齿轮传动系统的故障诊断方法研究要点

齿轮传动系统的故障诊断方法研究内容提要: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 (2)

第二章齿轮裂纹故障诊断 (4)

2.1 裂纹产生的原因 (4)

2.2齿轮裂纹分类、特征、原因及预防措施 (4)

2.2.1淬火裂纹 (4)

2.2.2磨削裂纹 (4)

2.2.3疲劳裂纹 (5)

2.2.4轮缘和幅板裂纹 (6)

第三章齿轮故障诊断方法与技术展望 (7)

3.1 齿轮故障诊断的方法 (7)

3.1.1 时域法 (7)

3.1.2 频域法 (7)

3.1.3 倒频谱分析 (8)

3.1.4 包络分析 (8)

3.1.5 小波分析方法 (8)

3.2 齿轮故障诊断技术的展望 (9)

结论 (10)

致谢 (11)

参考文献 (12)

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。

第一章影响齿轮产生振动的因素

1.1 振动的产生

在齿轮的传动啮合过程中，影响齿轮产生振动的原因很多，有大周期的误差也有小周期的误差。产生大周期振动的因素主要是齿轮加工过程中的运动偏心和几何偏心以及安装中的对中不良；产生小周期振动的因素主要有齿轮加工中的主轴回转误差，啮合刚度的变化，齿轮啮入、啮出冲击，以及在运行过程中产生的断齿、齿根疲劳裂纹、齿面磨损、点蚀剥落、严重胶合等等。其中啮合刚度的周期性变化是齿轮系统振动的重要激振源之一。它的周期性变化主要由以下两个原因所致：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。

如图1-1所示，在啮合开始时(A点)，主动轮齿1在齿根处啮合，弹性变形较小；被动齿轮2在齿顶处啮合，弹性变形大，而在啮合终止时(D点)，情况则相反。设齿副I的

啮合刚度为k

1，齿副П的啮合刚度为k

2

，则总的啮合刚度为k=k

1

+k

2

。由图1-1可以看出

总的啮合刚度随着从单啮合区到双啮合区而作周期性的变化。

图1-1 直齿轮啮合刚度变化图

1.2 振动的故障

当齿轮存在大周期故障时，如运动偏心和几何偏心，则仿真出来的齿轮啮合振动信号的频谱图形如图1-2所示。由图中可以知道，随着齿轮大周期误差幅值的增大，谐波分量的幅值也会线性增大。而以啮合频率为中心以旋转频率为间隔的边带频率是由于信号调制产生的，即高频的齿轮啮合频率受到齿轮的旋转频率的调制，且随着大周期误差的增大而增大。

图1-2 齿轮偏心时的频谱图

当齿轮存在诸如点蚀剥落等小周期误差时，则仿真出来的齿轮啮合振动信号的频谱图形如图1-3所示。齿轮在运转过程中存在小周期误差时齿轮的运转速度大小会有所变化，当小周期误差大时这种现象会更加严重。根据频率调制理论可知，齿轮的运转振动信号的频谱图会形成啮合频率及其高次谐波以及分布在它们周围的以旋转频率为间隔的边带成分，它们的振幅随故障的恶化而加大。

图1-3 齿轮点蚀剥落故障时的频谱图

第二章齿轮裂纹故障诊断

2.1 裂纹产生的原因

齿轮出现的裂纹，按其形成特点，可分为两大类:工艺裂纹和使用裂纹。工艺裂纹是生产齿轮的工艺不当而造成的材料缺陷所致，并在一定载荷条件下失稳扩展造成齿轮失效，如铸造裂纹，锻轧裂纹，焊接裂纹、热处理裂纹(邓淬火裂纹)、磨削裂纹等;而使用裂纹是在零件使用过程和环境中产生的，并进而扩展造成齿轮失效，如疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹等。

2.2齿轮裂纹分类、特征、原因及预防措施

2.2.1淬火裂纹

如图2-1

图2-1淬火裂纹

特征：在淬火时产生，多数呈发丝状，有时能自行扩展。裂纹有的沿齿根圆角半径方向，有的在齿的两个端面，也有的穿越齿顶或存在在齿的端面的表面硬化层与心部的交界处。较大裂纹的初始部位常有锈蚀或氧化的痕迹。淬火的裂纹也可能在齿轮使用一段时间后才见到。它常

为其他损伤形式（如疲劳断齿）的根源。

原因：主要是淬火过程中产生过大的内应力。它通常由不合适的淬火工艺，如升温过急、淬火过急、淬火过缓等引起。齿的端面上的裂纹，通常由硬化层与心部交界处的相变不协调引起。

预防措施：根据齿轮材料、尺寸、结构和工作要求制订合理的淬火工艺规程，并严格加以控制，防止淬火速度过高或过低，淬火温度不合适。对淬火后的齿轮应严格检验。2.2.2磨削裂纹

如图2-2