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
M r=m1∗m2/(m1+m2)
E1——齿轮受载后的平均静弹性变形
E2(t)——齿轮的误差和异常造成的两个齿轮间的相对位移（亦称故障函数）
由式2-1可以看出，齿轮在无异常的理想状态下也是存在振动的，且其振动来源于两个方面。

第一方面为K(t)E1，它与齿轮的误差和故障无关，称为常规啮合振动。

另一方面为
K(t)E2(t)，它取决于齿轮的啮合刚度和故障函数，由这一部分可以比较好地解释齿轮信号中变频的存在以及它们和故障的关系。

2.1.2滚动轴承的故障类型及振动机理
（1）故障类型齿轮箱滚动轴承在工作时，外圈与轴承座或机壳联接且固定；内圈与传动轴相联接，随轴一起转动。

在实际的诊断中，如果不考虑轴承加工和装配误差，则主要为运行故障这一内部因素所引起的振动。

滚动轴承在运行过程中出现的故障按其振动信号特征的不同可以分为【6】：
1)磨损由于滚道和滚动体的相对运动和尘埃异物会引起表面磨损，润滑不良会加剧磨损，结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了齿轮箱的运动精度，表现为振动水平及噪声的增大。

2)表面损伤当轴承元件表面有损伤时，损伤点受力会产生突变的冲击脉冲力，该脉冲力是以宽带信号，覆盖轴承系统的高频固有振动频率而引起谐振。

这就是损伤类故障引起的振动信号的基本特点。

轴承元件的工作表面损伤点在运行中反复撞击与之相接触的其他元件表面而引起低频振动成分，其频率与转速和轴承的几何尺寸有关，这一频率成为故障特征频率。

（2）振动机理滚动轴承是由内圈、外圈、滚动体和保持架等元件组成。

其中滚动体是滚动轴承的核心元件，它使相对运动表面间的滑动摩擦变为滚动摩擦。

图2-2所示为滚动轴承的结构图，图中D为轴承节径，d为滚动体直径，r1为内环滚道半径，α为接触角，z为滚动体个数，f r为内圈的旋转频率，一般为轴的转频，fα为外圈的旋转频率，ωc为滚动体的旋转角速度，ωb为滚动体的自转角速度。

图2-2滚动轴承结构图
轴承中所产生的振动是随机的，含有滚动体的传输振动，其主要频率成分为滚动轴承的特征频率。

低频段的频谱由于能量较低，常常会淹没在噪声之中，故不可用作诊断。

中频段则主要包括轴承元件表面损伤引起的轴承元件的固有振动频率，分析此频段内的振动信号可以较好地诊断出轴承的局部损伤故障。

高频段信号进行分析也可以诊断出轴承的相应故障。

2.2 齿轮箱振动信号的时域分析与频域分析
在各种齿轮箱故障分析与诊断方法中，以振动检测为基础的齿轮箱故障诊断方法具有测量简便、实时性强等优点，通过测量齿轮箱运行过程中所产生的振动信号，作为故障诊断的重要信息来源，是一种理想的齿轮箱运行监测工具【5】。

目前研究和应用的振动检测与故障诊断的方法可以分为以时域分析和频域分析两种。

2.2.1 时域分析
时域分析方法就是根据信号的时间历程记录波形，分析信号的组成和特征量。

对于离散的时序数据，常用的有量纲幅域参数有：峰值、均值和均方根值【8,9】。

峰值: X max =max⁡|x i | 2-2 均值: |X ̅|=1n ∑|x i |n i=1 2-3
均方根值: X rms =√1n ∑x i 2n i=1 2-4 均值和均方根值都是描述动态信号强度的指标。

幅值的平方具有能量的含义，因此均值表示了单位时间内的平均功率。

无量纲幅域参数为有：峰值指标、裕度指标和峭度指标。

峰值指标: C f =X max
X rms 2-5
裕度指标: CL f =
X max [1n ∑√|x i |n i=1]2 2-6 峭度指标: K v =1n ∑x i
4n i=1X rms 4 2-7
峰值指标表示信号的变化范围，是信号强度的一种描述。

裕度和峭度对信号的冲击较敏感，可以用作齿轮箱的故障诊断，如因齿轮裂纹、滚动轴承故障等在时域波形中就可能引起相当大的脉冲。

2.2.2 频域分析
工程上所测得的信号一般为时域信号，然而由于故障的发生、发展往往会引起信号频率结构的变化，为了通过所测信号来了解、观测对象的动态行为，往往需要频域信息。

将时域信号变换至频域加以分析的方法称为频域分析。

其目的就是把复杂的时间历程波形，经傅立叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息。

常用的频域分析包括频谱分析、细化谱分析和解调谱分析等【7】。

（1）频谱分析 频谱分析中常用的是自功率谱。

自功率谱的定义为：
将时域信号x(t)进行傅里叶变换的：
X (f )=∫x(t)e −j2πft dt +∞
−∞ 2-8
其自功率谱为：
S xx(f)=X∗(f)X(f)2-9 式中：X∗(f)是X(f)的共轭复数。

自功率谱亦可以从自相关函数进行傅里叶积分得到。

（2）细化谱分析细化分析技术是近年来由FFT方法发展起来的一项新技术，是一种用以增加频谱中某些有限部分上的分辨能力的方法，即“局部放大”的方法，可使某些感兴趣的重点频段得到较高的分辨率。

细化分析方法很多，比如Chirp．Z变换、Yip—Zoom变换及相位补偿Zoom—FFT等等【10】，而现在应用比较广的是复调制细化方法以及它的改进算法。

（3）解调谱分析在实际齿轮箱系统中，复杂的幅值调制与频率调制是同时存在的，频谱上出现不同程度的调制边带。

在工程实际中常用复包络分析方法及其改进算法来对齿轮箱的振动信号进行解调分析。

复包络分析方法是利用希尔伯特（Hilbert）变换对齿轮啮合振动信号解调而获得调幅和调相信号，然后求出调幅和调相信号的频谱图，再根据频谱确定齿轮箱故障【11】。

2.3本章小结
对齿轮箱进行故障诊断，就必须了解其基本组成、工作原理、引起齿轮箱振动的主要原因以及振动的性质。

本章首先对齿轮箱故障的主要失效形式进行了介绍，并对齿轮和轴承的故障类型进行了简单的介绍。

随后，简单描述了对齿轮箱的振动信号的处理分析方法，并列出了所需的参数，这将在随后的章节中使用到。