齿轮

对齿轮传动系统进行诊断是自故障诊断技术问世以来一直受到人们普遍重视的课题之一，在各类烟草机械设备中，齿轮传动是最主要的传动方式，齿轮传动系统的运行状态往往直接影响到机械设备是否正常工作。而齿轮传动系统的零部件如齿轮、轴和轴承的加工工艺复杂，装配精度要求高，又常常在高速度、重载荷下连续工作，因此故障率较高，是造成机械设备不能正常运转的常见原因之一。传统采用的定期维修方式由于其无法科学地预见故障，不能从根本上防止故障的发生，而且维修周期太短会增加维修费用和维修时间，造成浪费，也影响了正常使用。因而需对齿轮传动系统进行状态监测及故障诊断，以分析确定齿轮传动系统的工作状态和性能劣化趋势。

在运行过程中，齿轮传动系统内部的零部件会受到机械应力、热应力等多种物理作用，随着时间的推移，这种物理作用的累积，将使齿轮传动系统正常运行的技术状态不断发生变化，可能产生异常、故障或劣化状态。这些作用和变化，又必然会产生内部激励的变化，从而导致相应的振动、声音等二次效应。由于在装配后和运行中无法对齿轮传动系统的关键零部件直接测试，所以根据二次效应得到的齿轮系统状态向量就成为故障信息的重要载体。目前普遍采用的基于振动响应的诊断方法是利用箱体的振动信号作为判断齿轮系统运行状态的信息来源。由于振动响应信号是由齿轮系统的内部激励和箱体的传递特性确定的，而这种诊断方法没有考虑系统的传递特性，所以在故障机理分析、特征提取等方面都存在较难解决的问题。为此，有人提出基于激励分析的故障诊断方法，利用载荷识别技术获得系统的激励信号。由于激励信号中含有多种故障特征，需要将其与系统辨识结果以及响应信号中的故障特征综合起来，采用信息融合技术，综合运用激励分析和响应分析结果，运用小波分析、模糊诊断及人工智能技术，进行关联和归一化处理，以解决复杂机械系统的在线快速诊断的精度和可靠性问题。

1典型故障特征

利用振动理论和试验研究分析了齿轮箱中齿形误差、齿轮均匀磨损、箱体共振、轴轻度弯曲、断齿、轴不平衡、轴严重弯曲、轴向窜动、轴承疲劳剥落和点蚀九种典型故障的振动特征。

1.1齿形误差

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。

齿形误差的主要特征为：

(1)以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制；当齿形误差严重时，由于激振能量较大，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。

(2)振动能量(包括有效值和峭度指示)有一定程度的增大。

(3)包络能量(包括有效值和峭度指示)有一定程度的增大。

1.2齿轮均匀磨损

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(包括有效值和峭度指标)有较大幅度的增加。

(1)齿轮啮合频率及其谐波的幅值明显增大，阶数越高，幅值增大的幅度越大；

(2)振动能量(包括有效值和峭度指标)有较大幅度的增加。

1.3箱体共振

箱体共振时，在谱图上出现了箱体的固有频率成份，一般情况下共振能量很大，而其它频率成份则很小或没有出现。

1.4断齿

断齿时域表现为幅值很大的冲击型振动，频率等于有断齿轴的转频。而频域上在啮合频率及其高次谐波附近出现间隔为断齿轴转频的边频带；边频带一般数量多、幅值较大、分布较宽。解调谱中常出现转频及其高次谐波，甚至出现10阶以上。同时由于瞬态冲击能量大，时常激励起固有频率,产生固有频率调制现象。

断齿的主要特征为：

(1)以齿轮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，调制边频带宽而高，解调谱出现所在轴的转频和多次高阶谐波；

(2)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，调制边频带宽而高，解调谐出现所在轴的转频和多次高阶谐波；

(3)振动能量(包括有效值和峭度指标)有较大幅度的增加;(4)包络能量(包括有效值和峭度指标)有较大幅度的增加。

1.5轴轻度弯曲

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，但其轴向振动能量明显加大。

轴轻度弯曲的主要特征为：

(1)以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制，调制边频带数量少而稀，解调谱上一般只出现所在轴的转频；

(2)如果弯曲轴上有多对齿啮合，则会出现多对啮合频率调制；

(3)振动能量(包括有效值和峭度指标)有一定程度的增加；(4)包络能量(包括有效值和峭度指标)有一定程度的增加。

1.5承疲劳剥落和点蚀

滚动轴承内外环及滚动体疲劳剥落和点蚀后，在其频谱中高频区外环固有频率附近出现明显的调制峰群，产生以外环固有频率为载波频率，以轴承通过频率为调制频率的固有频率调制现象。由于滚动轴承产生的振动在传动箱中与齿轮振动相比能量较小，解调谱中调制频率幅值较小，一般只出现1阶。其啮合的轴的转频30.59Ｈｚ和25.39Ｈｚ为调制频率的边频带，并且转频成分的幅值相当大。

轴有较严重的不平衡时的主要特征：

(1)以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制，调制边频带数量少而稀，解调谱上一般只出现所在轴的转频；

(2)有故障轴的转频成分有较大程度的增加；(3)振动能量(包括有效值和峭度指标)有一定程度的增加；

(4)包络能量(包括有效值和峭度指标)有一定程度的增加。

2诊断策略

为了综合利用典型故障的特征，必须采用对加速度和速度进行两时域（原始时域信号和