生点蚀、胶合、磨损。疲劳剥落。塑性流动及齿根裂纹，甚至断齿等失效现象。
据国外拍样分析结果，轮齿的各种损伤发生的概率如表5.2

表5.2 齿轮的失效比重

齿轮的第一类失效主要引起不平衡和啮合不良，前者使振动加剧，后者将诱发齿轮的第二类失效。第二类失效主要是指啮合齿面上的损伤，这些损伤会造成运转时齿面间的撞击，从而产生具有一定频率特征的振动和声音；齿面产生这些损伤时，剥离的金属微粒必然进入齿轮箱的润滑油内，不同类型的损伤其微粒的形貌特征、化学成分、数量多少等方面都有所区别。因此，对于齿面损伤不仅可以根据振动与声的频率特征进行诊断，也可以通过对油液中的金属微粒进行物理化学分析来判断齿面损伤的类型和严重程度。
实际上，齿轮的自由振动经由轴、轴承传到齿轮箱体时，犹如通过一个机械低通滤波器，因此在轴承座等处测得的振动信号，一般只包含转动频率和啮合频率及其谐波。

次料列出了齿轮箱各不同部件故障的振动特征，见表5.3所示。

表5.3 齿轮箱故障的振动特征简表

已有资料总结了一般齿轮箱中齿形误差、齿轮均匀磨损、箱体共振、轴轻度弯曲、断齿、轴不平衡、轴严重弯曲、轴向窜动、轴承疲劳剥落和点蚀九种典型故障的振动特征。

5.2.3 齿轮箱振动信号的频域分析
在工作条件下，人们很难直接检测某一个齿轮的故障信号，一般是在轴承、箱体有关部位测量，所测得的信号是轮系的信号，从轮系的信号中分离出故障信息。在齿轮箱故障诊断中，振动检测是目前的主要方法。当齿轮旋转时，无论齿轮发生了异常与否，齿的啮合都会发生冲击啮合振动，其振动波形表现出振幅受到调制的特点。甚至既调幅又调频。
齿轮箱传动系统振动的频谱分析法和转子、滚动轴承的频谱分析在原理上是一致的。因为齿轮的传动产生振动，而故障缺陷也产生振动，二者给合而产生调制，这是它的特点。这种调制有调幅和调频。
l）幅值调制
调幅现象由于齿面载荷波动对振幅影响形成的。例如齿轮偏心是装配、制造中不可避兔的问题，偏心使齿轮啮合时一边紧一边松，从而产生载荷波动，使振动幅值按此规律周期性变化，即相当于齿轮振动受到一个脉冲调制，齿轮一转，脉冲重复一次，它的频率f_z（或 ）等于齿轮的回转频率f（或 ），但它比齿轮的啮合频率f_e（或 ）要小得多，两种频率的信号互相作用而形成调制。齿轮加工造成节距不均匀及类似故障使齿轮在啮合过程中产生短暂的“加载”和“卸载”效应，也会产生幅值调制。
若x_c(t）=A·sin(2 f_et＋φ）为啮合振动载波信号，a(x)=1+b·cos f_zt为齿轮轴的旋转调制信号，则调幅后的振动信号

调制后的信号，除原来的啮合频率分量外，增加了一对分量（f_c+ f_n）和（f_c-f_n）它们以f_c为中心，以f_z为间距对称分布于f_c两侧，所以称为边频带，见图5.1所示。上述原理不但适用于像齿轮偏心的故障，也适用于可产生冲击信号的其它故障，如崩齿、齿面剥落等。

2）频率调制

由于齿轮载荷不均、齿距不均匀及故障造成的载荷波动，除了对振动幅值产生影响外，同时也必然产生扭矩的波动，使齿轮转速产生波动。这种波动表现在振动上即为频率调制（也可认为是相位调制）。所以，对于齿轮来说任何导致产生幅值调制的因素也同时会导致频率调制，两种调制总是同时存在的。这种对于质量较小齿轮副，频率调制现象尤为突出。
对于齿轮振动信号而言，频率调制的根源在于齿轮啮合刚度函数由于齿轮加工误差和故障的影响而产生了相位变化，如图5.2 所示。
这种相位变化会由于齿轮运转而具有周期性。在齿轮信号频率调制中，载波函数和调制函数均为一般周期函数，均包含基频及其各阶倍频成分。其结果是在各阶啮合频率两侧形成一系列边频带。边频的间隔为齿轮轴的旋转频率f_z。

在实际齿轮系统中，调幅、调频总是同时存在的，所以，频谱上的边频成分为两种调制单位作用时所产生的边频成分的叠加。虽然在理想条件下（即单独作用时）两种调制所产生的边频都是对称于载波频率计的，但两者共同作用时，由于边频成分具有不同的相位，而它们的叠加是向量相加，所以叠加后有的边频幅值增加了，有的反而下降了，这就破坏了原有的对称性。
边频具有不稳定性，这是由于边频的相对相位关系容易受到随机因素的影响而改变，所以在同样的调制指数下，边频带的形状会有所改变。所以在齿轮故障诊断中，只监测某几个边频仍是不可靠的。

5.2.4 双环减速器齿轮箱故障特征分析
根据第三章所述，双环减速器有其自身的特点，运动特性不同于一般减速器齿轮箱，其故障特征也有别于一般减速器齿轮箱，双环减速器的运动因两偏心轴转动带动两环板做平面圆运动，使两偏心轴转动产生动不平衡，同时两偏心轴与两环板及输出齿轮属过约束行星传动，使环板与输出齿轮之间的啮合不同与一般行星齿轮传动，由于制造、安装误差，可能使环板内齿与输出齿轮啮合时产生较大啮合冲击。同时，制造、安装误差可能使两块环板内齿与输出齿轮的啮合不完全同步，从而使双环减速器振动信号中环板与输出齿轮啮合频率及其倍频成份幅值较高而且有波动现象，因此，在双环减速器的故障诊断中，振动信号参数的识别方法不能简单的等同于一般减速器。
一般减速器中有严重轴弯曲时，时域有明显的冲击振动，以一定的时间间隔出现，冲击持续了整个周期的1/3以上，这与单个断齿和集中型故障产生的冲击振动有明显区别，这是轴严重弯曲造成的齿轮啮合过程中连续多次冲击振动构成的一次大的冲击过程。而双环减速器振动信号出现上述现象时，可能不是因为轴严重弯曲造成，而是因为环板内齿与输出齿轮啮合冲击产生。一般减速器轴有较严重的不平衡时，在齿轮传动中将导致齿形误差，形成以啮合频率及其倍频为载波频率，以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象，但一般谱图上边带数量少而稀。但在谱图中其有故障的轴的转频成份明显加大。而双环减速器振动信号出现上述现象时，不一定是因轴有严重的不平衡，而可能是因环板与两偏心轴转动时的动不平衡的惯性产生。另外，环板的惯性力很可能造成偏心轴的动弯曲，使偏心轴出现弯曲故障特征频率现象。
根据第三章接触齿对分析中可知，由于误差的原因，两环板在与输出齿轮啮合传动过程中，会出现两环板上啮合齿的对数不一致或接触应力不同而产生载荷不均的现象，这种载荷不均必然产生输出齿轮的转矩波动，因此产生振动信号的调制（主要是频率调制）。同时由于两环板与两偏心轴之间的过约束作用，可能造成上述情况非周期性或不均匀性变化，从而使振动信号变得复杂多变。

5.3 双环减速器故障专家领域知识库的建立
综合上述分析，双环减速器故障特征不同于一般减速器，由于双环减速器运动的特殊性，分析双环减速器的故障时应考虑其特殊性。不仅要考虑一般减速器的故障特征，而且重点要考虑双环减速器的运动特性对其故障特征产生的影响。本文对双环减速器的故障诊断研究尚属首次，因此只针对减速器的偏心轴弯曲故障、环板齿形误差故障、断齿故障等进行了分析研究，并根据其特征建立了相应的故障专家知识。由于本文对双环减速器的故障诊断，所用的诊断软件及设备是用“网络化、智能化大型旋转机械在线诊断系统”，因此，本文讨论双环减速器的故障时，是针对减速器不解体进行故障检测。
根据以上分析，本文用图形化的智能故障诊断预报系统（INCON FIDPS), 建立了双环减速器偏心轴弯曲及环板齿形误差两种故障的推理流程。如图5.3 所示。

图5.3 中zdpll、zdpl2、zdp13分别为偏心轴的转频、环板齿轮啮合频率及二倍环板齿轮啮合频率等三个故障特征频率成份下的幅值。Zdp14表示是否有以环板齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，以偏心轴转频为调制频率的啮合频率调制，zdp15表示时域信号是否有明显的冲击振动，且冲击持续了整个周期的1/3 以上。智能故障诊断预报系统（INCON FIDPS)，在进行故障推理时，向数据引擎申请故障特征数据（图2中最下层数据变量），因此zdpll、zdpl2…zdp15等数据变量的数值或故障特征形态的准确性将直接影响减速器故障推理的准确性。而zdpll、zdp12…zdp15等数据变量在建立偏心轴弯曲及环板齿形误差两种故障的推理流程时需设定故障临界界限值，这些界限值应该用测量正常同型号双环减速器实时数据评估设定或用测得的正常同型号双环减速器的历史数据来评估设定。当智能诊断系统进行故障推理诊断时，由数据引擎向一个动态数据连接库申请故障特征数据，该动态数据连接库可以直接连接由信号分析模块处理后得到的故障特征数据，也可以自行处理信号数据得到故障特征数据或采用人机交互方式将人工判定的故障特征数据输入计算机。

5.4 本章小结

本章介绍了故障特征参量的定义及选取原则，讨论了齿轮箱的故障诊断方法，分析了双环减速器的振动特性及其故障特性，在此基础上，建立了双环减速器偏心轴弯曲及环板误差两种故障的专家知识库。