齿轮故障的原因及诊断
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图 ４ 是变速器中空档噪声频谱 图。从图中可以看出，在频率 ７９３ＨＺ 附近，存在着许多变频，变频间距 为 ２１．４ＨＺ。对照表 １ 和表 ２ 得知， ７９３ＨＺ 是变速器中一对常啮合齿的 啮合频率，２１．４ＨＺ 是中间轴轴频。 因此根据变频带分析法得知，变 速器中一对常啮合齿轮中的从动 齿轮存在着故障。
Ｂ－ 信号振幅
Hale Waihona Puke Baidu
￠－ 相位
考虑幅值调制，则 Ｂ 是时间的
函数，即
Ｂ（ｔ）＝Ａ（１＋
∞
∑
a n cos
2 π nf m t ）
式中： Ａ－n =常t 数
ｆ － 调制频率 ｍ
ａｎ－ 幅值调制系数 故该幅值调制信号为：
∞
ｆ（ｔ）＝Ａ［（１＋∑ an cos 2πnf mt ）ｃｏｓ（２π
ｆｃｔ＋￠）］ n = t
４．３ 边频带法
在噪声测试中，测得频谱图
得频率成分往往比较丰富，当齿
轮存在偏心或周节误差时，将存
在调制现象，反映在频谱图上，则
在啮合频率附近出现了许多边频。
偏心或周节误差越大，边频谱线
出现得就越多［３］。如正弦信号
ｆ（ｔ）＝Ｂｃｏｓ（２πｆ ｔ＋￠） ｃ
式中：ｆ（ｔ）－ 时间函数的信号
ｆ －载彼频率 ｃ
４ ４ 石 油 和 化 工 设 备 ２００９．０３
故障诊断
ＧＵ ＺＨＡＮＧ Ｚ Ｈ Ｅ Ｎ Ｄ Ｕ Ａ Ｎ
故障，否则即为正常情况。
表 １ 变速器中齿轮啮合频率
４．２ 频谱幅值比较法 当频率成份很丰富，而且幅
位变化激烈时，观察频谱图上特 定频率幅值比较困难，频率有微 小变化，谱线的变化就很大。为了 观察这种情况，并判断出故障，采 用三点取大法［２］。在连续三点与频 率值对应的幅值取大者，用这个 包络线作为判据来判断齿轮的故 障，超过包络线者为故障，否则为 正常。
故障诊断
ＧＵ ＺＨＡＮＧ Ｚ Ｈ Ｅ Ｎ Ｄ Ｕ Ａ Ｎ
齿轮故障的原因及诊断
孔文涛 许益华 （兰州石化公司合成橡胶厂 兰州 ７３００６０）
【摘 要】在分析齿轮可能发生故障的原因和论述齿轮故障的基本特征 及诊断方法的基础上，利用齿轮的噪声特征，采用边频带方法，对变 速器齿轮进行了故障诊断。其结果表明变速器中一对常啮合齿轮中的 从动轮具有偏心和磨损故障。 【关键词】 调制 边频带 噪声特性
（１）磨损； （２ ）表面疲劳； （３ ）塑性变形； （４ ）轮齿折断。 轮齿损伤是较严重的齿轮故 障，一旦出现，工作情况会出现急 剧恶化。产生上述故障的齿轮，都 能够产生很大的振动和噪声，在 振动和噪声频谱上能够相应地反 映出某些特征，因此分析振动和 噪声频谱图就能够诊断出齿轮的 故障。
图 ３ 调制后频谱图 图 ４ 空档噪声频谱图
参考文献
［１］易良榘． 简易振动诊断现场实用技术． 北京机械工业出版社，２００３． ［２］沈庆根．化工机器故障诊断技术。浙江大学出版社，１９９４． ［３］何正嘉等．机械设备非平稳信号的故障诊断原理及应用。北京：高等教育出版 社，２００１．
２００９．０３ 石 油 和 化 工 设 备 ４ ５
４ 齿轮故障的诊断方法
齿轮故障方法有时间信号观 察法和频谱分析法，但时间信号 观察法比较粗略，进行精确诊断 比较困难， 而频谱分析法克服上述 缺点，是目前广泛应用较为有效 的方法［１］。下面介绍几种利用频谱 分析进行故障诊断的方法。
４．１ 观察特定频率处能量的方法
齿轮机构的正常频谱图一般
是确定的，其工作时能量变化不
的诊断己成为可能。
１ 引言
２ 齿轮可能发生的故障
变速器是机械中最基本的装 置， 齿轮是变速器内的基本原件。 齿轮在运转中有可能产生某些故 障。齿轮产生故障后，其传动质量 急剧下降，产生较大的振动和噪 声，将使变速器工作性能下降，甚 至有可能丧失工作能力，因此对 齿轮故障进行诊断，对提高变速 器工作能力，降低齿轮的振动和 噪声都很重要。齿轮的故障，过去 主要是靠有经验的操作者用耳朵 直接倾听运转中齿轮的声响的变 化来判断，该方法的成功与否完 全取决于操作者的实际经验。近 年来，由于测试手段的不断发展 和完善，对齿轮的故障进行精确
３ 齿轮故障的基本特征
齿轮故障分大周期故障和小 周期故障［２］。大周期故障是指以齿 轮的回转频率为基本频率特征的 故障。如偏心、裂纹和断齿等，它 们有的以误差形式影响频谱，有 的则以突变的刚度形式影响响应。 小周期故障是指以轮齿的啮合频 率为基本频率特征的故障如胶合、 点蚀和磨损等，它们大都以变相 位的误差形式影响频谱。其基本
从频谱图中还可以看出，在 ７９３ＨＺ 附近的调制现象比较严重。 根据齿轮故障的基本特征，可以 断定常啮合齿轮中的从动齿轮可 能具有很大的偏心或周节误差缺 陷。经过检验得知，该齿轮具有的 是偏心故障。
通过上述分析，得出了变速 器中常啮合齿轮中的从动齿轮存 在着故障，故障的原因是齿轮偏 心和齿轮轮齿表面磨损。
２．１ 齿轮制造误差引起的故障 齿轮在制造过程中不可避免
的存在误差，但我们可以采取措 施将齿轮制造误差限制在允许的 范围内。如果齿轮制造误差超出 允许的范围，将使齿轮的振动和 噪声增大。虽然这种故障不会严 重影响齿轮运行，但工作情况不 好。
２．２ 齿轮安装误差引起的故障 由于箱体孔的制造误差及装
配过程中所产生的误差，直接影 响齿轮副的相互位置精度，将导 致变速器运转中的振动与噪声。
由齿轮故障的基本特征得知， 正常齿轮与故障齿轮的噪声频谱 有明显差异，正常齿轮频谱图上 啮合频率的峰值很突出，而其谐 波峰值以很大的速度衰减。齿轮 磨损后，齿轮啮合频率及其谐波 的幅值增大很多， 尤其是谐波幅值 增加更多。随着磨损程度的增加， 高阶谐波越来越突出。从图 ４ 中可 以看出，啮合频率 ７９３ＨＺ 的谐波幅 值较大，可以得出常啮合齿轮中 的从动齿轮出现故障的一个原因 是齿面磨损。
将调制前后现象画成图形（ 图
２ 和图 ３）加以观察，可见，调制前
后频率成份并不相同，调制后增
加了几个频率分量，出现了上下
边频。如果有两个齿轮啮合，假设
小齿轮转轴频率为 ｆ１，大齿轮轴频
齿 号 常啮合齿轮 一档齿轮 二档齿轮 三档齿轮 五档齿轮 倒档齿轮
啮合频
７９３
３６４
４５０
６４３
８５７
２７８．６
表 ２ 变速器中转轴的频率
输 出 轴 轴号 输人轴 中间轴 倒档轴
一档 一档 一档 一档 倒档
轴频 ３７．８ ２１．４ １０．３ ６．６７ １３．７
２３
４７．７ ４．３５
率为 ｆ ，其啮合频率为 ｆ 。当调制
２
３
频率间距为 Ｘ 时，故障就存在于小
齿轮上。调制后的边频带频率是：
上限边频带一次为 ｆ ｃ＋ ｆ １，二次为
ｆ ＋２ｆ ，三次为 ｆ ＋３ｆ ……，下限边
ｃ
１
ｃ
１
频带一次为 ｆｃ－ｆ１，二次为 ｆｃ－２ｆ１，三
次为ｆ －３ｆ ……。 ｃ１
同理，如果缺陷存在于大齿
轮上，则边频的间距为 ｆ２。因此，用 此种方法可以在频谱图上查找齿
轮缺陷的信息。
５ 诊断实例
表 １ 和表 ２ 是变速器中各个齿 轮的啮合频率和各个转轴的频率。
会很大，通常用正常谱的能量加
上噪声的能量作为判据，用此来
区分故障信号。Ｈｏｇｇ 给出一个判断
异常信号的公式［３］，即
Ａ （ｆ）＝Ｃ （１．５－ｎ）＋ Ａ（ｆ）
ｃ
１
式中：ｆ－ 重要频率
Ａ （ｆ）－检验频谱振幅 ｃ
Ｃ１－ 常数 ｎ－ 噪声电平
Ａ（ｆ）－ 测量的频谱振幅
在测得频谱图的重要频率处，
如果振幅超过Ａｃ（ｆ），则判定齿轮有
特征表现如下： （１）具有大周期故障的齿轮在
回转频率及其谐波处的振幅随故 障的恶化而加大，而具有小周期 故障的齿轮在啮合频率及其谐波 处的振幅随故障的恶化而加大。
（２）具有大周期故障的齿轮在 啮合频率及其谐波处产生以故障 齿轮的回转频率为间隔的边频带 族，并随着故障的恶化而加剧。
（３ ）具有大周期故障的齿轮， 在啮合频率及其谐波处的振幅与 故障关系不大，而具有小周期故 障的齿轮，在回转频率及其谐波 处的振幅与故障无关。图 １ 显示了 故障齿轮的噪声频率特征。
作者简介 孔文涛（１９７３ —） 工程师，主要从事设备管理工作。
２．３ 轮齿的损伤 由于齿轮制造误差、配置不
良或在不适当的条件下运转，如 齿轮受多次重复载荷作用及冲击、
２００９．０３ 石 油 和 化 工 设 备 ４ ３
故 障 诊 断
图 １ 故障齿轮的噪声颇率特征
图 ２ 调制前频谱图
长期在负荷较大的情况下工作及 润滑不良等，均会使齿轮轮齿产 生种种损伤，按照齿轮的损伤的 发生状态可分为以下四种［１］ ：
Ｂ－ 信号振幅
Hale Waihona Puke Baidu
￠－ 相位
考虑幅值调制，则 Ｂ 是时间的
函数，即
Ｂ（ｔ）＝Ａ（１＋
∞
∑
a n cos
2 π nf m t ）
式中： Ａ－n =常t 数
ｆ － 调制频率 ｍ
ａｎ－ 幅值调制系数 故该幅值调制信号为：
∞
ｆ（ｔ）＝Ａ［（１＋∑ an cos 2πnf mt ）ｃｏｓ（２π
ｆｃｔ＋￠）］ n = t
４．３ 边频带法
在噪声测试中，测得频谱图
得频率成分往往比较丰富，当齿
轮存在偏心或周节误差时，将存
在调制现象，反映在频谱图上，则
在啮合频率附近出现了许多边频。
偏心或周节误差越大，边频谱线
出现得就越多［３］。如正弦信号
ｆ（ｔ）＝Ｂｃｏｓ（２πｆ ｔ＋￠） ｃ
式中：ｆ（ｔ）－ 时间函数的信号
ｆ －载彼频率 ｃ
４ ４ 石 油 和 化 工 设 备 ２００９．０３
故障诊断
ＧＵ ＺＨＡＮＧ Ｚ Ｈ Ｅ Ｎ Ｄ Ｕ Ａ Ｎ
故障，否则即为正常情况。
表 １ 变速器中齿轮啮合频率
４．２ 频谱幅值比较法 当频率成份很丰富，而且幅
位变化激烈时，观察频谱图上特 定频率幅值比较困难，频率有微 小变化，谱线的变化就很大。为了 观察这种情况，并判断出故障，采 用三点取大法［２］。在连续三点与频 率值对应的幅值取大者，用这个 包络线作为判据来判断齿轮的故 障，超过包络线者为故障，否则为 正常。
故障诊断
ＧＵ ＺＨＡＮＧ Ｚ Ｈ Ｅ Ｎ Ｄ Ｕ Ａ Ｎ
齿轮故障的原因及诊断
孔文涛 许益华 （兰州石化公司合成橡胶厂 兰州 ７３００６０）
【摘 要】在分析齿轮可能发生故障的原因和论述齿轮故障的基本特征 及诊断方法的基础上，利用齿轮的噪声特征，采用边频带方法，对变 速器齿轮进行了故障诊断。其结果表明变速器中一对常啮合齿轮中的 从动轮具有偏心和磨损故障。 【关键词】 调制 边频带 噪声特性
（１）磨损； （２ ）表面疲劳； （３ ）塑性变形； （４ ）轮齿折断。 轮齿损伤是较严重的齿轮故 障，一旦出现，工作情况会出现急 剧恶化。产生上述故障的齿轮，都 能够产生很大的振动和噪声，在 振动和噪声频谱上能够相应地反 映出某些特征，因此分析振动和 噪声频谱图就能够诊断出齿轮的 故障。
图 ３ 调制后频谱图 图 ４ 空档噪声频谱图
参考文献
［１］易良榘． 简易振动诊断现场实用技术． 北京机械工业出版社，２００３． ［２］沈庆根．化工机器故障诊断技术。浙江大学出版社，１９９４． ［３］何正嘉等．机械设备非平稳信号的故障诊断原理及应用。北京：高等教育出版 社，２００１．
２００９．０３ 石 油 和 化 工 设 备 ４ ５
４ 齿轮故障的诊断方法
齿轮故障方法有时间信号观 察法和频谱分析法，但时间信号 观察法比较粗略，进行精确诊断 比较困难， 而频谱分析法克服上述 缺点，是目前广泛应用较为有效 的方法［１］。下面介绍几种利用频谱 分析进行故障诊断的方法。
４．１ 观察特定频率处能量的方法
齿轮机构的正常频谱图一般
是确定的，其工作时能量变化不
的诊断己成为可能。
１ 引言
２ 齿轮可能发生的故障
变速器是机械中最基本的装 置， 齿轮是变速器内的基本原件。 齿轮在运转中有可能产生某些故 障。齿轮产生故障后，其传动质量 急剧下降，产生较大的振动和噪 声，将使变速器工作性能下降，甚 至有可能丧失工作能力，因此对 齿轮故障进行诊断，对提高变速 器工作能力，降低齿轮的振动和 噪声都很重要。齿轮的故障，过去 主要是靠有经验的操作者用耳朵 直接倾听运转中齿轮的声响的变 化来判断，该方法的成功与否完 全取决于操作者的实际经验。近 年来，由于测试手段的不断发展 和完善，对齿轮的故障进行精确
３ 齿轮故障的基本特征
齿轮故障分大周期故障和小 周期故障［２］。大周期故障是指以齿 轮的回转频率为基本频率特征的 故障。如偏心、裂纹和断齿等，它 们有的以误差形式影响频谱，有 的则以突变的刚度形式影响响应。 小周期故障是指以轮齿的啮合频 率为基本频率特征的故障如胶合、 点蚀和磨损等，它们大都以变相 位的误差形式影响频谱。其基本
从频谱图中还可以看出，在 ７９３ＨＺ 附近的调制现象比较严重。 根据齿轮故障的基本特征，可以 断定常啮合齿轮中的从动齿轮可 能具有很大的偏心或周节误差缺 陷。经过检验得知，该齿轮具有的 是偏心故障。
通过上述分析，得出了变速 器中常啮合齿轮中的从动齿轮存 在着故障，故障的原因是齿轮偏 心和齿轮轮齿表面磨损。
２．１ 齿轮制造误差引起的故障 齿轮在制造过程中不可避免
的存在误差，但我们可以采取措 施将齿轮制造误差限制在允许的 范围内。如果齿轮制造误差超出 允许的范围，将使齿轮的振动和 噪声增大。虽然这种故障不会严 重影响齿轮运行，但工作情况不 好。
２．２ 齿轮安装误差引起的故障 由于箱体孔的制造误差及装
配过程中所产生的误差，直接影 响齿轮副的相互位置精度，将导 致变速器运转中的振动与噪声。
由齿轮故障的基本特征得知， 正常齿轮与故障齿轮的噪声频谱 有明显差异，正常齿轮频谱图上 啮合频率的峰值很突出，而其谐 波峰值以很大的速度衰减。齿轮 磨损后，齿轮啮合频率及其谐波 的幅值增大很多， 尤其是谐波幅值 增加更多。随着磨损程度的增加， 高阶谐波越来越突出。从图 ４ 中可 以看出，啮合频率 ７９３ＨＺ 的谐波幅 值较大，可以得出常啮合齿轮中 的从动齿轮出现故障的一个原因 是齿面磨损。
将调制前后现象画成图形（ 图
２ 和图 ３）加以观察，可见，调制前
后频率成份并不相同，调制后增
加了几个频率分量，出现了上下
边频。如果有两个齿轮啮合，假设
小齿轮转轴频率为 ｆ１，大齿轮轴频
齿 号 常啮合齿轮 一档齿轮 二档齿轮 三档齿轮 五档齿轮 倒档齿轮
啮合频
７９３
３６４
４５０
６４３
８５７
２７８．６
表 ２ 变速器中转轴的频率
输 出 轴 轴号 输人轴 中间轴 倒档轴
一档 一档 一档 一档 倒档
轴频 ３７．８ ２１．４ １０．３ ６．６７ １３．７
２３
４７．７ ４．３５
率为 ｆ ，其啮合频率为 ｆ 。当调制
２
３
频率间距为 Ｘ 时，故障就存在于小
齿轮上。调制后的边频带频率是：
上限边频带一次为 ｆ ｃ＋ ｆ １，二次为
ｆ ＋２ｆ ，三次为 ｆ ＋３ｆ ……，下限边
ｃ
１
ｃ
１
频带一次为 ｆｃ－ｆ１，二次为 ｆｃ－２ｆ１，三
次为ｆ －３ｆ ……。 ｃ１
同理，如果缺陷存在于大齿
轮上，则边频的间距为 ｆ２。因此，用 此种方法可以在频谱图上查找齿
轮缺陷的信息。
５ 诊断实例
表 １ 和表 ２ 是变速器中各个齿 轮的啮合频率和各个转轴的频率。
会很大，通常用正常谱的能量加
上噪声的能量作为判据，用此来
区分故障信号。Ｈｏｇｇ 给出一个判断
异常信号的公式［３］，即
Ａ （ｆ）＝Ｃ （１．５－ｎ）＋ Ａ（ｆ）
ｃ
１
式中：ｆ－ 重要频率
Ａ （ｆ）－检验频谱振幅 ｃ
Ｃ１－ 常数 ｎ－ 噪声电平
Ａ（ｆ）－ 测量的频谱振幅
在测得频谱图的重要频率处，
如果振幅超过Ａｃ（ｆ），则判定齿轮有
特征表现如下： （１）具有大周期故障的齿轮在
回转频率及其谐波处的振幅随故 障的恶化而加大，而具有小周期 故障的齿轮在啮合频率及其谐波 处的振幅随故障的恶化而加大。
（２）具有大周期故障的齿轮在 啮合频率及其谐波处产生以故障 齿轮的回转频率为间隔的边频带 族，并随着故障的恶化而加剧。
（３ ）具有大周期故障的齿轮， 在啮合频率及其谐波处的振幅与 故障关系不大，而具有小周期故 障的齿轮，在回转频率及其谐波 处的振幅与故障无关。图 １ 显示了 故障齿轮的噪声频率特征。
作者简介 孔文涛（１９７３ —） 工程师，主要从事设备管理工作。
２．３ 轮齿的损伤 由于齿轮制造误差、配置不
良或在不适当的条件下运转，如 齿轮受多次重复载荷作用及冲击、
２００９．０３ 石 油 和 化 工 设 备 ４ ３
故 障 诊 断
图 １ 故障齿轮的噪声颇率特征
图 ２ 调制前频谱图
长期在负荷较大的情况下工作及 润滑不良等，均会使齿轮轮齿产 生种种损伤，按照齿轮的损伤的 发生状态可分为以下四种［１］ ：