5 雙環減速器故障特征故障模式及專家領域知識庫
5.1 引言
雙環減速器是一種新型齒輪裝置，從目前的理論分析、試驗研究和實際應用都證實和發現，雙環減速器運行時振動普遍較大，并隨傳動比的增大及功率的增加而加劇，嚴重時導致環板斷裂，軸承發熱失效，縮短了減速器的使用壽命。
雙環減速器由于自身結構的原因，因此運動特性不同于一般減速器齒輪箱，一是兩偏心軸偏心相位相差180°，偏心軸轉動一周產生兩次過“死點”沖擊現象，二是雙環減速器內有兩根偏心軸，兩偏心軸轉動帶動兩環板做平面圓運動，使兩偏心軸轉動產生動不平衡，同時兩偏心軸與兩環板及輸出齒輪屬過約束行星傳動，使環板與輸出齒輪之間的嚙合不同與一般行星齒輪傳動，由于制造、安裝誤差，使環板內齒與輸出齒輪嚙合時產生較大嚙合沖擊。因此雙環減速器在運行過程中，存在動不平衡慣性沖擊及制造、安裝誤差造成的過約束沖擊，從而使雙環減速器振動信號中轉頻、環板與輸出齒輪嚙合頻率及其倍頻成份幅值高，在雙環減速器的故障診斷中，振動信號參數的識別方法不能簡單的等同于一般減速器。
5.2 雙環減速器常見故障特征分析
5.2.1 故障特征參量的定義及選取原則
對于某一具體的故障類型，我們所關心的問題是：l）這種故障通過哪些物理參量表現出來；2）與各物理參量間的關系強弱情況如何。一般而言，對于前一個問題，只要機械系統的狀態發生了變化，就必定會影響到與之相聯系的各個動態物理參量，牽涉面較廣；而故障類型與物理參量的關系強弱是我們最感興趣的。因為只有那些與某種故障類型之間的關系密切、對故障靈敏可靠的物理參量才被用于故障的診斷。在機械故障診斷學領域，將這些對故障靈敏、穩定可靠的物理參量稱為故障特征參量。機械系統的故障類型是千差萬別的，與每一種故障類型相對應，機械系統必定會通過一個或多個物理參量將其表征出來，每一種故障類型也必須由一種或多種原因所引起。這就是說，故障表現與其特征參量和故障原因之間存在如下的對應關系
F=f（a1，a2…） （5.1）
式中F_____某種故障類型；
a1，a2…_____各特征參量或故障原因。
故障診斷就是要確定F與a1，a2，…之間的某種對應關系f，以便通過檢測a1，a2，…來判斷故障類型F是否發生，或在已知F發生的情況下去查明造成F的原因西a1，a2，…,等。
應該指出的是，對于同一種故障類型，當它們發生在不同的機械系統上時，其故障特征參量也不同，因此，在確定某種故障的特征參量時，應結合具體的系此時溫度可選為故障特征參量。然而，對于礦山井下的通風機，其轉子軸承處于風道內，受到強風冷卻，即使出現故障溫度也未必明顯升高，此時就不宜選用溫度作為軸承故障的特征參量。
由上面的分析可知，雖然某種故障類型發生所能引起變化的物理參量有許多個，但可用作故障特征的參量是有限的，這就引出了如何來選定故障特征參量的問題。實踐證明，選取故障特征參量應遵循以下原則：
1）高度敏感性
機械系統狀態的微弱變化應引起故障特征參量的較大變化。
2）高度可靠性
故障特征參量是依賴于機械系統的狀態變化而變化的，如果把故障特征參量取作應變量，系統狀態取作自變量，一則故障特征參量應是系統狀態這個自變量的單值函數。
3）實用性（或可實現性）
故障特征參量應是便于檢測的，如果某個物理參量雖對某種故障足夠靈敏，但這個參量不易獲得（經濟的、技術方面的考慮人那么這個物理參量也不便用作故障特征參量。
不同的故障類型有不同的故障特征與之相對應也就是說，故障類型不同，其故障特征參量也不同即使是同一種故障類型，當其環境條件（包括故障主體）發生變化時，其故障特征參量也不同驗的方法來確定。
5.2.2 齒輪箱常見故障特征分析
齒輪箱的實際振動信號異常復雜，但是通過大量的統計分析發現：齒輪箱中齒輪故障占主要部分，其次是軸承故障障中，主要是疲勞剝落、崩裂掉塊、，其他部分占的比例很小。在齒輪與軸承故壓痕凹坑及拉傷等相對集中的故障，而由均勻性磨損、腐蝕等因素引起的故障所占的比例很小。
表5.1 列舉了齒輪箱中各類零件損壞的百分比，其中，齒輪本身的失效比重最大，占60%，說明在齒輪箱中，齒輪本身的制造和裝配質量及其維護是保證齒輪正常運行的關健。
表5.1 齒輪箱的失效零件及失效比重
| 失效零件 |
失效比重（%） |
失效零件 |
失效比重（%） |
| 齒輪 |
60 |
箱體 |
7 |
| 軸承 |
19 |
緊固件 |
3 |
| 軸 |
10 |
密封件 |
1 |
l）軸系的失效類型及其振動特征
軸系的主要失效型式為：失衡、彎曲變形、扭轉變形及疲勞斷裂，每種失效型式都有自己的振動特征。因此，只要掌握了振動特征就可診斷軸系的故障。
A失衡
安裝有齒輪、皮帶輪、葉片的轉動軸由于制造或安裝的質量不良，或是軸系上某個零件損壞、失落、附著異物，或者是軸的彎曲變形等原因均會導致軸系的質量分布不均。當軸轉動時，偏心質量的離心慣性力就構成使轉軸產生橫向強迫振動的周期激振力，激振力的頻率等于軸的轉動頻率。所以軸橫向振動的頻率就等于軸的轉動頻率，并隨著轉速的升高而增大。當轉速等于軸系的固有頻率時，軸系產生強烈振動一共振，此時軸的轉速稱為臨界轉速。
B彎曲變形
轉軸由于受力不均、設計或裝配不良、箱體變形等原因發生彎曲變形時，其橫向振動的剛度是時間的周期函數，周期就是軸轉動一轉所需的時間。因此，由其引起的軸的橫向振動不僅有以軸的轉動頻率為頻率的基頻振動，而且有二階及高階的簡諧振動分量。在軸有彎曲變形時必然伴隨著失衡，所以軸彎曲時振動的幅值是隨著轉速的升高而增大的。由于裝配不良、箱體變形等原因使軸對中不良時，所引起的振動也有類似的特征，其不同處在于除橫向振動外還有軸向振動。
C扭轉變形
轉軸在傳遞動力時產生扭轉變形一般不影響軸的正常工作，但當動力或負載扭矩變化以及齒輪的齒面有不同程度的損傷時，將會引起轉軸的扭轉振動。安裝著齒輪的軸的扭轉振動將導致軸產生橫向振動和軸向振動。根據軸扭轉振動的頻率及其它振動特征，可以區分引起扭轉振動的原因：由動力或負載變化引起時軸作強迫振動，其振動幅值和頻率僅取決于動力或負載的變化，而與軸的轉速無關；若由齒輪的齒面損傷引起時，不僅產生與軸的轉速有關的強迫振動，而且產生與系統扭轉振動固有頻率有關的自由振動。
D疲勞斷裂
轉軸上出現橫向裂紋時，軸的剛度隨著裂紋深度的增加而下降，而且裂紋的位置越接近軸的中部其剛度變化越大。在軸轉動一周的過程中，對應于軸的不同轉角，軸的剛度是不同的。這是因為當裂紋部位受拉應力作用時，裂紋張開，剛度減小；而裂紋部位受壓應力作用時，裂紋閉合，其對軸的剛度的影響就不明顯。在軸轉動過程中，裂紋處的拉壓應力周期性變化，所以軸的剛度也隨著軸的轉動而周期性地變化，其變化的周期就是軸的轉動周期。因此，轉軸有了橫向裂紋后，其臨界轉速（也即是軸橫向振動的固有頻率）相應地減小，軸的橫向振動除了以轉動頻率作基頻振動外，還有高階諧波振動。此外，尚有異于其它失效類型的振動特征：在轉速達到臨界轉速的1/3和1/2時分別發生三階與二階諧波共振。
2）齒輪的失效類型與特征
齒輪的失效類型很多，基本上可分為兩類：一類為制造和裝配不善造成的。如齒形誤差、輪齒與內孔不同心、各部分的軸線不對中、大型齒輪的不平衡等。另一類為齒輪在長期運行中形成的。由于輪齒表面承受的載荷很大，兩嚙合輪齒之間既有相對滾動又有相對滑動，而且相對滑動的摩擦力在節點兩側的方向相反，從而產生了力的脈動，在長期運行中導致齒面發生點蝕、膠合、磨損。疲勞剝落。塑性流動及齒根裂紋，甚至斷齒等失效現象。
據國外拍樣分析結果，輪齒的各種損傷發生的概率如表5.2
表5.2 齒輪的失效比重
| 齒輪的損傷類型 |
斷齒 |
點蝕 |
劃痕 |
磨損 |
其它 |
| 百分比％ |
41 |
31 |
10 |
10 |
8 |
齒輪的第一類失效主要引起不平衡和嚙合不良，前者使振動加劇，后者將誘發齒輪的第二類失效。第二類失效主要是指嚙合齒面上的損傷，這些損傷會造成運轉時齒面間的撞擊，從而產生具有一定頻率特征的振動和聲音；齒面產生這些損傷時，剝離的金屬微粒必然進入齒輪箱的潤滑油內，不同類型的損傷其微粒的形貌特征、化學成分、數量多少等方面都有所區別。因此，對于齒面損傷不僅可以根據振動與聲的頻率特征進行診斷，也可以通過對油液中的金屬微粒進行物理化學分析來判斷齒面損傷的類型和嚴重程度。
實際上，齒輪的自由振動經由軸、軸承傳到齒輪箱體時，猶如通過一個機械低通濾波器，因此在軸承座等處測得的振動信號，一般只包含轉動頻率和嚙合頻率及其諧波。
次料列出了齒輪箱各不同部件故障的振動特征，見表5.3所示。
表5.3 齒輪箱故障的振動特征簡表
已有資料總結了一般齒輪箱中齒形誤差、齒輪均勻磨損、箱體共振、軸輕度彎曲、斷齒、軸不平衡、軸嚴重彎曲、軸向竄動、軸承疲勞剝落和點蝕九種典型故障的振動特征。
5.2.3 齒輪箱振動信號的頻域分析
在工作條件下，人們很難直接檢測某一個齒輪的故障信號，一般是在軸承、箱體有關部位測量，所測得的信號是輪系的信號，從輪系的信號中分離出故障信息。在齒輪箱故障診斷中，振動檢測是目前的主要方法。當齒輪旋轉時，無論齒輪發生了異常與否，齒的嚙合都會發生沖擊嚙合振動，其振動波形表現出振幅受到調制的特點。甚至既調幅又調頻。
齒輪箱傳動系統振動的頻譜分析法和轉子、滾動軸承的頻譜分析在原理上是一致的。因為齒輪的傳動產生振動，而故障缺陷也產生振動，二者給合而產生調制，這是它的特點。這種調制有調幅和調頻。
l）幅值調制
調幅現象由于齒面載荷波動對振幅影響形成的。例如齒輪偏心是裝配、制造中不可避兔的問題，偏心使齒輪嚙合時一邊緊一邊松，從而產生載荷波動，使振動幅值按此規律周期性變化，即相當于齒輪振動受到一個脈沖調制，齒輪一轉，脈沖重復一次，它的頻率fz（或ωz）等于齒輪的回轉頻率f（或ω），但它比齒輪的嚙合頻率fe（或ωc）要小得多，兩種頻率的信號互相作用而形成調制。齒輪加工造成節距不均勻及類似故障使齒輪在嚙合過程中產生短暫的“加載”和“卸載”效應，也會產生幅值調制。
若xc(t）=A·sin(2πfet＋φ）為嚙合振動載波信號，a(x)=1+b·cosπfzt為齒輪軸的旋轉調制信號，則調幅后的振動信號
調制后的信號，除原來的嚙合頻率分量外，增加了一對分量（fc+fn）和（fc-fn）它們以fc為中心，以fz為間距對稱分布于fc兩側，所以稱為邊頻帶，見圖5.1所示。上述原理不但適用于像齒輪偏心的故障，也適用于可產生沖擊信號的其它故障，如崩齒、齒面剝落等。
2）頻率調制
由于齒輪載荷不均、齒距不均勻及故障造成的載荷波動，除了對振動幅值產生影響外，同時也必然產生扭矩的波動，使齒輪轉速產生波動。這種波動表現在振動上即為頻率調制（也可認為是相位調制）。所以，對于齒輪來說任何導致產生幅值調制的因素也同時會導致頻率調制，兩種調制總是同時存在的。這種對于質量較小齒輪副，頻率調制現象尤為突出。
對于齒輪振動信號而言，頻率調制的根源在于齒輪嚙合剛度函數由于齒輪加工誤差和故障的影響而產生了相位變化，如圖5.2 所示。
這種相位變化會由于齒輪運轉而具有周期性。在齒輪信號頻率調制中，載波函數和調制函數均為一般周期函數，均包含基頻及其各階倍頻成分。其結果是在各階嚙合頻率兩側形成一系列邊頻帶。邊頻的間隔為齒輪軸的旋轉頻率fz。
在實際齒輪系統中，調幅、調頻總是同時存在的，所以，頻譜上的邊頻成分為兩種調制單位作用時所產生的邊頻成分的疊加。雖然在理想條件下（即單獨作用時）兩種調制所產生的邊頻都是對稱于載波頻率計的，但兩者共同作用時，由于邊頻成分具有不同的相位，而它們的疊加是向量相加，所以疊加后有的邊頻幅值增加了，有的反而下降了，這就破壞了原有的對稱性。
邊頻具有不穩定性，這是由于邊頻的相對相位關系容易受到隨機因素的影響而改變，所以在同樣的調制指數下，邊頻帶的形狀會有所改變。所以在齒輪故障診斷中，只監測某幾個邊頻仍是不可靠的。
5.2.4 雙環減速器齒輪箱故障特征分析
根據第三章所述，雙環減速器有其自身的特點，運動特性不同于一般減速器齒輪箱，其故障特征也有別于一般減速器齒輪箱，雙環減速器的運動因兩偏心軸轉動帶動兩環板做平面圓運動，使兩偏心軸轉動產生動不平衡，同時兩偏心軸與兩環板及輸出齒輪屬過約束行星傳動，使環板與輸出齒輪之間的嚙合不同與一般行星齒輪傳動，由于制造、安裝誤差，可能使環板內齒與輸出齒輪嚙合時產生較大嚙合沖擊。同時，制造、安裝誤差可能使兩塊環板內齒與輸出齒輪的嚙合不完全同步，從而使雙環減速器振動信號中環板與輸出齒輪嚙合頻率及其倍頻成份幅值較高而且有波動現象，因此，在雙環減速器的故障診斷中，振動信號參數的識別方法不能簡單的等同于一般減速器。
一般減速器中有嚴重軸彎曲時，時域有明顯的沖擊振動，以一定的時間間隔出現，沖擊持續了整個周期的1/3以上，這與單個斷齒和集中型故障產生的沖擊振動有明顯區別，這是軸嚴重彎曲造成的齒輪嚙合過程中連續多次沖擊振動構成的一次大的沖擊過程。而雙環減速器振動信號出現上述現象時，可能不是因為軸嚴重彎曲造成，而是因為環板內齒與輸出齒輪嚙合沖擊產生。一般減速器軸有較嚴重的不平衡時，在齒輪傳動中將導致齒形誤差，形成以嚙合頻率及其倍頻為載波頻率，以齒輪所在軸轉頻為調制頻率的嚙合頻率調制現象，但一般譜圖上邊帶數量少而稀。但在譜圖中其有故障的軸的轉頻成份明顯加大。而雙環減速器振動信號出現上述現象時，不一定是因軸有嚴重的不平衡，而可能是因環板與兩偏心軸轉動時的動不平衡的慣性產生。另外，環板的慣性力很可能造成偏心軸的動彎曲，使偏心軸出現彎曲故障特征頻率現象。
根據第三章接觸齒對分析中可知，由于誤差的原因，兩環板在與輸出齒輪嚙合傳動過程中，會出現兩環板上嚙合齒的對數不一致或接觸應力不同而產生載荷不均的現象，這種載荷不均必然產生輸出齒輪的轉矩波動，因此產生振動信號的調制（主要是頻率調制）。同時由于兩環板與兩偏心軸之間的過約束作用，可能造成上述情況非周期性或不均勻性變化，從而使振動信號變得復雜多變。
5.3 雙環減速器故障專家領域知識庫的建立
綜合上述分析，雙環減速器故障特征不同于一般減速器，由于雙環減速器運動的特殊性，分析雙環減速器的故障時應考慮其特殊性。不僅要考慮一般減速器的故障特征，而且重點要考慮雙環減速器的運動特性對其故障特征產生的影響。本文對雙環減速器的故障診斷研究尚屬首次，因此只針對減速器的偏心軸彎曲故障、環板齒形誤差故障、斷齒故障等進行了分析研究，并根據其特征建立了相應的故障專家知識。由于本文對雙環減速器的故障診斷，所用的診斷軟件及設備是用“網絡化、智能化大型旋轉機械在線診斷系統”，因此，本文討論雙環減速器的故障時，是針對減速器不解體進行故障檢測。
根據以上分析，本文用圖形化的智能故障診斷預報系統（INCON FIDPS), 建立了雙環減速器偏心軸彎曲及環板齒形誤差兩種故障的推理流程。如圖5.3 所示。
圖5.3 中zdpll、zdpl2、zdp13分別為偏心軸的轉頻、環板齒輪嚙合頻率及二倍環板齒輪嚙合頻率等三個故障特征頻率成份下的幅值。Zdp14表示是否有以環板齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，以偏心軸轉頻為調制頻率的嚙合頻率調制，zdp15表示時域信號是否有明顯的沖擊振動，且沖擊持續了整個周期的1/3 以上。智能故障診斷預報系統（INCON FIDPS)，在進行故障推理時，向數據引擎申請故障特征數據（圖2中最下層數據變量），因此zdpll、zdpl2…zdp15等數據變量的數值或故障特征形態的準確性將直接影響減速器故障推理的準確性。而zdpll、zdp12…zdp15等數據變量在建立偏心軸彎曲及環板齒形誤差兩種故障的推理流程時需設定故障臨界界限值，這些界限值應該用測量正常同型號雙環減速器實時數據評估設定或用測得的正常同型號雙環減速器的歷史數據來評估設定。當智能診斷系統進行故障推理診斷時，由數據引擎向一個動態數據連接庫申請故障特征數據，該動態數據連接庫可以直接連接由信號分析模塊處理后得到的故障特征數據，也可以自行處理信號數據得到故障特征數據或采用人機交互方式將人工判定的故障特征數據輸入計算機。
5.4 本章小結
本章介紹了故障特征參量的定義及選取原則，討論了齒輪箱的故障診斷方法，分析了雙環減速器的振動特性及其故障特性，在此基礎上，建立了雙環減速器偏心軸彎曲及環板誤差兩種故障的專家知識庫。
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