romax 齿轮箱振动分析
摘要
齿轮箱作为风电机组中最重要的传动部件,负责将风轮叶片的低转速转换为发电机所需要的高转速，实现能量与扭矩的高效传输；振动是风电机组齿轮箱故障失效的主要原因，随着机组容量的增加, 长期处于恶劣条件下的齿轮箱，由于结构体积的增大和弹性增加，更易引发振动问题。本文主要研究齿轮箱在变速变载下的振动特性，基于Romax软件建立齿轮箱的振动模型，分析齿轮箱各级齿轮的啮合频率和固有频率。本文研究内容可为风电机组齿轮箱的优化设计、故障、预防和处理提供技术基础。
关键词: 齿轮箱,固有频率,啮合频率,共振,Romax
ABSTRACT
Gear box is the most transmission Parts in the Wind turbine,it is responsible for the low-speed wind turbine blade into the high-speed generator required to achieve the efficient transmission of energy and torque.Vibration is the main reason of wind turbine gear box failure , along with the increase of unit capacity, long-term adverse conditions in the gear box, due to the increase of the structure and flexibility to increase volume, caused more vibration problems.This paper mainly research gear box's vibration characteristics in the speed change, established gearbox vibration model based on Romax software,analysis of gearbox gear mesh frequency and levels of natural frequency.The contents of this paper provide wind turbine gearbox optimized design, failure for technical basis for the prevention and treatment.
Key words : Gear Box , Natural frequency , Meshing frequency, Resonance, Romax
目录
摘要.................................................................... I ABSTRACT ................................................................... II 第1章绪论. (1)
1.1选题背景和意义 (1)
1.2国内外研究现状 (2)
1.3本文工作 (3)
1.4本章小结 (3)
第2章风电机组齿轮箱力学特点 (4)
2.1 前言 (4)
2.2 风电机组齿轮箱机械结构 (4)
2.3 风电机组齿轮箱外部载荷 (5)
2.4 风电机组齿轮箱内部激励 (6)
2.5 齿轮箱振动机理 (6)
2.6 机械振动系统 (8)
2.7本章小结 (10)
第3章基于romax的风电齿轮箱建模 (11)
3.1世界各地对romax的应用 (11)
3.2 Romax软件介绍 (11)
3.3 Romax建模 (12)
3.4本章小结 (17)
第4章固有频率和啮合频率分析 (18)
4.1传动比及啮合频率计算 (18)
4.2固有频率和啮合频率分析比较 (21)
4.3本章小结 (22)
第5章结论和展望 (23)
5.1结论 (23)
5.2展望 (23)
参考文献 (24)
致谢 (25)
第1章绪论
1.1 选题背景和意义
在人类越来越渴望清洁能源和环保能源的大时代背景下，风电作为一种新兴的清洁能源，受到全世界人类的广泛关注。美国，德国，日本等国家都在积极地研究风电这一清洁、高效的发电方式。在中国，风电也在蓬勃发展，金风，华锐，明阳这些企业已经走在了科研的前列，而东方汽轮机厂，华能也新建了风电厂。从九十年代到2007年，我国风电机组装机总容量已超过560万kW，风电机组共计6469台，分布在全国22个省、市和自治区。目前已装机的风电机组中，大部分采用的是水平轴结构，并采用齿轮箱作为风轮与发电机之间的传动部件。齿轮箱负责将风轮叶片的低转速转换为发电机所需要的高转速，实现能量与扭矩的高效传输。因此，齿轮箱是风电机组中最重要的传动部件。
风电齿轮箱具有质量大、重心高等特点，随着风电机组装机容量的不断增大，轮毂高度逐渐增加，齿轮箱受力变得复杂化，这就造成有些齿轮箱可能在设计上存在缺陷。一般风电机组都安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难。由于齿轮箱长期处于这样的恶劣条件下，会出现粘附磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损、微动磨损和气蚀等失效形式，轻则导致润滑油失效，重则轴、轴承、轮齿的断裂，导致风电机组的停机[5]。在变速变载这样的情况下，还会出现轮齿折断、齿面点蚀等的情况。根据国际上有关机构对25台实际运行机组在3个月时间段的故障统计，机组各部件故障造成发电量损失见图1，齿轮箱是风电机组中故障率最高的部件，其主要失效形式为轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形[6]。
图1-1 风电机组故障所造成的发电量损失估计
上述齿轮箱失效形式主要由风电机组所承受的变速、变载的复杂作用力引起，其故障
特点皆可通过齿轮箱的振动信息表征出来。因此，分析大型风电机组齿轮箱的振动特点，对于判断零件的失效原因，明确故障部位，并对齿轮箱进行优化设计具有指导意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
由于人类认识到风能是清洁、可再生能源，因此世界的风力发电工业正以不同的方式提高风力发电的经济性，各国的公司也都在想方设法提高现有的技术水平，选择最优秀的设计方案。对振动特性的研究和应用，美国、德国已经走在了世界的前列。
在国外，已经把齿轮的振动和噪声问题作为评价一个齿轮装置好坏的重要因素[7]。齿轮的振动和噪声问题这个问题引起了世界范围内的广泛关注。而对齿轮箱的振动模型的建立及其仿真系统已经在德、美这些发达国家中指导并应用在风力的发电当中了，对于齿轮箱的固有频率和啮合频率的研究已经处于世界前沿，使用了如有限元法、使用计算机软件等有效的手段，对影响齿轮箱振动的因素分析比较透彻，并能有效地减小这些影响因素，从而为风电机组齿轮箱的故障分析和判断提供了非常好的平台。
1.2.2 国内研究现状
国内由于风力发电机行业本身起步较晚，很多风电技术还不成熟，处于探索阶段。对于齿轮箱振动特性的分析还处于起步状态，在国内风力发电机上的运用还比较少。
目前我国还没有相关的振动标准，对整个齿轮箱系统模型进行了模态分析和动态响应分析，得出了齿轮箱的固有特性和箱体表面的振动响应曲线，而对成果的检验和应用还没有完善的技术。
但是,我们国家已经有企业致力于这方面的研究，通过建立各种模型，对轮齿进行受力分析，在变速变载的情况下研究振动特性，分析各种型号的固有频率、啮合频率等等已经有了很大的进步了.我国很多企业引进国外成熟技术，吸收消化，以提高国产化机组的制造技术。采用与国外公司合作生产的方式引进技术，并允许国外风电机组制造厂商在我国投资设厂。国内有关的风电机组制造、生产企业，已研制出、1．5Mw机组的关键部件，如齿轮箱和叶片等，并且750Kw的机组其本地化率已达到90％,还有如江苏千鹏公司，建立了该齿轮箱的直齿圆柱齿轮三维接触有限元模型和整个齿轮箱系统有限元模型，对直齿圆柱齿轮进行了接触分析，得到了直齿圆柱齿轮的综合啮合刚度激励，同时对整个齿轮箱系统模型进行了模态分析和动态响应分析，得出了齿轮箱的固有特性和箱体表面的振动响应曲线。通过齿轮箱声压和声强实验，预测了该齿轮箱噪声值，且验证了有限元分析的有
效性和准确性。而在应用这方面国家也正在不遗余力地研究，相信在十年之内，我国的风电技术会引领世界[8]。
1.3 本文工作
齿轮箱是风电机组主传动系统最主要的振动部位，本文对风电机组齿轮箱的振动特性进行深入研究，分析齿轮箱各级齿轮的固有频率与啮合频率之间的关系，主要研究内容如下：
(1)分析风电机组齿轮箱的机械结构振动问题作了一些介绍,然后对齿轮箱的重要性,产生故障的原因,故障的类型等等作了一些详尽的阐述。
(2)在变速变载的情况下,,对机械振动系统特别是固有动态产生比较大的影响.选取了一组风电机组齿轮箱的数据作为参考,作了一些计算,计算了各级轮系的传动比,然后在风轮转速为15，22.34，85，128，306，457六种速度下分别计算了主轴,太阳轮,中间轮,高速轴的转速同步频率；行星级、中间级、高速级的啮合频率及10%的浮动范围。
(3)系统学习Romax软件, 并基于该软件建立齿轮箱振动模型。分析变速、变载情况下齿轮箱的各阶振型和固有频率。
(4)对齿轮箱的固有频率和啮合频率进行比较分析,得到了共振区,指出在实际应用中应该尽量避开这些共振区。
1.4本章小结
本章对风电机组振动特性的选题背景和意义作了一些阐述，并介绍了一些国内外研究现状，然后介绍了本文所要进行的工作，并介绍了主要研究内容。
第2章风电机组齿轮箱力学特点
2.1 前言
风电齿轮箱是一个复杂的弹性机械系统。齿轮啮合时轮齿的弹性变形、时变啮合刚度、啮入出冲击、齿侧间隙、制造误差等都对轮齿静动力接触特性、系统动态性能、系统传动精度等有很大影响。齿轮箱同时承受由原动机和负载引入的外部激励和由时变啮合刚度、齿轮传动误差和啮合冲击所引起的内部激励，其振动受轴、齿轮、轴承、等多种振动的影响，具有高度的非线性特点及耦合效应。要综合考虑上述因素，用解析法难以全面描述其动力模型，其求解过程也极为繁杂，用实验方法可以测量系统的模态和响应，但难以直接测量齿轮接触区动态接触特性，也无法在设计阶段预估其动态特性并修改设计加以改善。因此，有必要结合试验分析数据，研究齿轮系统动态特性综合数值分析方法，开发齿轮系统振动冲击数值仿真软件，实现它的动态响应分析[9]。
2.2 风电机组齿轮箱机械结构
图2-1 风电齿轮箱机械结构图
使用齿轮箱，可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩，转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。风电机上的齿轮箱，通常在转子及发电机转速之间具有单一的齿轮比。对于600千瓦或750千瓦机器，齿轮比大约为1比50。齿轮箱的结构包括输出轴、齿轮箱盖、大齿轮、小齿轮和齿轮箱，所述的齿轮箱内设有至少二个卡位，挡油罩上设有与卡位相对应的定位，挡油罩通过定位设置在齿轮箱的卡位上，齿轮箱盖上设有与挡油罩接合口相匹配的压圈，挡油罩与齿轮箱盖构成小齿轮和大齿轮的传动腔室.齿轮箱以三点支撑,输入为空心轴,采用锁紧盘,联接在主轴上,其余两点通过对称分布于前箱体扭力臂两端上的支座、弹性套联接在机舱底座上。齿轮箱安装在弹性减震器上，扭力臂两端固定方式是上下夹紧，只要用来限制齿轮箱传动部件转动过程中内齿圈啮合力引起的箱体的旋转效应。风电齿轮箱是两级行星齿轮和一级平行轴圆柱齿轮传动。下面是关于齿轮箱的几种方式:齿轮箱输入端的连接有以下几种方式.输入大轴由两轴承单独支撑,齿轮箱通过涨紧套与轴联接,齿轮箱只传递扭矩,不承受弯矩.输入大轴一端由一机舱离得大轴承支撑,另一端支撑在齿轮箱上,齿轮箱通过涨紧套与轴联接,齿轮箱在传递扭矩的同时承受叶片的弯矩.输入大轴与齿轮箱联成一体,输入大轴与叶片轮毂通过法兰连联接,齿轮箱在传递扭矩的同时承受叶片的重力和弯矩.行星架行星架是行星机构种结构最为复杂的零件,承受力矩最大,通常采用整体双壁式结构。如图 2 所示，1为高速级轴，2为太阳轴上齿轮副大齿轮，3为太阳轴，4为行星轴，5为低速轴小齿轮，6为高速轴小齿轮[10]。
2.3 风电机组齿轮箱外部载荷
1）服役条件严酷由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向、变负荷的风力作用及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱在狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础，整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上。大量的实践证明，这个环节常是机组中的齿轮箱。
2）速差大风力发电机组中的齿轮箱，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。通常风轮的输入转速很低，约20r/min，远达不到发电机转子所要求的1500~1800r/min的转速，必须通过齿轮多级增速传动来实现。
3）可靠性要求高与使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。对构件材料，除了常规状态下力学性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性：对齿轮箱，工作要平稳，防止振动和冲击等。设计中要根据载荷谱进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行动力学分析、极限强度分析、疲劳分析，以及稳定性和变形极限分析。
2.4 风电机组齿轮箱内部激励
通常，齿轮啮合的动态激励主要是内部激励，本文的研究忽略外部激励的影响，只考虑齿轮啮合时的内部激励。
齿轮的内部激励包含三种形式：刚度激励、误差激励和啮合冲击激励。
(1)刚度激励
一般来说，齿轮轮齿啮合的重合度大多不是整数，啮合过程中同时参与啮合的轮齿对数随时间作周期变化。此外轮齿在从齿根到齿顶啮合的过程中，弹性变形也不相同。这些因素引起了齿轮啮合综合刚度的变化，刚度激励就是指齿轮啮合过程中啮合综合刚度的时变性引起的动态激励。对于斜齿轮传动，由于啮合线是“点一线一点”的变化过程，啮合过程的轮齿交替不是突变的，但啮合过程中轮齿的综合啮合刚度及轮齿载荷也是周期性交化的，同样会引起啮合过程的动态刚度激励。
总之，齿轮轮齿综合刚度和轮齿载荷周期性的变化，引起了齿轮传动系统的动态刚度激励。刚度激励反映在系统的分析模型中则是弹性力的时变系数，即刚度激励在性质上是一种参数激励。
(2)误差激励
由齿轮、轮齿的加工和安装误差引起的齿廓表面相对于理想齿廓位置的偏移。误差激励是啮合轮齿间的一种周期性位移激励。一般将齿轮的误差分为齿距误差和齿形误差的关系，为齿轮设计中精度等级确定和加工方法选择提供指导。
(3)啮合冲击激励
由于轮齿的受载变形和加工误差，轮齿在进入和退出啮合时，啮入啮出点的位置偏离理论啮合点，产生线外啮合，使啮合齿面间产生冲击，引起齿轮啮合过程中的周期性载荷激励。啮合冲击激励与误差激励的区别在于，前者对系统的激励是一种周期性的冲击力，后者对系统的激励则是一种周期变化的位移。
以上三种内部激励是轮齿啮合产生振动噪声的主要来源，值得注意的是，齿轮系统的内部激励的重要特性在于它的周期性，因此特别适宜采用频谱分析方法进行研究。通过静传递误差来描述周期性的内部激励，并将静传递误差函数进行傅里叶变换，进行谱分解，并由此确定影响内部激励的主要因素，以便更有效地采取措施减少内部激励[11]。
2.5 齿轮箱振动机理
2.5.1 风电机组振动机理
振动问题是风力发电机组的重要问题. 随着机组容量的增加,大型风力发电机组由于
结构体积的增大和弹性增加,更加容易引发振动问题,因此机组在设计阶段应该进行机组的固有特性计算、可能会引起的谐振问题的分析和可能引起谐振的运行区域分析,从而避免这些现象. 风轮、塔架、机械传动链的固有频率相互间不能太接近,同时它们和激励源的频率也不可以太接近.大型变速机组的振动问题,主要集中在 4 个方面: ①风轮的气弹效应; ②机械传动链的扭曲振动,可能会受到气动效应和电气特性的激励; ③偏航运动引起的振动问题; ④风轮塔架耦合的整机振动.这几个振动源会相互影响,相互作用,经常需要综合起来考虑.叶片的气动弹性稳定性问题可分为气动弹性静态稳定性和气动弹性动态稳定性两种. 当风力机叶片旋转不出现振动时,只有弹性力和定常空气动力起作用,所发生的不稳定是气动弹性的静态不稳定,如扭转发散;当风力机叶片旋转出现振动时,振动可能有三种形式: ①挥舞方向振动,它是叶片在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动; ②摆振方向振动,它是叶片在旋转平面内的弯曲振动; ③扭转方向振动,它是绕叶片变距轴的扭转振动. 在空气动力、惯性力和弹性力的耦合作用下,这三种形式的振动还会发生耦合,产生气动弹性的动态不稳定. 一般风力机叶片气动弹性动态不稳定包括挥舞—摆振不稳定、扭转—摆振不稳定、经典颤振等机组扭曲振动特性一般由下面3 个机械弹性参数决定: ①旋转体的转动惯量; ②主轴的扭曲刚度; ③扭曲阻尼常数.这3 个参数在设计中由驱动链构成部件的材料特性决定.大型风力发电机组的整机振动一般为风轮和塔架的耦合振动. 塔架的固有频率与实际刚度直接相关.机械传动链定义为风轮、轮毂、主轴、齿轮箱、高速轴、刹车、联轴器等,驱动链的谐振会对部件动态载荷有很大的影响,导致齿轮箱转矩增大,产生严重的机械噪声并造成部件损坏[12]。
2.5.2 齿轮箱的关键作用
齿轮箱是通过大小齿轮的啮合来实现变速效果的一种变速装置，在工业机械的变速方面有很多的应用。齿轮箱中的低速轴上安装有大齿轮，高速轴上安装有小齿轮，通过齿轮间的啮合和传动作用，就可以完成加速或减速的过程。齿轮箱的特点如下：
1、齿轮箱的产品选择面广
齿轮箱通常是采用通用的设计方案，但是在特殊情况下齿轮箱的设计方案可以根据使用者的需求而进行变化，变型为行业专用的齿轮箱。齿轮箱的设计方案中，平行轴、直立轴、通用箱体和各种零部件都能按照使用者要求更改。
2、齿轮箱的运行稳定
齿轮箱的运行稳定可靠，传动功率较高。齿轮箱的外部箱体结构可以使用吸音材质制造，降低齿轮箱工作过程中产生的噪音。齿轮箱本身具备的箱体结构配合大风扇能有效降低齿轮箱的工作温度。
3、齿轮箱的功能齐全
齿轮箱除了减速功能之外，还具有改变传动方向和传动力矩的功能，例如齿轮箱在采用两个扇形齿轮后可以将力垂直传递到另一个转动轴来实现传动方向的改变，而齿轮箱改变传动力矩的原理是，同等功率条件下，速度转的越快的齿轮，轴所受的力矩越小，反之越大。齿轮箱在运行过程中还能实现离合的功能，只要将两个原本啮合的传动齿轮分离，就可以将原动机和工作机之间的联系切断，达到动力和负载分开的效果。另外，齿轮箱可以通过一个主动轴带动多个从动轴的方式，来完成动力的分配工作。
齿轮箱负责将风轮叶片的低转速转换为发电机所需要的高转速，实现能量与扭矩的高效传输。因此，齿轮箱是风电机组中最重要的传动部件。齿轮及齿轮箱在现代工业发展中具有广泛的应用。但由于本身结构复杂，工作环境恶劣等原因，齿轮及齿轮箱非常容易受到损害，会直接影响到机组的正常运行。在齿轮故障发生的初期，由故障引起的振动变化非常小，往往被淹没在其他因素所引起的各种振动信号当中不易被人们发觉。如果在发生故障的初期阶段能够及时地发现并采取相应对策，则可大大提高设备的利用率，延长设备的运行时间，将故障隐患消除在萌芽阶段。如果不能及时发现早期故障，随着机械设备的不断运转，这些早期微小的损伤往往会不断加剧恶化，逐渐发展为严重的故障.齿轮箱长期处于恶劣条件下，首先是因为齿轮箱自身设计的原因由于风电机组容量不断增大，轮毂高度增加，齿轮箱受力变得复杂化，这样就造成有些齿轮箱可能在设计上就存在缺陷。其次是一般机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难。由于齿轮箱长期处于这样的恶劣条件下，会出现粘附磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损、微动磨损和气蚀，轻则导致润滑油失效，重则轴、轴承、轮齿的断裂，导致风电机组的停机。在变速变载这样的情况下，还会出现轮齿折断、齿面点蚀等的情况。据文献[13]，齿轮箱是风电机组中故障率最高的部件，其主要失效形式为轮齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形。上述失效皆可通过齿轮箱的振动信息表征出来。
2.6 机械振动系统
如图2-2所示,由于风速，材料，环境等原因，齿轮箱振动会在在不同条件下发生不同的信号，而直接反映在每一个齿上，由此产生的效率，故障等也有不同的变化。冲击性激励,持续性激励,等等引起的自由振动,强迫振动,会导致机械振动系统的振动,会让系统结构特性,固有动态特性发生改变,尤其是固有动态特性.振动特性主要是包括固有频率,阻尼频率,振型等等.由于风电机组设计的原因,机组所处的环境原因,风速,载荷受力等等变速变载的原因,会对齿轮箱产生很大的影响.
我进行的课题即是应用Romax软件，将齿轮箱的振动模型展现出来，并将各部件的
固有频率、啮合频率及共振区用图形的形式或者用表格的形式表达出来。预期目标是绘制出齿轮箱模型，计算出有关频率的数据，为齿轮箱的故障诊断的技术提供平台，有利于对齿轮箱的故障进行研究。
图2-2 机械振动系统示意图
典型的机械振动系统数学描述为：
F KX X C X
M =++ (2-1) 式中，M---质量矩阵，C---阻尼矩阵，K---刚度矩阵，X---位移
固有频率 m k =ω (2-2)
探讨固有频率与啮合频率的共振,我们通常认为齿轮箱内部阻尼小于1，这样才有利于齿轮箱的正常运转,也比较符合齿轮箱的设计。
在输入F 后,给予的分别是自由振动和强迫振动,会导致齿轮箱产生一定的振动,产生
的位移,我们记作x ,速度记作x
,加速度记作x 。 刚度系数ij k 定义为只在坐标j q 上产生单位位移(其他坐标上的位移为零)而在坐标
i q 上需要加的力。一个n 自由度系数,共有n ?n 个刚度系数,将它们排列起来,便组成系统
的刚度矩阵。
阻尼系数定义为只在坐标j q 上有单位速度(其他坐标上的速度为零)时,在坐标i q 上所需施加的力,即： 1),,...,2,1(0=≠===j r q j r n r q i ij Q k (2-3)
同样的有质量系数,质量系数定义为只在坐标j q 上有单位加速度(而其他坐标上的加速
度为零)时,在坐标i q 上所需施加的力,即： 1),,...,2,1(0=≠===j r q j r n r q i ij Q m (2-4)
一般而言,刚度矩阵和阻尼矩阵都是对称矩阵.而系统对初始激励的响应,采用模态分析的方法将原来的广义坐标变换到自然坐标,可避免联立方程组的求解.有阻尼系统的自由振动式一种减幅运动,其振幅按指数规律衰减.阻尼率越大,振幅衰减越快.振幅的衰减完全由系统本身的特性决定。
根据公式2我们可以通过仪器,得到位移,速度,加速度.固有频率则可以通过刚度矩阵和质量矩阵的商的平方根得到。
2.7本章小结
本章主要介绍了齿轮箱内外部激励，并且着重了介绍了齿轮箱的振动机理，如风电机组振动机理和齿轮箱对于风电机组的重要性，由此引出齿轮箱的振动机理重要性，最后对振动系统作了一些阐述。
第3章基于romax的风电齿轮箱建模
3.1世界各地对romax的应用
第三届亚洲风能大会暨国际风能设备展览会，在2006年6月28日－30日北京的中国国际贸易中心隆重召开。全球各知名风电企业悉数登场，国内的重要厂商也纷纷亮相京城，吸引了近7000名专业观众前来，包括1/6的海外观众。英国Romax公司及恒润科技也应邀出席同时举办的技术研讨会。Romax公司总裁潘绍元博士进行了精彩讲演，介绍风电齿轮箱设计的完整软件解决方案。据数据分析，风电系统的失效率12%来自齿轮箱的失效，大约是工业齿轮箱平均失效机率的两倍。齿轮箱的失效是导致故障时间、维修和产量减少的主要原因，一般其损失要占风电设备总价的15%~20%。其中齿轮和轴承错误对于失效的影响最大。
系统模型对于可靠性结果而言是不可缺少的，只有完全集成化的系统模型才能得到精确结果。RomaxDesigner是一个用于传动齿轮箱分析功能丰富的软件工具包，设计人员可以在RomaxDesigner中建立集成化的齿轮箱模型。在风电方面可以帮助进行轴、轴承、齿轮系统的载荷谱分析，箱体、行星架等结构的应力和变形，行星齿轮系均载分析，齿轮传动系统的NVH分析、齿轮的胶合分析及啮合错位预计等设计工作。
在RomaxDesigner中能够建立较少自由度的完整系统模型，允许快速设计迭代以达到最优方案。深入的设计和分析包括齿轮微观齿面修形及快速参数优化、考虑滚子轮廓的高级轴承分析、齿轮系（行星系）NVH、针对制造误差的鲁棒性优化设计等。并且可以快速和详细的预估不同的齿轮箱布置和子系统，以便于获得特定约束下的最优设计。通过与国际最先进的风电系统供应商们的长期合作，Romax积累了丰富的风电齿轮箱的设计经验，在北美、欧洲、亚洲都有众多成功案例，也希望与恒润科技一同，在中国风电行业的发展中贡献更多力量。
3.2 Romax软件介绍
Romax是一家集软件工具开发和传动项目咨询为一体的公司，在传动领域有超过十二年以上的经验；总部设在英国，在欧洲、美国、日本、韩国、澳洲、印度等均开办有办事处。由Romax公司积累多年经验开发的Romax Designer主要应用于齿轮传动系统虚拟样机的设计和分析，在传动系统设计领域享有盛誉，目前已成为齿轮传动领域事实的行业标准。
Romax 用来建立齿轮传动系统虚拟样机模型，还包括详细部件强度和可靠性分析，及传动系统振动噪声分析，大大加速传动系统的设计和开发流程。在Romax 中，考虑结构柔性，同时考虑更多实际情况，如装配误差及轴承间隙、预载等。Romax Designer 应用很广，其中包括汽车、船舶、工程机械、风力发电、工业、轴承以及航空航天等领域的齿轮传动系统的设计。
Romax 虚拟原型仿真工具组成：
Romax designer 完成齿轮传动系统的设计分析,包括平行轴传动系、相交轴传动系、行星齿轮传动系的完整解决方案以及轴承、系统振动噪声分析的高级分析功能。
Romax dynamics 可作为 Romax designer 的部分或作为单独模块，完成传动系统的动力学分析，计算临界速度谱、阻尼固有频率谱、非平衡相应分析等内容。
Romax Designer 覆盖了从概念设计，部件强度、可靠性等详细设计，到系统振动噪声（NVH ）预估等全部传动系统设计内容，构成了齿轮传动系统的封闭求解环境。提供了包括平行轴系、相交轴系、行星齿轮传动在内的多种齿轮传动模型的搭建、分析和设计功能。
3.3 Romax 建模
3.3.1 Romax 操作流程
在正确安装romax designer 以后,打开软件,先对自己在license manager 中可是用的模块进行选择,我们一般选择all.然后再点击file 菜单,点击new,进入一个对话窗口,对作者,润滑,描述等等做编辑,点击ok 就可以建立一个新的设计。
图3-1基本操作流程 首先创建一根轴,定义不同轴段,选择并定位轴承.在主菜单的components 下拉菜单创建该轴.在add new assembly 选择shaft assembly.输入轴的名称,长度,公称直径.注意此时输入的公称直径在稍后可能会有所改变,但轴的长度不变.选取第一个需要改变轴径的地方,使用剪切菜单,点击需要改变的参数,如外径,位置,内径.第二次剪切的时候应注意点击第一个图标回到选择模式,点击选择select item 图标,双击剪切的地方,在弹出的对话框中输入要修改的参数点击
基本设计优化
Modelgearboox
Basic 分析Apply loads
ok就可以看到需要剪切的地方已经剪切了,紧接着继续按照数据上要求的地方进行剪切,直至所有剪切都完成,这是轴的创建已经完成,可以编辑该图保存.
第二步在轴上添增轴承,在components下拉菜单里bearing中点击rolling element可以出来一个对话框,有custom fag skf torrington 四种大范围的轴承,包括了像深沟球轴承、推力球轴承等轴承,很全面.选择好轴承以后点击accept按钮以后会出来一个新的对话框,在offset位置处输入轴承安放的距离,在housing选择需要的形状,如round undefined 确定无误以后点击ok即可.注意用户定义位置时应设置轴承不同的止推方向。紧接着继续按照数据上的要求进行轴承的安放,直到所有轴承全部安放,这是轴承的创建,同样编辑保存以防丢失。
第三步在轴上安装齿轮.我们选择概念性齿轮副，是因为我们在这只讨论齿轮的载荷，而对齿轮的材料，齿根圆半径不作讨论。在components下拉菜单里add new components,这时弹出一个new part的对话框,点击concept bevel gear set(根据所需要的齿轮形状,如斜齿轮,直齿,双曲线齿轮等等)以后出来的concept gear set对话框.在gear set name 中填入齿轮名称,在压力角pressure angle 输入压力角(一般为20度),在齿宽,螺旋角,等地方分别输入,确定无误以后点击确定.如果有特别的地方可以点击add remove 等.先将小齿轮安放在输入轴上，大齿轮安装在中间轴上，以保证齿轮的啮合。在组列表中双击input shaft assembly，操作通过components下拉菜单添加。点击select from gear set选中组件中的pinion 1，双击输入位置即可.定义齿轮与轴的安放方式,有四步,与轴集成生产,双击选择 gear set中的pinion 1,选择connections标签,选择part列表中的input shaft,点击编辑按钮,选择装配方式,点击ok按钮.通过离合装置或者同步器连接,双击选择 gear set中的wheel1,选择列表中的lay shaft选择connections点击编辑按钮,选择装配方式,点击ok按钮.通过花键或者类似方式连接,同上.在轴上可自由旋转.同样的,紧接着继续按照数据上的要求进行齿轮的安放,直到所有齿轮全部安放,这是齿轮的安放,同样编辑保存以防丢失。
第四步将装了齿轮,轴承的轴安装在齿轮箱里面.点击components下拉菜单里add new components,点击gear box assembly 弹出对话框,输入齿轮箱名字,点击next按钮,需要将所有的轴安放在齿轮箱中,点击add all按钮,点击next,定义轴的位置时,依次选中各根轴并输入相应坐标,对输出轴的坐标定义与上述相同.也可以点击坐标轴图标进行坐标变化.,点击ok按钮,然后点击next按钮,再点击finish按钮.完成后,这些轴已经成功安装到齿轮箱中,软件会自动打开齿轮箱窗口,对齿轮箱模型进行3d显示。
第五步检查齿轮箱装配,用户可以通过analysis下拉菜单运行齿轮箱尺寸检查功能,然后进行对齿轮箱进行分析和优化.进行的步骤分别是定义载荷工况和齿轮箱载荷谱.计算轴承刚度和误差,轴承iso寿命和adjusted寿命,损伤百分数,轴承载荷谱寿命,误差对轴承寿命带来的影响,修改轴承参数以避免超载,修改轴段以减少轴承误差.首先定义齿轮箱动力负载.动力通过输入轴右端进入齿轮箱,用户需双击input shaft assembly打开输入轴编辑窗口.用户可通过components下拉菜单进行动力负载位置的定位,点击轴的右端面,输入为止,输入名字,点击ok按钮,完成了对动力流输入位置的定义.重复上述操作,,对输出轴编辑窗口,动力流输出位置进行定义.下一步需对载荷工况定义,双击完成的模型打开编辑窗口,在主菜单中打开analysis下拉菜单点击add lc输入名称和持续时间,下一步指定所需的齿轮副,选中所需的齿轮,点击lock后,输入功率等.点击run按钮后点击ok按钮即可。
3.3.2 风电齿轮箱的数据及其模型
风电齿轮箱的数据轮系数据如表3-1至表3-4所示。
表3-1 风电齿轮箱各级齿轮参数
行星轮太阳轮小齿轮大齿轮小齿轮大齿轮螺旋角15 15 15 15 15 15
小齿轮旋
向
右旋左旋右旋左旋左旋右旋
模数10 10 8 8 5.5 5.5
法向压力
角
20度20 20 20 20 20
齿数39 21 23 82 23 76
齿宽200 200 175 175 120 120
齿轮安装
位置
行星轴主轴低速轴主轴高速轴低速轴
齿轮安装方式花键连接与轴集成与轴集成花键连接与轴集成
花键连
接
表3-2 高速轴参数
高速级位置长度直径
1 0 160 100
2 160 180 110
3 340 12
4 120
4 464 90 130
5 554 120 185
6 674 50 130
7 724 46 99
8 770 4 106
9 774 6 100
表3-3 低速轴相关参数
低速级位置长度直径内径
1 0 15 160 0
2 15 4 180 0
3 19 86 160 0
4 10
5 40 170 0
5 145 190 220 0
6 335 20 180 0
7 355 135 170 0
8 490 29 120 0
9 519 46 100 0
565 4 106 0
569 5 100 0
574
表3-4 主轴相关参数
主轴长度位置长度直径内径
1 0 15 160 0
2 15 4 180 0
3 19 86 160 0
4 10
5 24 17
6 0
5 129 195 230 0
6 324 215 240 0
7 539 360 230 0
8 899 49 112 0
9 948 46 100 0
10 994 4 106 0
11 998 6 100 0
根据上述数据可以得到下面的Romax模型
图3-2风电齿轮箱模型
图3-3风电齿轮箱模型
图3-4风电机组齿轮箱行星轮系
图3-5风电机组齿轮箱高速轴和低速轴建模2D 图
根据romax 软件,我们可以画出如上图所示的图形,当我们输入风速参数n=15，22.34，85，128，306，457，可以得到一到六阶的固有频率为
表3-5 一到六阶固有频率
表3-5 一到六阶固有频率
3.4本章小结
本文介绍了Romax 的一些在国际上的应用，以及对Romax 的一些简单介绍,着重讲解了Romax 的具体操作流程,并罗列了Micon750kW 的齿轮,轴等部件的具体数据,根据这些数据,画出了该齿轮箱的模型,得到了相应的固有频率。 1 0.9473
2 23.825
3 97.615
4 133.71
5 142.84
6
160.35
振动测试和分析技术综述分析解析
振动测试和分析技术综述 黄盼 （西华大学，成都四川 610039） 摘要:振动测试和分析对结构和系统动态特性分析及其故障诊断是一种有效的手段。综述了当前振动测试和分析技术，包括振动测试与信号分析的国内外发展概况、振动信号数据采集技术、振动测试技术、以及振动测试与信号分析的工程应用，最后对振动测试与分析技术的未来发展方向进行了展望。 关键词:振动测试; 信号分析; 动态特性; 综述 Summary of Vibration Testing and Analysis HuangPan ( Xihua University，Chengdu 610039，China) Abstract: Vibration testing and analysis is an effective tool in analyzing structure and system dynamic characteristic and detecting the failures of structures,systems and facilities. The present paper reviews the current vibration testing and analysis techniques，including the development of vibration measurement and analysis of domestic and foreign，vibration signal data acquisition,vibration testing technology ,vibration measurement and analysis in engineering application. Finally,the future development in the field of vibration testing and analysis is predicted. Key words: vibration testing; signal analysis; dynamic characteristic;overview
齿轮箱故障诊断
风力发电机组齿轮箱故障诊断 摘要: 通过对不同齿轮箱振动频谱的检测结果的分析，论述了判断齿轮箱由于长期处于某些恶劣条件下，如交变载荷或润滑油失效，引起的齿轮和轴承损坏的检测方法。分析了齿轮箱出现故障的原因以及应采取的措施。 关键词：风电机齿轮箱轴承状态检测 一、风电机组齿轮箱的结构及运行特征 我国风电场中安装的风电机组多数为进口机组。近几年来，一批齿轮箱发生故障，有些由厂家更换，也有的由国内齿轮箱专业厂进行了修理。有的风场齿轮箱损坏率高达40~50%，极个别品牌机组齿轮箱更换率几乎接近100%。虽然齿轮箱发生损坏不仅仅在我国出现，全世界很多地方同样出现过问题，但在我国目前风电机组运行出现的故障中已占了很大比重，应认真分析研究。 1) 过去小容量风电机组齿轮箱多采用平行轴斜齿轮增速结构，后来为避免齿轮箱造价过高、重量体积过大，500kW以上的风电机组齿轮箱多为平行轴与行星轮的混合结构。由于风电机组容量不断增大，轮毂高度增加，齿轮箱受力变得复杂化，这样就造成有些齿轮箱可能在设计上就存在缺陷。 2) 由于我国有些地区地形地貌、气候特征与欧洲相比有特殊性，可能对标准设计的齿轮箱正常运行有一定影响。我国风电场多数处于山区或丘陵地带，尤其是东南沿海及岛屿，地形复杂造成气流受地形影响发生崎变，由此产生在风轮上除水平来流外还有径向气流分量。我国相当一部分地区气流的阵风因子影响较大，对于风电机组机械传动力系来说，经常出现超过其设计极限条件的情况。作为传递动力的装置-齿轮箱，由于气流的不稳定性，导致齿轮箱长期处于复杂的交变载荷下工作。由于设备安装在几十米高空，不可能容易地送到工厂检修，因此经常进行状态监视可以及时发现问题，及时处理，还可以分析从出现故障征兆到彻底失效的时间，以便及时安排检修。
齿轮箱的故障类型及振动机理改
第2章齿轮箱的故障和振动信号 2.1齿轮箱故障的主要形式 齿轮箱系统是包含齿轮、轴承、传动轴及箱体等结构的复杂系统。其中主要故障发生在齿轮、轴承和传动轴上。在齿轮箱的诊断中，一般只给出是否产生故障及产生故障的位置，根据振动信号的特点，一般常见的典型故障形式有齿轮失效、轴和轴系失效、箱体共振和轴承疲劳脱落和点蚀等几种【5】。 在这些常见故障中，齿轮和滚动轴承的故障占齿轮箱故障的80％左右【4】。因此，对齿轮和滚动轴承的故障类型和振动机理进行剖析，对于识别齿轮箱故障类型有重要的意义。 2.1.1齿轮的故障类型及振动机理 （1）齿轮的故障类型齿轮的故障类型大致可分为以下两种类型： 1）由制造误差和装配误差引起的故障。具体的故障包括齿轮偏心、齿距偏差、齿形误差、轴线不对中、齿面一段接触等故障。齿轮制造时造成的主要缺陷有：偏心、齿距偏差和齿形误差等。齿轮装配不当，也会造成齿轮的工作性能恶化。当齿轮的这些误差较严重时，会引起齿轮传动中忽快忽慢的转动，啮合时产生冲击引起较大的振动和噪声等【5】。 2）运行中产生的故障齿轮除上述故障外，其在本身运行过程中也会形成许多常见的故障，例如断齿、齿根疲劳裂纹、齿面磨损、点蚀剥落、严重交合等等。齿轮预定寿命内不影响使用的磨损成文正常磨损，如果因使用不当、用材不当、接触面存在硬颗粒以及润滑油不足等原因引发早期磨损，将导致齿轮形变、重量损失、齿厚变薄、噪声增大等后果，甚至会导致齿轮失效。其中若润滑油不足，还会导致齿面胶合，胶合一旦发生，齿面状况变差，功耗增大，从而使得振动信号变强。 （2）齿轮的振动机理一对啮合齿轮，可以看作一个具有质量、弹簧和阻尼的振动系统，其力学模型如图2-1所示。 图2-1齿轮对的力学模型 其振动方程为【4】： M r X+CX+K t X=K t E1+K t E2(t)2-1式中 X——为沿作用线上齿轮的相对位移 K(t)——齿轮啮合刚度 M r——齿轮副的等效质量
风力发电机齿轮箱振动测试方法
风力发电机组齿轮箱振动测试与分析 唐新安谢志明王哲吴金强 摘要对齿轮箱做振动测试和分析，通过模式识别找到齿轮箱损坏时呈现的特性，为齿轮箱故障诊断提供依据。 关键词风力发电机组齿轮箱振动分析故障诊断 中图分类号 TH113. 21 文献标识码 A 我国风电场中安装的风力发电机组多为进口机组。因为在恶劣环境下工作，其损坏率高达40%～50%。随着清洁能源的普及，齿轮箱的故障诊断和预知维修已迫在眉睫。本文就齿轮箱的故障诊断作一些探索性研究。 一、齿轮箱振动测试 采用北京东方所开发的DASP(Data Acquisition and SignalProcessing)测振系统，对某风电场4#、5#机组齿轮箱的不同测点（图1）做振动测试和分析，4#机组刚进行过检修运行正常作为对照机组，5#机组噪声异常为待检机组，对两机组齿轮箱的振动信号对比分析，判断存在故障。齿轮箱特征频率见表1。 表1 齿轮箱特征频率表 Hz
二、信号分析 1.统计分析 由统计表2、表3可看出，5#机组振动值明显偏大，尤其是5～10测点振动值基本上是4#机组相应测点的2倍以上。 表2 4#机组幅域统计表 m/s2 表2 5#机组幅域统计表 m/s2 5#机组概率分布及概率密度函数反映其时间序列分布范围较宽（图2），峭度系数（即四阶中心距）与4#机组的（图3）明显，同（若以4#机组为标准g=0，那么5#机组g=0），预示5#机组存在古障。
2.时域分析 通过时域分析（图4、图5），发现5#机组齿轮箱振动信号有明显异常．幅值转大，且 有明显的周期性，其频率约大20Hz 。
3.频坷分析 由图6可见，5#机组齿轮箱的频谱图既有调幅成分又有调频成分（调制频率对中心频率 的幅值不对称）。
参考 齿轮箱开题报告
本科学生毕业设计 （论文）开题报告 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 1.2 选题背景 磨煤机是将煤块破碎并磨成煤粉的机械，它是煤粉炉的重要辅助设备。煤在磨煤机中被磨制成煤粉，主要是通过压碎、击碎和研碎三种方式进行。磨煤机经常运行于高速、重载以及恶劣环境等条件下，齿轮及齿轮箱作为机械设备中必不可少的连接和传递动力部件由于加工工艺复杂，装配精度要求高，又常常在高速度、重载荷的环境下连续工作，出现故障的概率较高。而齿轮的失效又是诱发机械故障的重要因素。齿轮箱在机械设备中是核心部件，出现故障后将会导致整个机械设备的失效。轻则降低生产质量或导致停产，重则会造成事故。据统计传动机械中齿轮引发的故障占 80%左右，旋转机械中约为 10%左右。齿轮箱的故障和失效轻则带来经济损失，重则造成人员伤亡。据日本新日铁会社的统计，在机器的总故障次数中，齿轮故障约占 10.3%左右，而在齿轮箱的失效零件中，齿轮失效占 60％左右，轴承和轴故障约为 30%左右。对齿轮箱进行状态检测与故障诊断中采用这些先进的技术，能够节省大量的人力、物力、财力，提高设备的利用率，可及时发现故障隐患，提高故障诊断效率，降低因为齿轮箱故障而引起的灾难，因此对电厂磨煤机齿轮箱进行状态监测与故障诊断具有重大的意义。 1.2 齿轮箱故障诊断的发展现状 齿轮箱振动与噪声的研究发展比较早，但是将齿轮的振动与噪声运用到齿轮箱的故障诊断中却是在20世纪60年代中期，美国的Buckingham和德国的Niemann，英国学者H.Optiz仔细研究了齿轮振动与噪声的原理，指出其是传动功率和齿轮传动误差及齿轮精度的函数。随后一些简单的齿轮箱故障诊断技术开始出现，这些技术手段主要是通过测量齿轮箱工作过程中一些简单的振动参数，如有效值、振动峰值、均方根值等来对齿轮箱进行直接分析。70年代末到80年代中期，利用频谱来分析齿轮箱的故障取得了重大成果，其中B．Randall和James I．Taylor等人作
齿轮箱中齿轮故障的振动分析与诊断 张尊建
齿轮箱中齿轮故障的振动分析与诊断张尊建 发表时间：2018-01-03T20:53:20.910Z 来源：《基层建设》2017年第28期作者：张尊建 [导读] 摘要：近年来，齿轮箱中齿轮故障振动分析与诊断问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。 身份证号码：32032219830328XXXX 江苏南京 210012 摘要：近年来，齿轮箱中齿轮故障振动分析与诊断问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先对相关内容做了概述，分析了DANA6000系列齿轮箱的故障，并结合相关实践经验，分别从多个角度与方面就DANA6000系列齿轮箱的日常保养展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。 关键词：齿轮箱；齿轮故障；振动；诊断 1 前言 作为一项实际要求较高的实践性工作，齿轮箱中齿轮故障振动分析的特殊性不言而喻。该项课题的研究，将会更好地提升对齿轮故障的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化其振动分析与诊断工作的最终整体效果。 2 概述 发动机的物理特性决定了齿轮箱的存在，通过改变齿轮箱的档位，使得发动机工作时的转速与车轮转速产生不同的转速比，保证发动机始终处在其最佳的动力性能状态下。由于近几年科技的不断进步，齿轮箱的结构创新不断引入机电液一体化设计思路，导致齿轮箱的问题越来越复杂，因此作为车辆传动系统中不可或缺的一环，我们学会分析处理齿轮箱的故障情况就显得尤为重要。 铜冠矿山建设股份有限公司采用的大型矿用卡车多为阿特拉斯公司生产的MT2010型卡车，与其配套使用的齿轮箱型号为DANA6000系列，该系列的动力换档齿轮箱拥有功能强大的设计，达到了最严格的工程机械领域的工作效率标准，具有可靠性和耐用性，使用时与德纳公司先进的电子控制系统的组合，最终完美体现在车辆的运营效率上。该款齿轮箱的传动比如下表1所示，常规额定值如表2所示。 DANA6000系列齿轮箱的特征和优点主要体现在这几个方面：（1）前进和后退都有4个档位；（2）自动换档时，齿轮会精确的变化，以配合特定工况下的速度和负载情况；（3）前后轴可以脱离，从而使车辆自行调整以适应各种地形和崎岖的路面；（4）各个离合器可各自断开，提高运行效率；（5）微电控制系统调节换档，提高车辆使用寿命和燃油效率；（6）在发动机故障的情况下，应急转向泵提供持续的转向动力。 3 DANA6000系列齿轮箱的故障分析 DANA6000系列齿轮箱是平行六轴式常啮合齿轮式动力齿轮箱，它的前进档位和后退档位各有4个，可在不切断动力的情况下进行升降挡操作，通过电液控制系统操控带有湿式摩擦片的离合器来实现，此外出于便于日常拆卸、维修和保养的目的，其设计制造时将换挡离合布置在齿轮箱箱体之外。该系列齿轮箱装配的MT2010型矿用卡车承担了冬瓜山铜矿巷道采掘矸石运输的主要任务，由于井下恶劣的工作环境，保养不到位，长时间高负荷工作等因素，齿轮箱会发生各种各样的故障情况，常见的故障现象以及排除方法如下。 （1）发动机正常运转但不能行驶：①档位按钮失灵→检查挡位选择器的电路及挡位的准确性；②齿轮箱内油位过低→按要求补充新油；③油泵损坏或渗漏造成供油不足→更换新件，检查密封面及油封。 （2）挡位选择器不工作、挡位不清或跳挡、掉挡：①选择器保险丝处接触不良或保险丝断→检查、更换保险丝；②各电缆插口接触不良→检查各插口处的接触情况；③挡位选择器内部故障→修理或更换当前挡位选择器；④车辆电气系统故障或电压不稳→检查车辆电气系统，测量电压（理论值为24V）。 注：车辆挡位时有时无、跳挡、掉挡等现象也可能是电磁阀阀内的阀芯卡滞造成的。 （3）润滑油油温过高：①齿轮箱内的油位过高或过低→按要求注油；②透气帽堵塞→检查透气帽；③离合器打滑→检查离合器油压；④制动器抱死或拖带严重→检查并进行调整；⑤轴承烧损、油路不畅→更换烧损零件、检查油路及油泵；⑥离合器打滑或烧损→检查工作压力，更换烧损零件；⑦长期重负荷工作→暂停作业，待冷却后再行工作；⑧冷却器损坏→检查冷却器（正常情况下润滑油在冷却器内的进出油口的温差在10℃左右）；⑨车辆内其他零部件过热经热传导后导致变速器过热→检查其他零部件（桥、发动机等）是否正常。（4）驱动力不足：①变矩器入口油压低→检查齿轮箱油位；更换或清洗滤清器及粗滤网；检查操纵阀中的压力控制阀及控制压力阀是否正常；②离合器打滑→检查各离合器油压及活塞油封并且检查有无过载现象，这种现象多数是由于离合器片有烧损引起。 （5）控制压力偏低、不稳或表跳：①操纵阀的阀芯卡滞→清洗或更换操纵阀；②油泵吸空→检查油位、各油道及滤网有无堵塞，确定原因后做出相应处理方法；③油泵失效→更换新件；④离合器活塞油封严重漏油→更换油封，重新安装调试。 （6）车辆行驶过程中，齿轮箱位置有异常响声：零件磨损过大造成剥落，或者是安装齿轮箱不到位引起→检查连接螺栓位置。 4 DANA6000系列齿轮箱的日常保养 齿轮箱的故障问题主要来源之一就是日常保养维护不到位，不及时，因此，工作人员能否做好齿轮箱的日常保养工作就显得很关键，齿轮箱的养护工作主要体现在以下几个方面：（1）及时进行油位检查决定是否加油，且加油要适量，油液种类要符合要求；（2）定期跟换齿轮箱油液和滤油器等，防止造成，油温升高，齿轮箱离合器卡死等故障；（3）定期更换纸垫，密封圈等易耗件，防止油液泄露等問题；（4）工作前做好齿轮箱的检漏以及检查连接件缺失问题，莫让小故障变成大问题；（5）避免长时间，高负载工作；（6）定期进行清洗保养。 作为一款井下工作车辆的关键部件，恶劣的工作环境，高负荷的生产任务，有效地维护手段和设备等因素严重影响齿轮箱的使用寿命，齿轮箱的故障问题可能层出不穷。检修人员需要掌握必备的故障分析能力以及维修技巧以应对工作中出现的问题，但是我们不能寄希望于大修，深度检查来解决问题，培养驾驶员的良好操作习惯，切实做好日常保养，积极改善路面状况等因素更加重要。 箱体的生产规划针对齿轮箱箱体加工生产部门的规划工作是真整个生产线中最为重要的环节。齿轮箱体作为齿轮箱整体构造中零部件最繁杂，尺寸最多变、加工耗时最长以及最容易出现质量问题的重要部分，其整体的规划组成尤为重要，所以在这个部分中，设计人员应根据其生产的齿轮箱特征进行针对该箱壳体生产的工作。首先，将针对箱壳体的生产分为粗加工部分和细加工部分，其具体施工工艺如下图二： 齿轮箱加工区域物流的规划设计根据齿轮箱的箱体生产规划，科学且合理的设置加工区的物流配套规划模式，能够在很大程度上提高
振动测试数据处理方法的应用分析
振动测试数据处理方法的应用分析 【摘要】采用电测法对产品进行振动的加速度测量，通过FFT方法进行时域—频域的转换，运用加速度与位移之间积分的关系，将加速度值转换为位移值，试验证明该方法行之有效。 【关键词】振动测量；FFT；位移转换 0.绪论 根据要求需对产品进行整机振动测量，准确掌握改产品的振动状态和振动特征。本文详细阐述了振动测试及信号分析技术，介绍了一种用加速度传感器测量振动位移信号的方法。即采用FFT方法进行加速度与位移相互转换的方法，将加速度谱转换成位移谱，以达到对位移的测量。 1.振动测试系统基本结构与组成 机械振动参数可以用电测法、机械法、光学法等进行振动测量。目前电测法应用广泛，电测法是将工程振动的参量转换为电信号，经电子线路放大后显示和记录。它与机械式和光学式的测量方法比较，有以下几方面的优点： （1）具有较宽的频带。 （2）具有较高的灵敏度和分辨率。 （3）具有较大的动态范围。 （4）振动传感器可以做得很小，以减小传感器对试验对象的附加影响，还可以做成非接触式的测量系统。 （5）可以根据被测参量的不同来选择不同的振动传感器。 不同测量方法的物理性质虽然各不相同，但是组成的测量系统基本相同，它们都包含传感器、测量放大电路和显示记录三个环节。电测法测量系统图见图1所示。 机械振动参数的测量，是对运行状态下的机械振动进行测量和分析，以期获得振动体的振动强度——振级和有关信息。因为振动体上某一点的振动可以用振动位移、速度或加速度对时间的历程来描述，而且三者之间存在着简单的微分和积分的关系，因此，只要测得其中的一个，就可以通过未分、积分电路获得另外两个参数。 2.振动测试系统组成
齿轮箱实验
实验报告：齿轮箱故障检测班级：机自07 姓名：林海成 学号：10011166 日期：2013、5
一、实验目的 1、了解齿轮箱的整体结构以及故障类型 2、了解一种齿轮箱信号采集系统以及软件的操作 3、学习分析齿轮箱的故障特征 二、实验内容 1、分别在齿轮箱齿轮以及轴承正常的状态下在20HZ、30HZ对齿轮箱信号数据进行采集。 2、控制单一变量，在齿轮断齿、缺齿以及轴承滚动体、内圈、外圈故障的情况下进行数据采集。 三、实验步骤 1、打开计算机，启动软件，进行参数设置。 2、在齿轮箱齿轮正常的状态下在20HZ、30HZ对齿轮箱信号数据进行采集。 3、依次换上断齿、缺齿的故障齿轮，分别对其在两频率下的信号进行采集。 4、拆除齿轮部分，在齿轮箱轴承正常的状态下在20HZ、30HZ对齿轮箱信号数据进行采集。 5、依次换上滚动体、内圈、外圈故障的轴承，分别对其在两频率下的信号进行采集。 6、重新将正常的齿轮以及轴承安装回原来位置，清理工作台，结束实验。 四、实验分析 分析程序如下： clear; clc; load('f:\a.txt'); x=a(1:length(a),1);
y=a(1:length(a),2); fs=length(x)/(max(x)-min(x)); n=length(x)-1; t=n/fs; N=2^nextpow2(n); z=fft(y,N); mag=2*abs(z)/N; f=(0:length(z)-1)'*fs/length(z); figure(1); plot(f(1:N/2),mag(1:N/2)); grid on axis([0600000.15]) xlabel('频率/Hz') ylabel('幅值/V') title('幅频谱') figure(2); z2=rceps(y); plot(x,z2) grid on axis([00.1-0.20.2]) xlabel('时间/s') ylabel('幅值/V') title('倒频谱') figure(3); plot(x,y); grid on; xlabel('时间/s') ylabel('幅值/V') title('时间曲线') 理论数据如下： 轴承参数： 滚动体个数8，滚动体半径0.3125英寸，运动节径1.318英寸，压力角0度皮带轮传动比2.48 齿轮参数： 大齿轮齿数18，传动比1.5000000
轨道交通齿轮箱振动噪声分析
目录 摘要......................................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................................... II 第1章绪论. (1) 1.1 课题的研究背景及意义 (1) 1.2 齿轮系统动态激励国内外研究现状 (2) 1.3 齿轮箱振动噪声国内外研究现状 (4) 1.4 课题的来源及主要研究内容 (6) 1.4.1 课题来源 (6) 1.4.2 研究对象 (6) 1.4.3 研究的主要内容 (6) 第2章齿轮箱动力学与振动噪声基本理论 (7) 2.1 基本理论 (7) 2.1.1 动力学基本理论介绍 (7) 2.1.2 多柔体动力学仿真控制理论基础 (7) 2.2 本课题动力学建模假设 (9) 2.3 齿轮箱系统振动噪声产生机理 (10) 2.3.1 齿轮时变啮合刚度 (11) 2.3.2 误差动态激励 (12) 2.3.3 啮合冲击 (13) 2.4 本章小结 (14) 第3章齿轮箱动力学模型的建立 (15) 3.1 软件介绍 (15) 3.1.1 SIMPACK概述 (15) 3.1.2多体系统建模基本概念 (15) 3.1.3 ABAQUS子结构算法 (16) 3.1.4 ABAQUS与SIMPACK接口 (17) 3.2 低地板齿轮箱柔性体动力学模型 (18) 3.2.1 轴承模型 (18) 3.2.2 齿轮啮合模型 (19) 3.2.3 低地板齿轮箱多刚体模型 (21) 3.2.4 齿轮箱各主要零部件柔性体模型建立 (21) 3.2.5 齿轮箱柔性体模型 (23)
振动检测与故障诊断分析
概述 对旋转设备而言，绝大多数故障都 是与机械运动或振动相密切联系的，振 动检测具有直接、实时和故障类型覆盖 范围广的特点。因此，振动检测是针对 旋转设备的各种预测性维修技术中的核 心部分，其它预测性维修技术：如红外 热像、油液分析、电气诊断等则是振动 检测技术的有效补充。 相关仪器-----测振仪 VIB05 来自中国祺迈KMPDM的VIB05多功能振动检测仪是 基于微处理器最新设计的机器状态监测仪器，具备有振动 检测，轴承状态分析和红外线温度测量功能。其操作简单， 自动指示状态报警，非常适合现场设备运行和维护人员监 测设备状态，及时发现问题，保证设备正常可靠运行。 振动测量 VIB05可测量振动速度，加速度和位移值。当保持振 动速度读数时，仪器立即比较内置的ISO10816-3振动标准，自动指示机器报警状态。 轴承状态检测 VIB05可测量轴承状态BG值和BV值，它们分别代表高频振动的加速度和振动速度有效值。当保持轴承状态读数时，仪器按内置的经验法则自动指示轴承报警状态。 振动检测仪是测量物体振动量大小的仪器，在桥梁、建筑、地震等领域有广泛的 应用。振动检测仪还可以和加速度传感器组成振动测量系统对物体加速度、速度和位 移进行测量。
VIB07 来自中国祺迈KMPDM的VIB07多功能振动检测仪是基 于微处理器最新设计的机器状态监测仪器，具备有振动检测， 轴承状态分析和红外线温度测量功能。其操作简单，自动指 示状态报警，非常适合现场设备运行和维护人员监测设备状 态，及时发现问题，保证设备正常可靠运行。 主要特点 1、测振仪设计先进，具有功耗低、性能可靠、造型美 观、使用携带极为方便的特点。 2、按国标制造，测量值与国际振动烈度标准(ISO2372)比对可直接判断设备运行状态。 3、高可靠性的环形剪切加速度传感器，性能远远优于压缩式传感器。 4、具有高低频分档功能，在振动测量时，便于识别设备故障类型。 5、备有信号输入功能，配接温度传感器，即可测量温度。 6、备有信号输出功能，选配专用耳机，兼具设备听诊器功能；配接示波器、可用来监测、记录振动信息。 7、按振动传感器与主机的连接方式分为一体式和分体式供您选择。 8、适用于各类机械的振动、温度测量。 动平衡仪-----KMBalancer现场动平衡仪 现场动平衡分析仪KMBALancer是KMPDM 祺迈公司的产品。它嵌入式计算机技术和动平衡技 术，兼备现场振动数据测量、振动分析和单双面动 平衡等诸多功能，简捷易用。是工矿企业预知保养 维修，尤其是风机、电动机等设备制造厂和振动技 术服务机构最为理想之工具。它是美国尖端科技产 品。
振动测试与分析报告汇编
输电线微风振动测试技术报告 任课教师：刘娟 组员： 2016年6月10日
1 大跨越输送线路背景 线路大跨越是输电线路的重要组成部分，在线路运行过程中具有特殊重要地位。架空电线路经常发生超过允许幅值的微风振动，往往导致某些线路部件的疲劳损坏，如导地线的疲劳断股，金具、间隔棒及杆塔构件的疲劳损坏或磨损等，其中导线疲劳断股是架空送电线路普遍发生的问题，严重时需要将全线路更换为新导线。所有的高压送电线路都受到微风振动的影响，尤其在线路大跨越上，因具有档距大、悬挂点高和水域开阔等特点，使风输给导地线的振动能量大大增加，导地线振动强度远较普通档距严重。 2 微风振动的原理与波形特点 2.1 微风振动原理 导线的振动是由于风作用于导线而产生的“卡门旋涡”造成的。把一个圆柱体,水平地放在风洞的试验中,并把圆柱体的两端刚性地固定住。如图1所示,当风vs从垂直于圆柱体轴线的方向作用于圆柱体后,在圆柱体的背后将产生旋涡,这种旋涡称为卡门旋涡。旋涡发生在圆柱体背风面处,上下交替地产生,不断地离开圆柱体向后延伸,渐渐消失。由于这种上下交替旋涡的产生,风对于圆柱体的作用除了有一个水平的压力外,在圆柱体上还有一种上下交替的力,在此交变力的作用下圆柱体产生持续振动。 图1 卡门涡街 卡门和司脱罗哈最早研究了旋涡的特性后发现,当出现振动时旋涡有比较稳定的频率f ,常称为司脱罗哈频率或冲击频率,这个交变力的频率与风速,圆柱体 s 的直径有如下关系:
另外，导线之所以能够持续振动其主要是由于同步效应作用的结果。风作用 于圆柱体后,由于产生卡门旋涡,根据上式,导线会以一定的频率f s 开始振动,如 果风对圆柱体产生的冲击频率与圆柱体的固有频率f 相同时,则会引起谐振使作用于圆柱体上的交变冲击力变大,激发圆柱体产生较大振幅的振动。当圆柱体以 f 0=f s 的频率振动后,气流将受到导线振动的控制,导线背后的旋涡将表现为很好 的顺序性,其频率也为f 0。当风速在一定范围内变化时,(约相应f 的士20%范围), 圆柱体的振动频率和旋涡的频率都不变化仍保持为f s ,这种现象称为“同步效应”。 电线受到微风(1一3级)吹拂时,由于产生卡门旋涡和同步效应(或锁定效应),加之电线振动振幅的自限作用,使得电线产生小振幅的持续振动,即微风振动。电线的振动波形有单一的驻波和行波,最常见的是有由以上二者混合成的拍频波。 (1)图所示波来回于档内时能出现这种波形,可观察到某点发生间歇性振动, 行波产生的原因可能是由于杆塔振动带动线夹上下振动,一般在振动发生的初期可能出现这种行波。 图2行波 (2)图3所示当档内具有同样风吹时会产生这种大体上具有相同振幅和频率 且波节、波腹位置不变的驻波。
齿轮噪音原因分析
齿轮噪音原因分析 齿轮传动噪声产生原因及控制 齿轮传动的噪音是很早以前人们就关注的问题。但是人们一直未完全解决这一问题，因为齿轮传动中只要有很少的振动能量就能产生声波形成噪音。噪音不但影响周围环境，而且影响机床设备的加工精度。由于齿轮的振动直接影响设备的加工精度，满足不了产品生产工艺要求。因此，如何解决变速箱齿轮传动的噪音尤为重要。下面谈谈机械设备设计和修理中消除齿轮传动噪音的几种简单方法。 1 噪音产生的原因 1.1 转速的影响 齿轮传动若转速较高，则齿轮的振动频率增高，啮台冲击更加频繁，高频波更高。据有关资料介绍，转速在1400转/分钟时产生的振动频率达5000H。产生的声波达88dB形成噪音软。一般光学设备变速箱输出轴的转速都较高。高达2000~2800转/分钟。因此，光学设备要解决噪音问题是需要研究的。 1.2 载荷的影响 我们将齿轮传动作为一个振动弹簧体系，齿轮本身作为质量的振动系统。那么该系统由于受到变化不同的冲击载荷，产生齿轮圆周方向扭转振动，形成圆周方向的振动力。加上齿轮本身刚性较差就会产生周期振幅出现噪音。这种噪音平稳而不尖叫。 1.3 齿形误差的影响 齿形误差对齿轮的振动和噪音有敏感的影响。齿轮的齿形曲线偏离标准渐开线形状，它的公法线长度误差也就增大。同时齿形误差的偏离量使齿顶与齿根互相干扰，出现齿顼棱边啮合，从而产生振动和噪音。 1.4 共振现象的影响 齿轮的共振现象是产生噪音的重要原因之一。所谓共振现象就是一个齿轮由于刚性较差齿轮本身的固有振动频率与啮合齿轮产生相同的振动频率，这时就会产生共振现象。由于共振现象的存在，齿轮的振动频率提高，产生高一级的振动噪音。要解决共振现象的噪音问题，只有提高齿轮的刚性。 1.5 啮合齿面的表面粗糙度影响 齿轮啮合面粗糙度会激起齿轮圆周方向振动，表面粗糙度越差，振动的幅度越大，
风力发电机组齿轮箱振动测试与分析
风力发电机组齿轮箱振动测试与分析 齿轮箱做振动测试和分析，通过模式识别找到齿轮箱损坏时呈现的特性，为齿轮箱故障诊断提供依据。 我国风电场中安装的风力发电机组多为进口机组。因为在恶劣环境下工作，其损坏率高达40%～50%。随着清洁能源的普及，齿轮箱的故障诊断和预知维修已迫在眉睫。本文就齿轮箱的故障诊断作一些探索性研究。 一、齿轮箱振动测试 采用北京东方所开发的DASP(Data Acquisition and SignalProcessing)测振系统，对某风电场4#、5#机组齿轮箱的不同测点（图1）做振动测试和分析，4#机组刚进行过检修运行正常作为对照机组，5#机组噪声异常为待检机组，对两机组齿轮箱的振动信号对比分析，判断存在故障。齿轮箱特征频率见表1。 表1 齿轮箱特征频率表Hz
二、信号分析 1.统计分析 由统计表2、表3可看出，5#机组振动值明显偏大，尤其是5～10测点振动值基本上是4#机组相应测点的2倍以上。 表2 4#机组幅域统计表 m/s2 表2 5#机组幅域统计表m/s2
5#机组概率分布及概率密度函数反映其时间序列分布范围较宽（图2），峭度系数（即四阶中心距）与4#机组的（图3）明显，同（若以4#机组为标准g=0，那么5#机组g=0），预示5#机组存在故障。
2.时域分析 通过时域分析（图4、图5），发现5#机组齿轮箱振动信号有明显异常．幅值转大，且有明显的周期性，其频率约大20Hz。
3.频坷分析 由图6可见，5#机组齿轮箱的频谱图既有调幅成分又有调频成分（调制频率对中心频率的幅值不对称）。 从5#机组功率谱密度函数（图7）可以看出，在频率177Hz、196Hz、531Hz及其倍频处幅值和4#机组（图8）相应测点相比成倍数增大。而177Hz是高速轴转频的7倍频，196Hz、531 Hz是齿轮箱第II级、第I级的啮合频率，因而可判断故障出现在第II级、第Ⅲ级。
齿轮箱实验参考材料
齿轮箱故障模拟实验 一、实验目的 以齿轮箱为测试对象，掌握机械设备运行状态的测试方法，采集齿轮箱的运行振动信号。 二、实验仪器设备 1）设备故障诊断系统 1个 2）计算机 1台 3）齿轮箱 1台 三、实验内容 齿轮箱故障诊断装置可以进行轴不对中故障，以及齿轮故障，轴裂纹故障的模拟，实现故障特征分析与提取，故障特征图谱与特征库建立。 齿轮箱实验的目的在于通过实验模拟取得正常工况和异常工况的振动信号数据，验证信号处理和故障诊断方法。 振动信号的测点选为各个轴端部（1.2.3.4.5.6）（图1所示）的机壳的的X、Y、Z三个方向上（图2所示），布置振动传感器，进行数据采集，比较三个方向振动信号特点。 图1 周端部编号（齿轮类型以实验为主）
图2 测点布置图 实验一：轴不对中故障数据采集（研修大厦921） 调节装置1，将中间轴偏离中心一段距离（上下），偏离的距离可以根据标准片进行依次调节。 实验二：轴松动故障数据采集（研修大厦821 调节装置1，分别将固定中间轴两测的四个螺栓松动。 实验三：轴承加载数据采集（工程西楼B座一层） 有负载(0.5A和1A)的情况下分别进行同样流程的实验（齿轮箱的负载通过磁粉制动器实现）。 测取各个轴的数据。 数据采集及相关实验参数 每项实验按10、15、20Hz转速进行数据测取。 测点 工频 传感器布置 通道1 通道2 通道3 10hz 1 径向水平 径向垂直 轴向 15hz 20hz 10hz 径向水平 径向垂直 轴向 2 15hz 20hz 10hz 3 径向水平 径向垂直 轴向 15hz 20hz 分析频率5000 采样点数 8192
总复习(振动测试与分析)
“振动测试与分析”主要内容 概述 振动信号的分类 振动测试及其主要任务 振动系统的力学模型及参数 振动系统的动力学模型 振动系统的主要参数 结构振动系统三元素（件） 单自由度无阻尼自由振动特性 有阻尼系统的自由振动特性 周期振动的峰值、有效值和平均值及其相互关系周期振动的频谱表示法 振动基本参量（动态特性）的常用测试方法简谐振动幅值的测量 简谐振动频率的测量 衰减系数及相对阻尼系数的测量 同频简谐振动相位差的测量 质量或刚度的测量 振动测量系统及其主要特性 振动测试系统组成 振动测试系统的主要特性参数 振动信号传感器 测振传感器 测振传感器分类 惯性式传感器力学原理
位移计型惯性式拾振器的构成特点 加速度计的构成特点 动圈型磁电式速度拾振器 压电式加速度计及其应用问题 电涡流传感器 振动信号处理和分析（基本理论） 数字信号分析 数据处理的基本知识 傅氏级数及其复数表达法 傅氏积分变换，傅氏变换的主要性质 典型函数的傅氏变换 FT、FFT、选带傅氏分析（ZOOM-FFT） LT＆ZT 混淆与采样 泄漏与窗函数 随机振动统计特性 数字特征 概率分布函数 概率密度函数 高斯分布和瑞利分布 二元随机变量的概率分布 相关分析（自相关函数，互相关函数） 实验模态分析 多自由度系统实验模态分析（频域方法，时域方法）多自由系统响应的模态迭加法 振动系统物理模型和模态模型间的转换
频响函数与模态参数的关系 频响函数的留数表示法 模态试验设计（试件支承状态，测点及测量方法，试验频段的选择，激振器的支承） 模态试验常用激励方法（步进式正弦激励法，自动正弦慢扫描激励，快速扫描正弦激励，冲击激励，纯随机激励，伪随机激励，周期随机激励，瞬态随机激励） 结构系统频响函数的估计（H1、H2估计，模态振型标准化）
振动测试及谱分析课程基本概念
1. 振动：与某个坐标系统有关的、围绕其平均值（或基准值）从大变小，又从 小变大，如此交替重复变化的量，称为振动。 2. 机械：机械就是能帮人们降低工作难度或省力的工具装置。 3. 机械振动：物体或质点在其平衡位置附近所作的往复运动。 4. 随机振动：任何一个给定时刻的振动瞬时值不能预先确定的振动。 5. 简谐振动：位移、速度和加速度为时间的谐和函数的振动。 6. 波形因子：位移的有效值与均值之比;波峰因子：位移的峰值与有效值之比。 7. 复杂周期振动：由一系列频比f i/f j(或ωi/ωj)为有理数的简谐振动叠加而成，当 自变量增加到某一定值时，其函数值又恢复到同一个值的振动，又简称为周期振动。 8. 准周期振动：两个或两个以上无关联的周期性振动混合后产生的一种与周期 性振动略有不同的振动。 9. 振幅：振动物体离开平衡位置的最大距离A。 10. 频率f：单位时间内完成振动的次数，描述振动物体往复运动频繁程度的量。 11. 相位：对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置 12. 阻尼：任何振动系统在振动中，由于外界作用或系统本身固有的原因引起的 振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征。 13. 频谱：是信号幅度或功率随频率变化的关系，为信号的傅立叶变换（FT）， 又称为傅立叶谱。 14. 仪器的灵敏度：在测量范围内，传感器的输出信号变化量与输入信号变化量 是成比例的，这个比例值称为传感器的灵敏度。 15. 压电效应：当被测频率远小于传感器的固有频率时，惯性块的相对运动与被 测物体的振动加速度成正比，惯性质量产生的惯性力作用于压电元件上，在元件的两级面生成正负相反的电荷，称为压电效应。 16. 逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质会发生变形， 电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。 17. 诺莫图：传感器的测量范围可以用频率f、加速度a(t)、速度v(t)和位移x(t) 来表示，用这些参数绘成的列线图，称为振动诺莫图，用来评价传感器的动
齿轮箱振动信号频谱分析与故障诊断
齿轮箱振动信号频谱分析与故障诊断 发表时间：2017-10-16T16:08:24.937Z 来源：《基层建设》2017年第16期作者：郭钊 [导读] 但是齿轮是诱发机械故障的重要部位，所以对齿轮箱故障诊断是十分必要的，本文基于齿轮箱振动及调制边频带形成机理的分析，提出用谱平均及倒频谱分析相结合的方法，对监测系统输出信号进行频域分析，诊断齿轮箱故障，并分析产生的原因。 英利能源（中国）有限公司河北保定 071000 摘要：随着科技的快速发展，齿轮已经成为现代工业中主要的零部件之一，由于齿轮箱传动比是固定的，传动力矩大，结构紧凑，被各种机械设备广泛的应用，成为各种机械的变速传动部件，但是齿轮是诱发机械故障的重要部位，所以对齿轮箱故障诊断是十分必要的，本文基于齿轮箱振动及调制边频带形成机理的分析，提出用谱平均及倒频谱分析相结合的方法，对监测系统输出信号进行频域分析，诊断齿轮箱故障，并分析产生的原因。 关键词：齿轮箱；振动信号；频谱分析；故障诊断 一、齿轮传动装置故障基本形式及振动信号特征 对于齿轮传动装置来说零件失效的主要表现为齿轮和轴承，而齿轮所占比例很大，所以根据提取的故障信号特征，提出行之有效的诊断方法是十分必要的，这样才能更好地诊断齿轮传动装置的问题所在。 1.齿形误差 当齿轮出现齿形误差的时候，频谱产生啮合频率及高次谐波为载波频率，齿轮所在的轴转频及倍频为调制频率的啮合频率调制现象，谱图上在啮合频率及倍频附近会产生幅值比较小的边频带，当齿形误差比较严重的时候，激振能量很大，就会产生固有频率，齿轮所在轴转频及倍频为调制频率的齿轮共振频率调制现象。 2.齿面均匀磨损 当齿轮使用以后齿面会出现磨损失效，当磨损的时候，使得轮齿齿形的局部出现改变，箱体振动信号与齿形误差也有很大的不同之处，啮合频率及高次谐波的幅值也会增加，由于齿轮的均匀摩擦，就不会产生冲击振动信号，所以不会出现明显的调制现象。当摩擦达到一定程度以后，啮合频率及谐波幅值就会增加，而且越来越大，同时振动能量也在增加。 3.箱体共振 齿轮传动装置箱体共振是比较严重的问题，这主要是因为受到箱体外的影响，激发箱体的固有频率，导致共振的形成。 4.轴的弯曲 轴轻度弯曲就会造纸齿轮齿形误差，形成以啮合频率及倍频为载波频率，如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，就会对啮合频率调制，但是谱图上的边带数量少，但是轴向振动能量很大。当轴严重弯曲的时候，时域会出现冲击振动，这于单个断齿和集中性故障产生的冲击振动有很大的区别，这是一个严重的冲击过程。冲击会激励箱体的固有频率，如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，就会出现啮合频率调制，谱图上边带数量比较宽，轴向振动能量变得很大。 5.断齿 断齿会导致齿轮的严重失效，其中大多是由于断齿疲劳断齿，断齿时域有很大的冲击振动，其中频率等于断齿轴的转频。啮合频率及高次谐波附近出现间隔为断齿轴转频的边频带，对于边频带数量多、幅值大、分布较宽，另外瞬态冲击能量很大，会激励固有频率，最终产生固有频率调制现象。 6.轴不平衡 当轴不平衡的时候，齿轮传动会出现齿形误差，以齿轮所在的轴转频为调制频率的啮合频率调制现象，但是一般的频谱边带数量很少。 7.轴承疲劳剥离和点蚀 对于齿轮传动装置中，滚动轴承也容易导致故障，主要是内、外环和滚动体出现点蚀和疲劳剥落，这是比较严重的故障，当出现故障以后，在频谱中高频区外环固有频率附近出现明显的调制峰群，以轴承通过频率为调制频率的固有频率调制现象，滚动轴承的振动能量很小，在解调谱中调制频率幅值很小，一般情况下只有一阶。 二、齿轮箱故障的分析诊断方法 在齿轮箱故障诊断中，振动检测是现在主要使用的方法，其中齿轮振动主要包括齿轮的周向振动、齿轮的径向和轴向振动及齿轮的固有振动等，齿轮的振动信号可以有效的反映出其缺陷，同时也是分析齿轮故障诊断的有效依据。 1.频谱分析及其特点 振动信号的频谱分析是齿轮故障信息的基本研究方法，齿轮的制造与安装误差、剥落和裂纹等故障会影响到振动的激励源，齿轮振动信号中会含有轴的回转频率及倍频。故障齿轮的振动一般为回转频率对啮合频率和倍频的调制，就会在频谱中有啮合频率和边频带，最终形成一系列的频带群，边频带反映出故障源信息，边频带的间隔反映的是故障源的频率，幅值的变化反映了故障的程度。所以齿轮故障诊断的实质是对边频带的识别。所以吃了的振动频谱图的谱线是由齿轮的转动频率、低阶谐频、齿轮的啮合频率、倍频、啮合频率的边频带和齿轮幅的各阶固有频率等组成的，齿轮幅的频率会由于齿轮啮合撞击产生振动，而且位于高频区而且振幅很小，容易被噪音信号淹没。 2.倒频谱分析原理 倒频谱分析也被叫做二次频谱分析，是现在信号处理的重要技术，倒频谱识别法可以把在谱图上的边频带谱线简化成单根谱线，这样便于观察，这样可以有效的识别出复杂频谱图上的周期结构，并且可以分离和提取出密集泛频信号中的周期成分，所以根据齿轮箱的信号特点，采用幅值倒频谱分析故障是可以实现的。 3.时域平均与频谱平均技术原理 在设备工作时齿轮箱内的噪音很大，所以在齿轮箱故障诊断的时候，经常使用同步平均技术对噪声进行消除，来有效的提高诊断信息的准确度，平均技术可以分为时域平均和频谱平均技术，所谓的时域平均法就是在检测信号时消除噪声对检测的干扰，但是前提就是要有一个外部同步触发信号去参与信号数据块的采样，以确保信号的同步，对于旋转机械振动信号处理时，一般会利用键相信号作为数据块采
振动测试报告
振动测试模态分析报告 班级：力学08-2班 姓名：方志涛 学号：3号
变时基锤击法简支梁模态测试 一、实验目的 1、学习模态分析原理； 2、学习模态测试方法； 3、学习变时基的原理和应用。 二、实验仪器安装示意图 三、实验原理 1、模态分析方法及其应用 模态分析方法是把复杂的实际结构简化成模态模型，来进行系统的参数识别（系统识别），从而大大地简化了系统地数学运算。通过实验测得实际响应来寻示相应的模型或调整预想的模型参数，使其成实际结构的最佳描述。 主要应用有： 用于振动测量和结构动力学分析。可测得比较精确的固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度。 可用模态实验结果去指导有限元理论模型的修正，使计算机模型更趋于完善和合理。 用来进行结构动力学修改、灵敏度分析和反问题的计算。 用来进行响应计算和载荷识别。 2、模态分析基本原理 工程实际中的振动系统都是连续弹性体，其质量与刚度具有分析的性质，只有掌握无限多个点在每瞬间时的运动情况，才能全面描述系统的振动。因此，理论上它们都属于无限多自由度的系统，需要用连续模型才能加以描述。但实际上不可能这样做，通常采用简化的方法，归结为有限个自由度的模型来进行分析，即将系统抽象为由一些集中质量块和弹性元件
组成的模型。如果简化的系统模型中有n 个集中质量，一般它便是一个n 自由度的系统，需要n 个独立坐标来描述它们的运动，系统的运动方程是n 个二阶互相耦合（联立）的常微分方程。 模态分析是在承认实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下，通过实验数据的处理和分析，寻求其“模态参数”，是一种参数识别的方法。 模态分析的实质，是一种坐标转换。其目的在于把原在物理坐标系统中描述的响应向量，放到所谓“模态坐标系统”中来描述。这一坐标系统的每一个基向量恰是振动系统的一个特征向量。也就是说在这个坐标下，振动方程是一组互无耦合的方程，分别描述振动系统的各阶振动形式，每个坐标均可单独求解，得到系统的某阶结构参数。 经离散化处理后，一个结构的动态特性可由N 阶矩阵微分方程描述： ()t f Kx x C x M =++ (1) 式中f(t)为N 维激振向量；x ，x ，x 分别为N 维位移、速度和加速度响应向量；M 、K 、C 分别为结构的质量、刚度和阻尼矩阵，通常为实对称N 阶矩阵。 设系统的初始状态为零，对方程式（1）两边进行拉普拉斯变换，可以得到以复数s 为变量的矩阵代数方程 [] ()()s F s x K Cs Ms =++2 (2) 式中的矩阵 ()[] K Cs Ms s Z ++=2 (3) 反映了系统动态特性，称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵。其逆矩阵 ()[] 1 2 -++=K Cs Ms s H (4) 称为广义导纳矩阵，也就是传递函数矩阵。由式（2）可知 ()()()s F s H s X = (5) 在上式中令s=j ω，即可得到系统在频域中输出（响应向量*）和输入*的关系式 ()()()ωωωF H X = (6) 式中H （ω）为频率响应函数矩阵。H （ω）矩阵中第i 行第j 列的元素 ()() ()ωωωj i ij F X H = (7) 等于仅在j 坐标激振（其余坐标激振为零）时，i 坐标响应与激振力之比。 在（3）式中令ωj s =，可得阻抗矩阵 ()() C j M K Z ωωω+-=2 利用实际对称矩阵的加权正交性，有