设备故障诊断方法6-齿轮箱监测与诊断
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齿轮的振动诊断原理
6.3.2 齿轮诊断的特征频率
齿轮传动中啮合刚度的周期性变化引起与振动频率、转
速、齿数和重叠系数等有关的参数振动。基于齿形误差的随 机激励，可能引起齿形弹性系统的共振，当齿形出现故障时， 振动加剧并产生新的频率成分—齿轮的特征频率。
1）轴的转动频率及其频谱
轴的转动频率： fr n / 60
频谱分析法及倒频谱分析法等，分析齿轮箱的各种故 障，其产生各故障的原因。
2
3
齿轮故障机理 6.1、齿轮故障机理
➢认识齿轮及齿轮箱的工作特征
4
齿轮和齿轮箱的失效形式和原因
6.2、齿轮和齿轮箱的失效形式和原因
齿轮箱的各类零件中， 失效比例分别为：齿轮 60%，轴承19%，轴10%，箱体7%，紧固件3%； 油封1%。
6.2.1 制造引起的缺陷
制造缺陷包括偏心、周节误差、基节误差、齿形误 差等典型误差，见图6-5。
6.2.2 装配误差引起的缺陷
由于装配技术和装配方法等原因，通常在装配齿轮 时造成“一端接触”和齿轮轴的直线性偏差（不同轴、 不对中）及齿轮的不平衡等异常现象。
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齿轮和齿轮箱的失效形式和原因
6.2.3 运行中产生的故障
8
齿轮的振动诊断原理
6.3、齿轮的振动诊断原理
由于制造、安装及轮齿刚度等问题，齿轮运行中会产生 振动。温度、润滑油中磨损物的含量及形态、齿轮箱的振动 及辐射的噪声、齿轮传动轴的扭转振动和扭矩、齿轮齿根应 力分布等从各个角度反映故障的信息。
6.3.1 啮合齿轮副的振动分析 直齿轮的啮合刚度
k (t) k0 Cs sin(2f zt s ) s 1
➢故障类型和失效比例 损伤发生的概率如下：齿
的断裂41%;齿面疲劳31%；齿 面磨损10%；齿面划痕10%； 其他故障8%。
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齿轮和齿轮箱的失效形式和原因
➢故障原因和特点
齿的断裂 齿面磨损或划痕：粘着磨损；磨粒磨损与划痕；
腐蚀磨损；烧伤；齿面胶合。
齿面疲劳（点蚀与剥落） 齿面塑性变形
7
问题： 1、掌握齿轮的结构，并用自己理解的齿轮结构把齿 轮表示出来（在图中标注基圆，分度圆，齿顶齿根圆 等），写出齿轮的参数？ 2、齿轮箱失效的基本形式及其失效原因分析？
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齿轮的振动诊断原理
3）隐含成分
隐含成分（鬼线）：分布在啮合频率附近的，由加工过 程中滚齿机给齿轮带来的周期性缺陷。
隐含成分的特点
➢由周期性缺陷引起，振动 频谱存在高阶；
➢隐含成分由几何误差引起， 工作载荷对其影响小；
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齿轮的振动诊断原理
4）边频带
边频带：啮合频率或高阶谐频附近存在的等间距频率成 分。主要原因是振动信号的调制。
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齿轮的振动诊断原理
齿轮啮合振动信号 偏心啮合时两齿轮的中心距 齿轮偏心啮合时的振动信号
➢幅值调制；
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齿轮的振动诊断原理
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齿轮的振动诊断原理
➢频率调制和相位调制； 齿轮载荷不来自百度文库匀、齿距不均匀及故障造成的载荷波动，
除了对振动幅值产生影响外，同时也必然产生扭矩波动， 使齿轮转速产生波动。这种波动表现在振动上即为频率调 制（也可以认为是相位调制）。对于齿轮传动，任何导致 产生幅值调制的因素也同时会导致频率调制 。
为啮合频率fz的边频。
k0 Dr sin(2sf et r )
r 1
Cs Dr sin(2sf zt s ) sin(2rf et r )
s 1 r 1
f (0, sf z , rf e , sf z rf e , sf z rf e )
把齿轮视为刚体仅考虑轮齿、轴的弹性，将齿轮视为 弹性圆盘。如果将转轴视为弹性体，还会产生很多固有频 率，并产生相应的共振。
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齿轮的振动诊断原理
正常齿轮的振动特点
(1)时域特征 正常齿轮由于刚度的影响，其波形为周期性的衰减波形。其低频信号
具有近似正弦波的啮合波形，如图1所示。 (2)频域特征 正常齿轮的信号反映在功率上，有啮合频率及其谐波分量，即有nfc
（n＝1,2,…），且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小；同时， 在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波mfr（m＝1，2，…），其频谱 如图2所示。
式中 fz为啮合频率，fz=Zfr,Z为齿轮齿数，fr为齿轮
旋转频率。
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齿轮的振动诊断原理
齿轮系的传动误差
e(t) e0 Dr sin(2fet c ) r 1
式中 fe为传动误差的基频。
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齿轮的振动诊断原理
齿轮系的传动频率组成模型
k (t)e(t)
k0e0
e0
s 1
Cs 多sin组当(频2基率s础f，z激tsf励z-不rsf)为e和零s时fz会+r出fe称现
谐频：
2 fr ,3 fr ,...
2）啮合频率及其频谱
定轴转动齿轮啮合频率： f z z1 fr1 z2 fr2
有固定齿圈行星轮系啮合频率： f z zr ( fr fc ) 12
齿轮的振动诊断原理 齿轮以啮合频率振动的特点
➢振动频率随转速变化而变化； ➢振动展开为傅里叶级数后，一般存在啮合频率的基频； ➢当啮合频率或其高阶谐频接近或等于齿轮的某阶固有频 率时，齿轮产生强烈振动； ➢由于齿轮的固有频率一般较高，但是振幅小、噪声大。
教学内容
0、课程准备 1、绪 论 2、信号分析及处理基础 3、监测与诊断系统 4、旋转机械的振动监测与诊断 5、滚动轴承的故障监测和诊断 6、齿轮箱的监测和诊断
0
教学内容
第六章 齿轮箱的监测与诊断 6.1 齿轮副的特点 6.2 齿轮和齿轮箱的失效形式和原因 6.3 齿轮的振动诊断原理 6.4 齿轮和齿轮箱的监测和诊断方法 6.5 齿轮箱故障的振动诊断实例 6.6 其他分析方法简介
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教学内容
重点与难点 齿轮箱失效的基本形式及其失效原因分析； 齿轮箱的简易诊断； 齿轮箱的振动监测、故障频率特征与精密诊断； 齿轮箱的其他监测诊断方法，如复包络谱分析
法、时序平均法等。
学习目标 了解齿轮箱的失效形式、原因，及其故障频率特征； 掌握齿轮箱的故障特征频率的计算及其频谱特征； 学会用时域分析法、简易诊断法和精密诊断法，如
若载波信号为Asin(2πfct+φ)调制信号为βsin(2πfzt)则频率调制 后的信号为f(t)=Asin［2πfct+βsin(2πfzt)+φ］ ：
用贝塞尔（Besser）函数展开，得到调频信号的特性：调频的振动信 号包含有无限多个频率分量，并以啮合频率 fc为中心，以调制频率 fz为间隔形成无限多对的调制边带 ：
齿轮的振动诊断原理
6.3.2 齿轮诊断的特征频率
齿轮传动中啮合刚度的周期性变化引起与振动频率、转
速、齿数和重叠系数等有关的参数振动。基于齿形误差的随 机激励，可能引起齿形弹性系统的共振，当齿形出现故障时， 振动加剧并产生新的频率成分—齿轮的特征频率。
1）轴的转动频率及其频谱
轴的转动频率： fr n / 60
频谱分析法及倒频谱分析法等，分析齿轮箱的各种故 障，其产生各故障的原因。
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齿轮故障机理 6.1、齿轮故障机理
➢认识齿轮及齿轮箱的工作特征
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齿轮和齿轮箱的失效形式和原因
6.2、齿轮和齿轮箱的失效形式和原因
齿轮箱的各类零件中， 失效比例分别为：齿轮 60%，轴承19%，轴10%，箱体7%，紧固件3%； 油封1%。
6.2.1 制造引起的缺陷
制造缺陷包括偏心、周节误差、基节误差、齿形误 差等典型误差，见图6-5。
6.2.2 装配误差引起的缺陷
由于装配技术和装配方法等原因，通常在装配齿轮 时造成“一端接触”和齿轮轴的直线性偏差（不同轴、 不对中）及齿轮的不平衡等异常现象。
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齿轮和齿轮箱的失效形式和原因
6.2.3 运行中产生的故障
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齿轮的振动诊断原理
6.3、齿轮的振动诊断原理
由于制造、安装及轮齿刚度等问题，齿轮运行中会产生 振动。温度、润滑油中磨损物的含量及形态、齿轮箱的振动 及辐射的噪声、齿轮传动轴的扭转振动和扭矩、齿轮齿根应 力分布等从各个角度反映故障的信息。
6.3.1 啮合齿轮副的振动分析 直齿轮的啮合刚度
k (t) k0 Cs sin(2f zt s ) s 1
➢故障类型和失效比例 损伤发生的概率如下：齿
的断裂41%;齿面疲劳31%；齿 面磨损10%；齿面划痕10%； 其他故障8%。
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齿轮和齿轮箱的失效形式和原因
➢故障原因和特点
齿的断裂 齿面磨损或划痕：粘着磨损；磨粒磨损与划痕；
腐蚀磨损；烧伤；齿面胶合。
齿面疲劳（点蚀与剥落） 齿面塑性变形
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问题： 1、掌握齿轮的结构，并用自己理解的齿轮结构把齿 轮表示出来（在图中标注基圆，分度圆，齿顶齿根圆 等），写出齿轮的参数？ 2、齿轮箱失效的基本形式及其失效原因分析？
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齿轮的振动诊断原理
3）隐含成分
隐含成分（鬼线）：分布在啮合频率附近的，由加工过 程中滚齿机给齿轮带来的周期性缺陷。
隐含成分的特点
➢由周期性缺陷引起，振动 频谱存在高阶；
➢隐含成分由几何误差引起， 工作载荷对其影响小；
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齿轮的振动诊断原理
4）边频带
边频带：啮合频率或高阶谐频附近存在的等间距频率成 分。主要原因是振动信号的调制。
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齿轮的振动诊断原理
齿轮啮合振动信号 偏心啮合时两齿轮的中心距 齿轮偏心啮合时的振动信号
➢幅值调制；
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齿轮的振动诊断原理
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齿轮的振动诊断原理
➢频率调制和相位调制； 齿轮载荷不来自百度文库匀、齿距不均匀及故障造成的载荷波动，
除了对振动幅值产生影响外，同时也必然产生扭矩波动， 使齿轮转速产生波动。这种波动表现在振动上即为频率调 制（也可以认为是相位调制）。对于齿轮传动，任何导致 产生幅值调制的因素也同时会导致频率调制 。
为啮合频率fz的边频。
k0 Dr sin(2sf et r )
r 1
Cs Dr sin(2sf zt s ) sin(2rf et r )
s 1 r 1
f (0, sf z , rf e , sf z rf e , sf z rf e )
把齿轮视为刚体仅考虑轮齿、轴的弹性，将齿轮视为 弹性圆盘。如果将转轴视为弹性体，还会产生很多固有频 率，并产生相应的共振。
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齿轮的振动诊断原理
正常齿轮的振动特点
(1)时域特征 正常齿轮由于刚度的影响，其波形为周期性的衰减波形。其低频信号
具有近似正弦波的啮合波形，如图1所示。 (2)频域特征 正常齿轮的信号反映在功率上，有啮合频率及其谐波分量，即有nfc
（n＝1,2,…），且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小；同时， 在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波mfr（m＝1，2，…），其频谱 如图2所示。
式中 fz为啮合频率，fz=Zfr,Z为齿轮齿数，fr为齿轮
旋转频率。
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齿轮的振动诊断原理
齿轮系的传动误差
e(t) e0 Dr sin(2fet c ) r 1
式中 fe为传动误差的基频。
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齿轮的振动诊断原理
齿轮系的传动频率组成模型
k (t)e(t)
k0e0
e0
s 1
Cs 多sin组当(频2基率s础f，z激tsf励z-不rsf)为e和零s时fz会+r出fe称现
谐频：
2 fr ,3 fr ,...
2）啮合频率及其频谱
定轴转动齿轮啮合频率： f z z1 fr1 z2 fr2
有固定齿圈行星轮系啮合频率： f z zr ( fr fc ) 12
齿轮的振动诊断原理 齿轮以啮合频率振动的特点
➢振动频率随转速变化而变化； ➢振动展开为傅里叶级数后，一般存在啮合频率的基频； ➢当啮合频率或其高阶谐频接近或等于齿轮的某阶固有频 率时，齿轮产生强烈振动； ➢由于齿轮的固有频率一般较高，但是振幅小、噪声大。
教学内容
0、课程准备 1、绪 论 2、信号分析及处理基础 3、监测与诊断系统 4、旋转机械的振动监测与诊断 5、滚动轴承的故障监测和诊断 6、齿轮箱的监测和诊断
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教学内容
第六章 齿轮箱的监测与诊断 6.1 齿轮副的特点 6.2 齿轮和齿轮箱的失效形式和原因 6.3 齿轮的振动诊断原理 6.4 齿轮和齿轮箱的监测和诊断方法 6.5 齿轮箱故障的振动诊断实例 6.6 其他分析方法简介
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教学内容
重点与难点 齿轮箱失效的基本形式及其失效原因分析； 齿轮箱的简易诊断； 齿轮箱的振动监测、故障频率特征与精密诊断； 齿轮箱的其他监测诊断方法，如复包络谱分析
法、时序平均法等。
学习目标 了解齿轮箱的失效形式、原因，及其故障频率特征； 掌握齿轮箱的故障特征频率的计算及其频谱特征； 学会用时域分析法、简易诊断法和精密诊断法，如
若载波信号为Asin(2πfct+φ)调制信号为βsin(2πfzt)则频率调制 后的信号为f(t)=Asin［2πfct+βsin(2πfzt)+φ］ ：
用贝塞尔（Besser）函数展开，得到调频信号的特性：调频的振动信 号包含有无限多个频率分量，并以啮合频率 fc为中心，以调制频率 fz为间隔形成无限多对的调制边带 ：