论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法
齿轮传动系统的故障诊断方法研究报告
齿轮传动系统的故障诊断方法研究
容提要:在机械设备运转过程中，齿轮传动系统通过主、从动齿轮的相互啮合传递运动和能量，这个过程将产生一定形式的机械振动。而诸如磨损、点蚀、制造误差、装配误差等齿轮和齿轮传动系统的各种缺陷和故障必然引起机械振动状态（或信号）发生变化。因此，在齿轮传动系统的振动信号中，蕴涵有它的健康状态（故障与无故障）信息，监测和分析振动信号自然就可以诊断齿轮和齿轮传动系统的故障。
关键词:齿轮故障;故障诊断;振动;裂纹
目录引言1
第一章影响齿轮产生振动的因素2
1.1 振动的产生2
1.2 振动的故障3
第二章齿轮裂纹故障诊断5
2.1 裂纹产生的原因5
2.2齿轮裂纹分类、特征、原因及预防措施5
2.2.1淬火裂纹5
2.2.2磨削裂纹6
2.2.3疲劳裂纹6
2.2.4轮缘和幅板裂纹7
第三章齿轮故障诊断方法与技术展望9
3.1 齿轮故障诊断的方法9
3.1.1 时域法9
3.1.2 频域法10
3.1.3 倒频谱分析10
3.1.4 包络分析10
3.1.5 小波分析方法11
3.2 齿轮故障诊断技术的展望12
结论13
致14
参考文献15
引言
随着科学技术的不断进步，机械设备向着高性能、高效率、高自动化和高可靠性的方向发展。齿轮由于具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，是改变转速和传递动力的最常用的传动部件，是机械设备的一个重要组成部分，也是易于故障发生的一个部件，其运行状态对整机的工作性能有很大的影响。
在机械设备运转过程中，齿轮传动系统通过主、从动齿轮的相互啮合传递运动和能量，这个过程将产生一定形式的机械振动。而诸如磨损、点蚀、制造误差、装配误差等齿轮和齿轮传动系统的各种缺陷和故障必然引起机械振动状态（或信号）发生变化。因此，在齿轮传动系统的振动信号中，蕴涵有它的健康状态（故障与无故障）信息，监测和分析振动信号自然就可以诊断齿轮和齿轮传动系统的故障。
设备状态监测和故障诊断要点
设备状态监测和故障诊断
1、齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法
1.1齿轮啮合频率产生的机理
啮合频率是对一对相互啮合的齿轮而言的，对单个齿轮谈啮合频率是没有意义的。另外，齿轮传动的特点是啮合过程中啮合点的位置和参与啮合的齿数都是周期性变化的，这就造成了齿轮轮齿的受力和刚度成周期性变化，
由此而引起的
振动必然含有周期性成分。
对于直齿圆柱齿轮，在齿轮啮合过程中，由于单、双齿啮合区的交替变换、轮齿啮合刚度的周期性变化、以及啮入啮出冲击，即使齿轮系统制造得绝对准确，也会产生振动，这种振动是以每齿啮合为基本频率进行的，该频率称为啮合频率，其计算公式如下：1122
6060
m z n z n f 式中，z 1、z 2 ————主、从动齿轮的齿数；
n 1、n 2 ————主、从动齿轮的转速，r/min 。
对于斜齿圆柱齿轮，产生啮合振动的原因与直齿圆柱齿轮基本相同，但由于同时啮合的齿数较多，传动较平稳，所产生的啮合振动的幅值相对较低。
对于没有缺陷的正常齿轮，齿轮啮合频率产生的原因主要有啮合刚度的变
化、啮合冲击和节线冲击。
1.2引起齿轮震动的部分原因
1.2.1啮合刚度的变化
齿轮的啮合刚度是指整个啮合接触区中参与啮合的各对轮齿的综合刚度。
单
对轮齿的等效刚度为：12
12
K K K K K
式中，K1、K2——主、从动齿轮的单齿刚度。
刚度的变化主要有两个方面：一是在齿高方向随着啮合位置的变化，参与啮
合的单一轮齿的刚度发生了变化；二是参加啮合的齿数随时间作周期性变化。例如对于重合度在1到2之间的渐开线直齿轮，在节点附近是单齿啮合，在节线两侧单部位开始至齿顶、齿根区段为双齿啮合。显然，在双齿啮合时，整个齿轮的
齿轮主要振动故障特征及实测频谱案例
齿轮主要振动故障特征及实测频谱案例
一、齿轮故障的频谱特征
1、齿的磨损、过载齿轮的均匀性磨损、齿轮载荷过大等原因引起的故障，都会在轮齿之间产生很高的冲击力，此时会产生以啮合频率的谐波频率为载波的频率，其中啮合频率的幅值相对正常状态将明显增大，但在啮合频率及其谐波周围不产生边频带。随着齿轮磨损劣化，啮合频率及谐波幅值会继续增长。
2、断齿、齿面剥落等属于齿轮集中缺陷的局部性故障，在齿轮运行至缺陷部位时，会激发瞬时的冲击，产生一个高幅值的波峰。此时，啮合频率将受到旋转频率的调制，在啮合频率其及谐波两侧产生一系列的边频带，其频谱特点是边频带数量多、范围广、分布均匀且较为平坦。随着此类缺陷的扩大，边频带在宽度范围及幅值上也会增大。
3、点蚀、胶合点蚀、胶合等分布比较均匀的缺陷，同样也将产生周期性冲击脉冲和调幅、调频现象。但是，与断齿等局部性故障不同的是，由于点蚀、胶合都属于浅表缺陷，在齿轮啮合时不会激发瞬态冲击，因此在啮合频率及其谐波两侧分布的边频带阶数少且集中，其频谱特点是边频带数量分布范围窄、幅值起伏变化大。
二、诊断实例对某减速箱的例行巡检过程中发现，该齿轮箱存在周期约为
0.5s 的振动冲击，但减速箱本身振动值没有明显变化。该减速箱为核心设备，一旦该设备出现问题停运，整条生产线将被迫停车，造成巨大的经济损失。鉴于现场减速箱无明显振动，通过听棒听诊及振动检测等常规方式均无法判断出振动冲击的部位及形成原因，故对该减速箱进行现场振动信号采集和诊断。查看频谱图，明显存在第三轴和第四轴四级啮合频率(28.15Hz )，且振动能量的缓慢增加，说明磨损在缓慢增长。随着状态恶化，振动值缓慢增长，三级与四级啮合频率幅值增长明显，同时啮合频率周围开始产生以第三轴转频(2.01Hz )为间隔的边频，而且边频带体现的特征为数量多、范围广(24~60Hz )、分布均匀且较为平坦，如下图所示。通过时域波形图可以发现，时域信号明显存在着周期约为0。5s 的尖峰冲击，与第三轴旋转周期相
齿轮常见故障类型及诊断方法
４ 实例分析
图 ５为齿轮箱实测频谱图， ５ 为修理前的频 图 ａ 谱， 可以看 出， 在各阶啮合频率 附近均有明显的边
带， 且总 的振动 量级 均较 高 ； ５ 图 ｂ是修理后 的结 果 ，
部放大， 用来判断或读出故障的特征信息 。
细化谱边频诊断故障一般从 ２方 面着手 ： １ （）
［ ］ Ｍｏ ｅ Ｍｕｒｙ ｕｔ Ｓ ｋ ｉ ｄ ｅ Ｒ，ｔ １Ａ ｗ ． ２ ｌ ｎＤ， ｒ —Ｒ ｓ Ｈ，ａｔ ｖ ｉ ｌ ｅ ａ ａ ｄ ａ ｈ ａｖ ．
ｔ ｒｐ ｏ ｕ ｔ ｉ ｒ ｍｅ ｏ ｋ ｆ ｒ ｕ ｄ ｒｔｎ ｉｇ ａ ｄ ａ ｔ ｎ ｅ ｒ ｄ ｃｉ ｔ ｆａ ｗ ｒ ｏ ｎ ｅｓａ ｄ ｎ ｎ ｃｉ ， ｖｙ ｏ
高农作物水分生产率的主要对策。只有在这个基本 策略下调整农业产业结构、 改进农作物灌溉制度 、 减 少农 业 用水 消耗 ， 可 实现 区域 粮食 的 安全 供 给 和 方
绿 洲灌 区的可 持续发 展 。 主成 分荷 载矩 阵 的结果 足 以说 明干旱 区绿洲 农
Ｗｏｋｈｐｏ ｔ ｒｄ ｃｖ ｙ［ ．ｒ Ｌｎ ａ Ｗａｄ — ｒｓｏ ｎＷａ ｒ ｏｕｔ ｉ Ｒ］ Ｓｉ ａ ｋ ， ｄ ｕ ｅＰ ｉｔ
生变化 ， 使动载荷加大， 不但振动和噪音加大 ， 而且
最终 导致 齿 的折 断 。 ２３ 齿面 疲劳 （ ． 点蚀 、 剥落 ） 齿 面疲 劳 是指 齿 表 面 金 属 微 屑 剥 落 下 来 而 形
设备状态检测与故障诊断--王端
研究生课程考核试卷
科目：设备状态检测与故障诊断
教师：谢志江
姓名：王端学号：20110702121 专业：机械设计及理论类别：学术
上课时间：2012 年 4 月至2012 年 6 月
考生成绩：
卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：
阅卷教师(签名)
重庆大学研究生院制
一、齿轮啮合频率产生的机理以及齿轮故障诊断的方法
1.1齿轮的力学模型分析
一对齿轮啮合，若齿轮副主动轮转速为n1、齿数为Z1；从动轮转速为n2、齿数为Z2，则齿轮啮合刚度的变化频率（即啮合频率）为： 221122116060z n z n z f z f f c ==== 。
如下图所示为齿轮副的力学模型，其中齿轮具有一定的质量，轮齿可看
图1.1
作是弹簧，所以若以一对齿轮作为研究对象，则该齿轮副可以看作一个振动系统。
其振动方程为：
12()()()()Mx Cx K t x K t e K t e t ++=+ ； 式中： x ——在齿面啮合力作用下沿作用线上齿轮的相对位移；
M ——齿轮副等效质量
12
12m m M m m =+ ； C ——齿轮啮合阻尼；
()K t ——齿轮啮合刚度；
1e ——齿轮受载后的平均静弹性变形；
2()e t ——由于齿轮传动误差和故障造成的两个齿轮间的相对位移， 也可称为故障函数；
该公式的左侧代表齿轮副本身的振动特征，右侧为激振函数。由激振函数可以看出，齿轮的振动来源于两部分：一部分为k （t ）e1，它与齿轮的误差和故障无关，所以称为常规振动；另一部分为k （t ）e2(t)，它取决于齿轮的综合刚度和故障函数，这一部分可以较好地解释齿轮信号中边频的存在以及与故障的关系。其中，齿轮啮合刚度是k(t)为周期性的变量，一是随着啮合点位置而变化，二是参加啮合的齿数在变化。由此可见齿轮的振动主要是由k(t)的这种周期变化引起的。
徐卫刚 故障诊断作业
研究生课程考核试卷
教授目：设备状态监测与故障诊断教师：谢志江科20110702043 学号：徐卫刚姓名：术学业：机械制造及其自动化类别：专月 4 月至2012 年 6 上课时间：2012 年
绩：考生成
课程综合成绩卷面成绩平时成绩
阅卷评语：
阅卷教师(签名)
重庆大学研究生院制．
设备状态监测与故障诊断课程作业
1. 论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法
1.1 齿轮啮合频率产生的机理
每当一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的啮合刚度就变化一次。齿轮刚度的变化频率即啮合频率，是指齿数与旋转轴转动频率的乘积。其计算公式为：
f?z*f?z*f?z*f r211zr2r znzn2121?f??z6060zz、—主、从动
齿轮的齿数；式中：12。r/min）—主、从动齿轮的转速（、nn21无论
齿轮处于正常状态还是故障状态，在齿轮的振动信号中，啮合频率振动分量及其谐波始终都是存在的，但两种状态下的振动水平是有差异的。经过分析得到齿轮啮合频率产生的原因主要有以下三个：）平均载荷的变化（1必须保证齿轮传动的重合度大于或等于相应重合度为了使两齿轮能够连续地传动，。一对齿轮在传动过程中，每个轮齿周期地进入和退出啮许用值，这些许用值都大于1合。齿
轮传动的这种特点决定齿轮啮合区有两种：单齿啮合区和双齿啮合区。在单齿啮合区内，全部载荷由一对轮齿承担；当一旦进入双齿啮合区，则载荷由两对轮齿按其啮的大小分配承担。在啮合轮齿在其啮合点处抵抗挠曲变形和接触变形的能力)合刚度(个平均载荷变为单、双齿啮合区的交变位置，每对轮齿所承受的载荷将发生突变，由1个平均载荷，如此循环交替。齿轮每转一10.50.5个平均载荷，再由个平均载荷变为）就是齿轮的啮合频，变化次数再乘以其转速（圈，其载荷变化次数等于其齿数Z sr/。齿轮传动时每个轮齿周期地进入和退出啮合的特点决定了平均载荷的变化是齿轮f率z产生啮合频率的主要原因之一。 2）刚度的变化（所示。由于齿轮传动的重合度不为整数的原以渐开线圆柱直齿齿轮为例，如图1.1B-C因，则在齿轮的啮合过程中，有时候一对齿啮合，有时两对齿啮合，在单齿啮合区中，由两C-D中齿轮的啮合综合刚度较小，齿轮弹性变形较大；在双齿啮合区A-B和对轮齿承受载荷，齿轮啮合综合刚度较大，齿轮弹性变形较小。此外，在啮合开始时的点主动齿轮在齿根处啮合，弹性变形较小，从动齿轮在齿顶处啮合，弹性变形较大。A点过度，相应的D逐渐向齿根部分的进入啮合以后，主动轮的啮合点从吃定部分的A页1第页14 共．
设备状态监测与故障诊断剖析
目录
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一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法 (1)
1.1 齿轮啮合频率的产生机理 (1)
1.1.1 概述 (1)
1.1.2 齿轮的振动机理 (2)
1.2 齿轮故障诊断的方法 (5)
1.2.1齿轮的故障类型 (5)
1.2.2 齿轮故障的特征信息 (5)
1.2.3 齿轮故障诊断的常用方法 (9)
1.3 实例分析 (12)
1.4 小结 (14)
二、滚动轴承故障的特征频率推导计算 (14)
2.1 滚动轴承故障特征频率的经验公式 (14)
2.2 滚动轴承故障的特征频率推导计算 (14)
三、煤气鼓风机状态监测与智能故障诊断 (16)
3.1概述 (16)
3.2煤气鼓风机组成及参数 (17)
3.3煤气鼓风机系统的测点布置 (17)
3.4系统硬件构成图及硬件要求 (18)
3.5系统控制室框架构成 (20)
3.6系统的功能模块组成 (20)
四、感悟和致谢 (21)
一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法
齿轮是现代工、农业生产设备中极其重要的传动零件，由于其在工作过程中长期承受各种交变载荷、冲击和摩擦力的作用或其本身在制造过程中留下了缺陷，齿轮相对于其他部件较容易出现故障甚至损坏。生产设备中的齿轮发生故障，轻者会使生产设备所加工出来的产品不符合标准要求，重者会导致生产设备停车，从而给生产企业造成经济损失，同时也担误了工时。因此，为了尽可能将这些不确定的机械故障所引起的经济损失降到最低，需要我们在故障初期就能作出诊断，为企业尽早安排检修提供科学依据。对齿轮振动信号进行时频分析就是一种比较实用的方法。
齿轮的故障诊断
齿轮的故障诊断
齿轮的故障诊断
一、齿轮的常见故障
齿轮是最常用的机械传动零件，齿轮故障也是转动设备常见的故障。据有关资料统计，齿轮故障占旋转机械故障的10.3%。齿轮故障可划分为两大类，一类是轴承损伤、不平衡、不对中、齿轮偏心、轴弯曲等，另一类是齿轮本身（即轮齿）在传动过程中形成的故障。在齿轮箱的各零件中，齿轮本身的故障比例最大，据统计其故障率达60%以上。齿轮本身的常
见故障形式有以下几种。
1. 断齿
断齿是最常见的齿轮故障，轮齿的折断一般发生在齿根，因为齿根处的弯曲应力最大，而
且是应力集中之源。
断齿有三种情况：①疲劳断齿由于轮齿根部在载荷作用下所产生的弯曲应力为脉动循环交变应力，以及在齿根圆角、加工刀痕、材料缺陷等应力集中源的复合作用下，会产生疲劳裂纹。裂纹逐步蔓延扩展，最终导致轮齿发生疲劳断齿。②过载断齿对于由铸铁或高硬度合金钢等脆性材料制成的齿轮，由于严重过载或受到冲击载荷作用，会使齿根危险截面上的应力超过极限值而发生突然断齿。③局部断齿当齿面加工精度较低、或齿轮检修安装质量较差时，沿齿面接触线会产生一端接触、另一端不接触的偏载现象。偏载使局部接触的轮齿齿根处应力明显增大，超过极限值而发生局部断齿。局部断齿总是发生
在轮齿的端部。
2. 点蚀
点蚀是闭式齿轮传动常见的损坏形式，一般多出现在靠近节线的齿根表面上，发生的原因是齿面脉动循环接触应力超过了材料的极限应力。
在齿面处的脉动循环变化的接触应力超过了材料的极限应力时，齿面上就会产生疲劳裂纹。裂纹在啮合时闭合而促使裂纹缝隙中的油压增高，从而又加速了裂纹的扩展。如此循环变化，最终使齿面表层金属一小块一小块地剥落下来而形成麻坑，即点蚀。
论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法
论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法
齿轮啮合频率是指齿轮齿数之比乘以齿轮转速之差，它是齿轮啮合过程中产生的基本频率。
齿轮啮合频率产生的机理主要有以下几个方面：
1.齿轮齿数之比：齿轮齿数之比是齿轮啮合频率的主要决定因素。齿轮啮合频率与齿数之比成正比，齿数越多，啮合频率越高。
2.齿轮转速之差：齿轮啮合频率还与齿轮转速之差有关。当齿轮转速之差增大时，啮合频率也会相应增加。
3.齿白度：齿轮啮合过程中，齿轮齿面的齿白度是产生啮合频率的重要因素。如果齿轮齿面的齿白度不均匀，会引起齿轮啮合频率的变化。
齿轮故障诊断方法主要有以下几种：
1.声音诊断法：通过听齿轮啮合过程中的声音，判断是否存在异常声音。异常声音可能是因为齿轮齿面磨损、齿面接触不良等故障引起的。
2.振动诊断法：通过测量齿轮转动时的振动信号，判断齿轮是否存在故障。齿轮故障会引起振动信号的变化，通过对振动信号的分析和比较，可以判断齿轮的故障类型和程度。
3.温度诊断法：通过测量齿轮表面的温度变化，来判断齿轮是否存在故障。齿轮故障会导致齿轮表面的摩擦产生热量，从而引起温度的升高。
4.油液分析法：通过对齿轮箱中的润滑油进行分析，判断齿轮是否存在故障。齿轮故障会导致润滑油中金属颗粒和其他杂质的含量增加，通过分析润滑油的成分和性质，可以判断故障的类型和程度。
5.振弦诊断法：通过在齿轮上安装振弦传感器，采集齿轮振动信号，并通过信号分析来判断齿轮是否存在故障。振弦传感器可以感知齿轮振动的幅值、频率等特征，通过与正常状态下的信号进行比较，可以判断故障的类型和程度。
论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法
、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法
一、齿轮啮合频率的机理
由齿轮传动理论可知，渐开线齿廓齿轮在节点附近为单齿啮合，而在节线的两边为双齿
啮合，啮合区的大小则由重叠系数&决定。因此，每对轮齿在啮合过程中承受的载荷是变化的，从而引起齿轮的振动，另外，一对轮齿在啮合过程中两齿面的相对滑动速度和摩擦力均
在节点处改变方向，引起齿轮的振动•这两者形成了啮合频率fz及其谐波Nfz，其计算式为
nZ f z
60
式中Z 齿轮的齿数；n轴的转速，「/min 。
nZ
60
式中N —自然数，1 , 2 , 3 ,……。N=1称为基波，即啮合频率；N = 2 , 3 ,……时，称为二次，三次…谐波。
啮合频率fz及其谐波Nfz的频谱特点:
①初始状态，啮合颇率的幅值最高，各次谐波的幅值依次减小（图1的实线部分）;
②随着齿轮磨损的增加，渐开线齿廓逐渐受到破坏，使齿轮振动加剧，此时啮合频率及其各
次谐波的幅值逐渐增大，而且各次谐波幅值的增加比啮合频率快得多（图中虚线所示）;
③磨损严重时，二次谐波幅值超过啮合频率幅值。
由频谱图上啮合频率及其谐波幅值的增量可判断出齿轮的磨损程度。
啮合频率分析：
（1 ）负载和啮合刚度的周期性变化
负载和啮合刚度的变化可用两点来说明： 一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一
齿轮的刚度发生了变化， 二是参加啮合的齿数在变化。 如渐开线直齿轮， 在节点附近是单齿 啮合，在节线两侧某部位开始至齿顶、齿根区段为双齿啮合。显然，在双齿啮合时，整个齿 轮的载荷由两个齿分担， 故此时齿轮的啮合刚度就较大； 同理单齿啮合时，载荷由一个齿承 担，此时齿轮的啮合刚度较小。 从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合， 齿轮的负 载和啮合刚度就变化一次， 所以齿轮的负载和啮合刚度周期性变化的频率与齿轮旋转频率成 整数倍关系。
齿轮故障诊断标准探讨
齿轮故障诊断标准探讨
摘要：齿轮的简易诊断，主要是通过振动与噪声分析法进行的，包括声音诊断法、振动诊断法以及冲击脉冲法（SPM法）等。进行简易诊断的目的，是迅速判别齿轮是处于正常工作状态还是异常工作状态奋对处。于异常工作状态的齿轮进行精密诊断分析或采取其它措施。关键词：齿轮故障诊断诊断标准
齿轮在机械加工中经常用到，随着时间的积累，齿轮会产生失效，因此对齿轮的故障做出一些诊断标准是很有必要的。列举一些诊断方法。
一、振平诊断法
振平诊断法是利用齿轮的振动强度来判别齿轮是否处于正常工作状态的诊断方法。根据判定指标和标准不同，又可分为两种方法，即绝对值判定法和相对值判定法。
1、绝对值判定法利用在齿轮箱同一测点测得的振幅值直接作为评价运行状态的指标，采用这种判定标准进行判定称为绝对值判定法。
用绝对值判定法进行齿轮状态识别，必须制订相应的绝对值判定标准，以使不同的振动强度对应不同的工作状态。
制订齿轮绝对判定标准的依据是：
1)对异常振动现象的研究。
2)根据实验对振动现象所做的分析。
3)对测得数据的统计评价。
4)参考国内外的有关文献和标准。
实际上，并不存在可适用于一切齿轮的绝对值判定标准，当齿轮的大小、类型等不同时，其判定标准自然也是不同的。
对于频率在1000Hz以下的振动，表示安装齿轮轴的振动范围；对于1000Hz以上的振动，表示安装齿轮轴的轴承座的振动。图2是按振动速度诊断齿轮异常的判定标准的例子。
2、相对值判定法一在实际中，对于尚未制订出绝对值判定标准的齿轮，可以充分利用现场测量的统计资料，制订适当的相对判定标准，采用这种标准进行判定称为相对值判定法。
齿轮故障诊断方法综述
齿轮故障诊断方法综述
摘要齿轮是机械设备中常用的部件，而齿轮传动也是机械传动中最常见的方式之一。在许多情况下,齿轮故障又是导致设备失效的主要原因.因此对齿轮进行故障诊断具有非常重要的意义。介绍了故障的特点和几种诊断方法,并比较了基于粒子群优化的小波神经网络,基于相关分析与小波变换,基于小波包和BP神经网络和基于小波分析等故障诊断方法的优缺点，并提出了齿轮故障诊断的难点和发展方向。
关键字齿轮故障诊断诊断方法分析比较发展
目录
第一章齿轮故障诊断发展及故障特点 (1)
1.1 齿轮故障诊断的发展 (1)
1. 2齿轮故障形式与震动特征 (1)
第二章齿轮传动故障诊断的方法 (2)
2. 1高阶谱分析 (2)
2。1。1参数化双谱估计的原理 (3)
2.1.2试验装置与信号获取 (3)
2。1.3 故障诊断 (4)
2.1.4应用双谱分析识别齿轮故障 (5)
2.2基于边频分析的齿轮故障诊断 (6)
2.2.1分析原理 (6)
2。2.2铣床振动测试 (6)
2。2。3边频带分析 (8)
2。2.4故障诊断 (9)
2. 3时域分析 (10)
2.3。1时域指标 (10)
2。3。2非线性时间分析 (11)
第一章齿轮故障诊断发展及故障特点
1。1 齿轮故障诊断的发展
齿轮故障诊断始于七十年代初，早期的齿轮故障诊断仅限于在旋转式机械上测量一些简单的振动参数,用一些简单的方法进行诊断.这些简单的参数和诊断方法对齿轮故障诊断反应灵敏度较低，根本无法准确判断发生故障的部位。七十年代末到八十年代中期，旋转式机械中齿轮故障诊断的频域法发展很快，其中R.B。Randall和James1.Taylor等人做好了许多有益的工作，积累了不少故障诊断的成功实例，出现了一些较好的频域分析方法,对齿轮磨损和齿根断裂等故障诊断较为成功。进入九十年代以后，神经网络、模糊推理和网络技术的发展和融合使得齿轮系统故障诊断进入了蓬勃发展的时期。
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
发布时间：2022-01-24T05:46:58.265Z 来源：《中国科技人才》2021年第30期作者：许遥[导读] 可以系统的对齿轮故障问题进行分析总结，对生产过程中出现的齿轮问题进行很好的概括，提高诊断的准确性。
杭州前进齿轮箱集团股份有限公司浙江杭州 311203摘要：齿轮箱故障诊断是一项难度很大的工作，只有实现故障自动化诊断和智能诊断才能快速准确的判断出故障点，本文主要对齿轮传动装置典型故障进行分析，为建立自动诊断和智能诊断奠定基础，通过查找资料，可以系统的对齿轮故障问题进行分析总结，对生产过
程中出现的齿轮问题进行很好的概括，提高诊断的准确性。
关键词：齿轮箱；震动信号；频谱分析；故障诊断
引言
许多机械设备的变速传动设备都是齿轮箱，一旦齿轮箱在运转过程中发生故障则很容易给机器或者机组的正常运作带来重要影响，情况严重的还可能会危及工作人员的生命安全，导致安全事故的发生。因此，有效监测齿轮箱的运行状态，提高故障诊断效率，确定故障类型、具体位置，并尽快做出相应的解决对策对于维护设备正常运行，保障工作人员的生命安全意义重大。在1960年以后，美国为了对航空航天与核能等核心设备进行故障监测，美国科研中心成立了故障监测与诊断预防小组，自此引领世界各地故障诊断技术研究的潮流。另一方面，上世纪60年代末期，计算机行业的逐渐发展成熟，机械设备由原来纯机械化逐渐向自动化、智能化方向发展，因此大型机器组结构更加复杂，各种设备状态监测和诊断技术应运而生。新世纪之初，故障诊断技术已经渗透到机械行业的各个领域，越来越受到社会和企业的重视，在机械设备需要24小时运行的场合，设备一旦发生急停或者失效将会对企业造成严重的经济损失。为了保证设备能够稳定的运行，必须在机械设备出现故障之前采取一些有用技术来提高失效设备的诊断。此外，笔者所在企业，大功率中高速柴油机则是公司主流配套产品，相应的齿轮减速箱、倒顺等设备占有很大比例，比如在船用齿轮箱项目，中高速四冲程柴油机通过齿轮箱驱动螺旋桨，使螺旋桨获得较大的功率，从而保证船舶能够快速航行。船用齿轮箱作为柴油机与螺旋桨连接设备，工作性能的好坏直接决定船舶运行的稳定性，故对中高速柴油发电机齿轮箱的实时监测与诊断要格外重视。据笔者公司统计，齿轮、轴和轴承等基本零件的失效比例占齿轮箱故障率的90％左右。其中，由于不正规操作引起齿轮箱的失效率为24％。由此看来齿轮箱振动信号频谱的分析与故障诊断的关系密不可分。
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一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法
一、齿轮啮合频率的机理
由齿轮传动理论可知，渐开线齿廓齿轮在节点附近为单齿啮合，而在节线的两边为双齿啮合，啮合区的大小则由重叠系数ε决定。因此，每对轮齿在啮合过程中承受的载荷是变化的，从而引起齿轮的振动，另外，一对轮齿在啮合过程中两齿面的相对滑动速度和摩擦力均在节点处改变方向，引起齿轮的振动.这两者形成了啮合频率fz 及其谐波Nfz ，其计算式为:
60z nZ
f =
式中 Z ——齿轮的齿数；n ——轴的转速，/min r 。
60z nZ
Nf N =⋅
式中N —自然数，1，2，3，……。N=1称为基波，即啮合频率；N = 2，3，……时，称为二次，三次…谐波。
啮合频率fz 及其谐波Nfz 的频谱特点：
①初始状态，啮合颇率的幅值最高，各次谐波的幅值依次减小(图1的实线部分)；
②随着齿轮磨损的增加，渐开线齿廓逐渐受到破坏，使齿轮振动加剧，此时啮合频率及其各次谐波的幅值逐渐增大，而且各次谐波幅值的增加比啮合频率快得多(图中虚线所示)； ③磨损严重时，二次谐波幅值超过啮合频率幅值。
图1 啮合频率及其谐波
图2 严重磨损时的啮合频率及其二次谐波
由频谱图上啮合频率及其谐波幅值的增量可判断出齿轮的磨损程度。
啮合频率分析：
（1）负载和啮合刚度的周期性变化
负载和啮合刚度的变化可用两点来说明：一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一齿轮的刚度发生了变化，二是参加啮合的齿数在变化。如渐开线直齿轮，在节点附近是单齿啮合，在节线两侧某部位开始至齿顶、齿根区段为双齿啮合。显然，在双齿啮合时，整个齿轮的载荷由两个齿分担，故此时齿轮的啮合刚度就较大；同理单齿啮合时，载荷由一个齿承担，此时齿轮的啮合刚度较小。从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的负载和啮合刚度就变化一次，所以齿轮的负载和啮合刚度周期性变化的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。
（2）节线冲击的周期性变化
齿轮在啮合过程中，轮齿表面既有相对滚动，又有相对滑动。主动轮带动从动轮旋转时，主动轮上的啮合点从齿根移向齿顶，啮合半径逐渐增大，速度渐次增高；而从动轮上的啮合点是由齿顶移向齿根，啮合半径逐渐减小，速度渐次降低。两轮齿齿面在啮合点的速度差异就形成了主动轮和从动轮的相对滑动。在主动轮上，齿根和节点之间的啮合点速度低于从动轮上的啮合点速度，因此滑动方向向下；在节点处，因为两轮上的啮合点速度相等，相对滑动速度为零。因此，摩擦力在节点处改变了方向，形成节线冲击。由以上分析可知，从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，发生两次节点冲击，所以节线冲击发生的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。
（3）齿轮运转时，其振动频谱上都含有啮合频率及其谐波分量。随着齿轮的磨损，频谱上的啮合频率及其各次谐波都会上升，即幅值增大。但值得注意的是，啮合频率高次谐波的幅值要比基波的幅值上升得快。啮合频率是齿轮振动中比较突出的成分，它既是齿轮齿廓磨损的一个灵敏指标，同时齿面上产生点蚀、剥落等损伤也会在啮合频率及各次谐波成分上表现出来。对于一对新齿轮来说，其频谱的整个振动能量水平较低，啮合频率的基波及其第二、三次谐波幅值依次减小。对于具有中等点蚀故障的齿轮，其频谱随着点蚀的增加，整个谱的水平都随之增加，且啮合频率高次谐波幅值将超过基波。另一个特点是啮合频率的二次谐波两边的边频带愈加丰富。当齿面出现重度点蚀时，谱噪声总量急剧上升，且啮合频率的谐频延伸到七次以上。啮合频率分析也有其不足之处，它毕竟是众多齿轮振动能量的平均值，因此在局部轮齿呈现损伤时，其幅值的增长就不那么明显，只有大多数轮齿受到磨损或出现点蚀、剥落等损坏时才有明显的增量。
当齿轮发生故障时，振动信号常会发生调制现象而产生调制波(调幅波和调频波)，其载
频为啮合频率及其谐波或另一些高频成分，而故障的振动频率即为调制信号。
二、齿轮传动装置故障基本形式
对齿轮传动装置的零件失效情况的统计表明，齿轮和轴承的失效比重最大，分别为 60%和 19%。因此，就齿轮传动装置的故障诊断而言，其重点是研究齿轮和轴承的失效机理和诊断方法。准确地提取各种典型故障的特征是进行齿轮传动装置故障诊断的关键。根据提取的故障信号的特征，提出行之有效的诊断方法，这样就为齿轮传动装置智能诊断系统的研制打下良好的基础。
2.1 齿形误差
当齿轮发生齿形误差时，频谱产生以啮合频率及其高次谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其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其倍频附近产生幅值小且稀疏的边频带；解调谱上出现转频阶数较少，一般以一阶为主。而当齿形误差严重时，由于激振能量较大，产生以齿轮各阶固有频率为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制现象。
2.2 齿面均匀磨损
在齿轮齿面磨损失效中，当属于均匀磨损的性质时，一般不形成轮齿齿形的局部大改变，其箱体振动信号的特征也和齿形误差不同，表现为啮合频率及其高次谐波的幅值明显增大，但一般不产生明显的调制现象。齿轮均匀磨损时由于无冲击振动信号产生，所以不会出现明显的调制现象。当磨损发展到一定程度时，啮合频率及其各阶谐波幅值明显增大，而且阶数越高，谐波增大的幅度越大。同时，振动能量有较
大幅度的增加。
2.3 箱体共振
齿轮传动装置箱体共振是一种严重的故障形式，一般是由于受到箱体以外的其它激励的响，激发了箱体的固有频率，形成共振。外部激励一定是振动能量较大的激励源。
2.4 轴的弯曲
轴轻度弯曲时，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，如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对啮合频率调制。但一般谱图上边带数量少而稀，它与齿形误差虽有类似的边带，但其向振动能量明显加大。轴严重弯曲时，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，