齿轮的故障诊断

齿轮的故障诊断

齿轮的故障诊断

一、齿轮的常见故障

齿轮是最常用的机械传动零件，齿轮故障也是转动设备常见的故障。据有关资料统计，齿轮故障占旋转机械故障的10.3%。齿轮故障可划分为两大类，一类是轴承损伤、不平衡、不对中、齿轮偏心、轴弯曲等，另一类是齿轮本身（即轮齿）在传动过程中形成的故障。在齿轮箱的各零件中，齿轮本身的故障比例最大，据统计其故障率达60%以上。齿轮本身的常

见故障形式有以下几种。

1. 断齿

断齿是最常见的齿轮故障，轮齿的折断一般发生在齿根，因为齿根处的弯曲应力最大，而

且是应力集中之源。

断齿有三种情况：①疲劳断齿由于轮齿根部在载荷作用下所产生的弯曲应力为脉动循环交变应力，以及在齿根圆角、加工刀痕、材料缺陷等应力集中源的复合作用下，会产生疲劳裂纹。裂纹逐步蔓延扩展，最终导致轮齿发生疲劳断齿。②过载断齿对于由铸铁或高硬度合金钢等脆性材料制成的齿轮，由于严重过载或受到冲击载荷作用，会使齿根危险截面上的应力超过极限值而发生突然断齿。③局部断齿当齿面加工精度较低、或齿轮检修安装质量较差时，沿齿面接触线会产生一端接触、另一端不接触的偏载现象。偏载使局部接触的轮齿齿根处应力明显增大，超过极限值而发生局部断齿。局部断齿总是发生在轮齿

的端部。

2. 点蚀

点蚀是闭式齿轮传动常见的损坏形式，一般多出现在靠近节线的齿根表面上，发生的原因是齿面脉动循环接触应力超过了材料的极限应力。

在齿面处的脉动循环变化的接触应力超过了材料的极限应力时，齿面上就会产生疲劳裂纹。裂纹在啮合时闭合而促使裂纹缝隙中的油压增高，从而又加速了裂纹的扩展。如此循环变化，最终使齿面表层金属一小块一小块地剥落下来而形成麻坑，即点蚀。

点蚀有两种情况：①初始点蚀（亦称为收敛性点蚀）通常只发生在软齿面（HB＜350）上，点蚀出现后，不再继续发展，甚至反而消失。原因是微凸起处逐渐变平，从而扩大了接触区，接触应力随之降低。②扩展性点蚀发生在硬齿面（HB＞350）上，点蚀出现后，因为齿面脆性大，凹坑的边缘不会被碾平，而是继续碎裂下去，直到齿面完全损坏。

对开式齿轮，齿面的疲劳裂纹尚未形成或扩展时就被磨去，因此不存在点蚀。

当硬齿面齿轮热处理不当时，沿表面硬化层和芯部的交界层处，齿面有时会成片剥落，称

为片蚀。

3. 磨损

齿面的磨损是由于金属微粒、尘埃和沙粒等进入齿的工作表面所引起的。齿面不平、润滑不良等也是造成齿面磨损的原因。此外，不对中、联轴器磨损以及扭转共振等，会在齿轮

啮合点引起较大的扭矩变化，或使冲击加大，将加速磨损。

齿轮磨损后，齿的厚度变薄，齿廓变形，侧隙变大，会造成齿轮动载荷增大，不仅使振动

和噪音加大，而且很可能导致断齿。

4. 胶合

齿面胶合（划痕）是由于啮合齿面在相对滑动时油膜破裂，齿面直接接触，在摩擦力和压力的作用下接触区产生瞬间高温，金属表面发生局部熔焊粘着并剥离的损伤。

胶合往往发生在润滑油粘度过低、运行温度过高、齿面上单位面积载荷过大、相对滑动速度过高、接触面积过小、转速过低（油带不起来）等条件下。齿面发生胶合后，将加速齿

面的磨损，使齿轮传动很快地趋于失效。

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二、齿轮故障的特征信息

由于结构和工作原理上的一些特点，齿轮的振动信号较为复杂，在对其进行振动故障诊断时，往往需要同时在时域和频域上进行分析。齿轮故障的特征频率基本上由两部分组成：一部分为齿轮啮合频率及其谐波构成的载波信号；另一部分为低频成分（主要为转速频率）的幅值和相位变化所构成的调制信号。调制信号包括了幅值调制和频率调制。下面将分别介绍各特征成分及其所对应的故障类型，并分析其产生的原因。

1. 啮合频率及其谐波

齿轮传动的特点是，啮合过程中啮合点的位置和参与啮合的齿数都是周期性变化的，这就造成了齿轮轮齿的受力和刚度成周期性变化，由此而引起的振动必然含有周期性成分，反映这个周期性特征信息的就是啮合频率及其高次谐波。

齿轮在啮合过程中，齿面既有相对滚动，又有相对滑动。如下图所示，主动轮上的啮合点由齿根移向齿顶，随啮合半径逐渐增大，速度逐步增高；而从动轮上的啮合点由齿顶移向齿根，速度逐步降低。两轮速度上的差异形成了相对滑动。节点处，两轮速度相等，相对滑动速度为零。在主动轮上，齿根与节点之间的啮合点速度低于从动轮上的啮合点速度，因此滑动方向向下；而在节点与齿顶之间的啮合点速度高于从动轮，滑动方向向上。主动轮、从动轮都在节点处改变了滑动方向，也就是说，摩擦力的方向在节点处发生了改变，形成了节线冲击。齿轮啮合过程中，除了啮合点位置变化引起的节线冲击外，更为重要的是由于参与啮合的齿数变化而引起的啮合冲击。对于重叠系数在1~2之间的渐开线直齿轮，在节点附近是单齿啮合，在齿根、齿顶附近是双齿啮合。显然，双齿啮合时载荷小、刚度大，单齿啮合时载荷大、刚度小，见右图。也就是说，即使齿轮所传递的是恒定扭矩，但当每对齿在脱离啮合或进入啮合时，轮齿上的载荷和刚度都要发生突然增大或减小，从而形成啮合冲击。对于重叠系数低的直齿，啮合冲击尤为显著，其作用力和刚度变化基本上呈矩形波，见右图。对于斜齿，由于其啮合点是沿齿宽方向移动的，啮合过程的变化较为平缓，刚度变化接近正弦波。因此，轮齿的啮合冲击和啮合刚度的变化取决于齿轮的类型和重叠系数。

显然，齿轮的啮合冲击、节线冲击、啮合刚度的变化是周期性的，而这个周期性变化的频率，就是转速频率f与齿数z的乘积（每秒针的变化圈数由转速频率定，每圈的变化次数由齿数定，乘积就是每秒针的变化次数），也就是啮合频率fm，即

fm＝f1?z1＝f2?z2

式中，f1 、f2 ～主动轮、从动轮的转速频率；z1、z2 ～主动轮、从动轮的齿数。

啮合频率在齿轮故障诊断中具有极为重要的意义。

实际上，在一个1/fm啮合周期中，发生了进入啮合、脱离啮合、节线冲击等多次冲击过程，

因此在齿轮的振动信号中必然包含了啮合频率fm及其高次谐波2fm、3fm、…成分。

无论齿轮处于正常状态还是故障状态，在齿轮的振动信号中，啮合频率fm这一振动分量始终都是存在的，只是两种状态下的振幅值大小是有差异的。齿轮啮合情况良好，啮合频率及其谐波的幅值相对较低。啮合频率及谐波的幅值增大，除了可能与载荷变化等因素有关外，齿轮侧隙不当往往是最直接、最主要的影响因素。造成侧隙不当的具体原因是多样的，除了制造、安装等原因外，齿面磨损也是主要原因之一。

特别需要指出的是，轮齿表面发生均匀性磨损后，不仅侧隙变大，而且齿廓（渐开线齿、圆弧齿）形状受到破坏，从而使啮合时的各种冲击增大、啮合刚度降低，将引起通频振幅值增大，其中，啮合频率及其谐波幅值的增长最明显。更值得注意的是，啮合频率的高次谐波幅值增长得比基波还快，如右图所示。磨损严重时，二次谐波的幅值可能超过啮合基波。因此，从啮合频率及其谐波幅值的相对增长量上可以反映出齿面的磨损程度。

2. 信号调制和边带分析

齿轮的各种故障在运行中都具体表现为一个传动误差，即齿轮在传递恒定扭矩时，输出轴的实际角位置，与理想的、没有误差和变形时输出轴角位置的差值，这个差值就构成了齿轮振动和噪音的主要激发源。传动误差大，齿轮进入和脱离啮合时的碰撞就加剧，就会产生较高的振动峰值，并且形成短暂时间的幅值变化和相位变化。幅值变化产生幅值调制，相位变化产生频率调制。不同故障产生不同的调制形式，以下将作具体说明。

1) 幅值调制

齿轮的幅值调制是由于齿面上的载荷波动、齿轮加工误差（如齿距不均）、齿轮偏心以及齿轮故障所产生的局部性缺陷和均布性缺陷等因素引起的。

按信号处理观点，幅值调制相当于两个信号在时域上相乘，转换到频域上，就相当于对应两个频谱的卷积，如下图所示。其中频率相对较高的称为载波频率，频率较低的称为调制频率。对于齿轮信号来说，通常啮合频率为载波频率，齿轮的旋转频率为调制频率。

对于简谐振动的幅值调制原理可作如下说明。

设代表齿轮啮合频率的载波信号为g(t)=Asin(2πfmt+φ)

代表齿轮旋转频率的调制信号为e(t)=1+Bcos2πfet

则调幅后的振动信号为x(t)=g(t)?e(t)=A(1+Bcos2πfet)sin(2πfmt+φ)

式中，A～载波信号的振幅； B～调制指数； fm～载波频率（啮合频率）；

fe～调制频率（旋转频率）；φ～初相角。

上式展开后，得x(t)=Asin(2πfmt+φ)+(1/2)ABsin[2π(fm+ fe)t+φ]

+(1/2)ABsin[2π(fm－fe)t+φ]

这样，调制后的信号，除了原来的啮合频率分量fm之外，还增加了一对啮合频率与旋转频率的和频(fm+ fe)与差频(fm－fe)。在频谱图上，它们是以啮合频率fm为中心，以旋转频率fe为间隔，以(1/2)AB为幅值，对称分布于fm两侧，称为边频带，简称边带，如右图（c）所示。

如果调制信号e(t)不是一个简谐波，而是由多频率成分构成的周期信号，则e(t)的每一个频率分量都将产生一边带，形成了边带族，如右图所示。

由于系统传递特性的影响，以及还存在频率调制，频谱图上实际的边频成分不会像右图所示

的如此对称。然而，边频带的分布形状主要还是取决于调制信号，而且正是调制信号反映了齿轮的各种传动误差和故障状况。

根据边带的形状，可以分辨出齿轮存在着局部性缺陷还是分布性缺陷。

如果发生断齿或大的剥落等局部性缺陷，当啮合点进入缺陷处时，相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲的长度等于齿轮的啮合周期Tm＝1／fm。齿轮每转动一周，脉冲就重复一次。由于脉冲可以分解为许多正弦分量之和，因此在频谱图上形成以载波频率fm、2 fm、3 fm、…为中心的一系列边频。其特点是边频数量多、范围广、数值小、分布均匀且较为平坦，并且每一边频之间的间隔等于齿轮的旋转频率。见上图（a）所示。

如果在齿轮上存在点蚀、划痕（胶合）等分布比较均匀的缺陷，调制频率的成分虽然较多，但在时域上是一条幅度变化较小、脉动周期较长的包络线，因此频谱图上边频带的特点是分布比较高而窄，而且幅值变化起伏较大。见上图（b）所示。

总之，齿轮缺陷越集中，边带就越低、越宽、越平坦；缺陷越均布，边带就越高、越窄、越起伏大。

2) 频率调制

频率调制（也可认为是相位调制）就是载波信号受到调制信号的调制作用后所形成的变频信号。

齿轮的转速波动、加工中分度误差而导致的周节误差等因素，都会引起啮合速率的变化而产生频率调制现象。齿轮故障缺陷造成的齿面载荷波动，在产生幅值调制的同时，还会造成扭矩波动，导致角速度变化而形成频率调制。

若载波信号为Asin(2πfmt+φ),调制信号为βsin(2πfrt+φ)，频率调制可表示为x(t)=Asin[2πfmt+βsin(2πfrt)+φ]

式中，fm～载波频率（啮合频率）； fr～调制频率（齿轮的转速频率）；

β～频率调制指数，即调制所产生的最大角位移（相位移），β＝? fm/fr；

? fm～最大频率偏差值。

借助于贝塞尔函数，上式可展开为如下形式的无穷级数：

x(t)=(A/2){J0(β)sin[2πfmt+φ]

+J1(β)sin[2π(fm－fr )t+φ]+J1(β)sin[2π(fm+fr )t+φ]

+J2(β)sin[2π(fm－2fr )t+φ]+J2(β)sin[2π(fm+2fr )t+φ]+…｝

式中，Jn(β)～以为自变量的第n阶贝塞尔系数，n＝0,1,2,3,…。

根据上式可知，调频振动信号中包含有无限多个频率分量，其中第一项J0(β)为载波分量，第二项J1(β)有一阶上边带分量和下边带分量，第三项J2(β)有二阶上边带分量和下边带分量，…。它们是以载波频率fm为中心，以调制频率fr为间隔，形成对称分布的无限多对的边带，如下图所示。

齿轮振动信号的幅值调制与频率调制有三个共同点：

①载波频率相等（为啮合频率）；

②边带频率间隔相等（为齿轮的旋转频率）；

③边带对称分布于载波频率两侧。

与幅值调制的一个不同之处是，频率调制之后信号的包络线不变，即调制后的总能量保持不变，这相当于把载波频率上的能量分散到边频上去了。

必须说明，实际频谱图上的齿轮调制边带并不是对称分布的，见右图。这是因为，调幅与调频现象总是同时存在的，实际频谱图上的边频成分，是两种调制各自作用时所产生的边频成分的叠加。由于边频成分的相位并不相同，向量叠加后，某些边频幅值增加了，某些反而降低了，因此破坏了原有的对称性。

3. 齿轮振动信号的其它成分

1) 附加脉冲

有时在齿轮的时域总信号上可以看到幅值上下两端的包络线不对称，彼此差别很大，这种载波信号与零线呈不对称形状，往往是由齿轮旋转频率的低次谐波引起的，称为附加脉冲，如右图所示。图中（a）为不对称于零线的总信号，将其分解，可得到附加脉冲信号（b）和原始调幅信号（c）。附加脉冲是由轮齿以外的故障而引起的，如齿轮不平衡、不对中和机械松动等。这些故障的特征频率都是旋转频率的低次谐波，均远远小于啮合频率。因此，附加脉冲与轮齿本身的缺陷一般无关。附加脉冲和特征信号的区分较容易。在时域上，附加脉冲是直接叠加在齿轮的常规振动上，而不是以调制的形式出现；在频域上，附加脉冲只出现在频率较低的旋转频率的低次谐波段，它不可能在啮合频率两边形成边带。

2) 隐含成分

隐含成分又称“鬼线”，是在新齿轮的频谱图上，除旋转频率、啮合频率及其边频之外，最初出现的一些来历不明的频率成分及其谐波。而实际上是齿轮加工机床分度齿轮误差传递到被加工的齿轮上，所造成的周期性缺陷。研究表明，隐含成分的频率就是加工机床分度齿轮的啮合频率。

可以根据隐含成分的以下特点，来判断未知频率是否为隐含成分（鬼线）：

①隐含谱线为旋转频率的谐波，总是出现在啮合频率的附近，见左下图；

②载荷变化对它的影响很小，见左下图；

③随跑合时间的增长，磨损使缺陷趋向均匀，隐含成分及其谐波会逐渐减小，而啮合频率及其谐波成分逐渐增大。右下图为一个典型的例子，运转一个月后，隐含成分由123dB下降为113dB，啮合频率的幅值由116dB上升到123dB。

3) 滚动轴承信号及交叉调制

当齿轮的支承轴承为滚动轴承时，齿轮振动信号中当然会含有滚动轴承的振动信号。然而，在正常情况下，滚动轴承的振动能量水平明显低于齿轮，一般要小一个数量级。所以，在齿轮振动频率范围内（0~5kHz），滚动轴承的频率成分很不明显。

但是，当滚动轴承出现比较严重的故障时，在齿轮振动频段内就会出现较为明显的滚动轴承故障特征频率成分。这些成分有时单独出现，有时表现为和齿轮振动成分的相互交叉调制，

出现和频与差频成分。和频及差频成分并不是独立的，当产生它们的基本频率成分改变时，它们也会跟着改变。

4. 齿轮常见故障与特征频率及其谐波、以及边频带的小结

综上所述，齿轮故障的频率成分是十分复杂的，都是一些宽频带信号。根据一些资料介绍，现将齿轮常见故障与特征频率及其谐波、以及边频带的关系，作以下小结：

①轮齿的均匀性磨损、齿侧间隙过大以及齿轮载荷过大等原因引起的故障，将增加啮合频率fm及其高次谐波2fm、3fm、…频率分量的幅值，并不产生边带。其中，磨损时，啮合频率高次谐波的幅值增量更大；磨损严重时，二次谐波的幅值甚至超过啮合频率基波的幅值。

②齿轮偏心、齿距周期性变化及载荷波动等不均匀的分布故障，将产生幅值调制和频率调制，从而在啮合频率及其谐波两侧形成边频带，边带的间隔频率是有缺陷齿轮的转速频率。其中，齿轮偏心一般只出现下边带（差频）fm－n fe （n＝1,2,3,…），上边带一般很少出现。

③断齿、齿面剥落及裂纹等集中缺陷的局部性故障，将引起周期性的冲击脉冲，同样产生幅值调制和频率调制。例如，若小齿轮出现一处断齿或两处剥落，则小齿轮每旋转一圈，将产生一次或两次明显的周期性碰撞冲击。在此类情况下，啮合频率为脉冲频率所调制，在啮合频率及其谐波两侧形成一系列边频带，边带的特点是边频数量多、范围广、分布均匀且较为平坦。此外，严重的局部断齿还会导致旋转频率及其谐波的幅值增加。断齿的主要特征还是齿轮的旋转频率和啮合频率的幅值产生明显增长。

④点蚀、划痕（即轻度的胶合）等分布比较均匀的缺陷，同样也将产生周期性冲击脉冲和调幅、调频现象。但是，与断齿等局部故障的不同之处是，其在啮合频率及其谐波两侧分布的边带阶数少而集中，边带特点是高而窄、幅值变化起伏大。然而，随故障发展、程度恶化，其图形也将发生变化。

⑤齿的断裂或裂缝，在进入啮合时就会产生一个冲击，这种冲击可能激起齿轮的固有频率（自振频率）。但由于齿轮的固有频率一般都为1~10kHz的高频，此高频成分传递到齿轮箱壳体上时，基本上已被衰减掉，多数情况下只能测到啮合频率和调制的边频。

三、齿轮故障的诊断方法

由于齿轮故障症状及其信号的复杂性，因此在对齿轮进行故障诊断时，需要在尽可能地消除噪声干扰、提高信噪比的前提下，提取出清晰故障特征信息。常用的方法有以下几种。

1. 细化谱分析法

细化谱分析法是通过采用频率细化技术来增加频谱图中某些频段上的频率分辨率，即所谓的“局部频率扩展”法。

在齿轮故障信号中，调制后得到的边频含有丰富的故障信息，但是在一般的频谱图上往往又找不出清晰、具体的边频，究其原因是频谱图的频率分辨率太低。频谱图上的频率分辨率则是由谱线和最高分析频率决定的，行业内对此有定规，具体关系为下式所示：

? f＝fc/n= fs/N

式中，? f～频率间隔，即频率分辨率；

fc～分析频率范围，即最高分析频率；

fs～采样频率，为避免频率混淆，fs＝（2.56 ~ 4）fc，一般为fs＝2.56 fc；

n～谱线条数，为定值，分有100线、200线、400线、800线四档；

N～采样点数，N＝2.56n，分有256点、512点、1024点、2048点四档。

由于齿轮的啮合频率及其谐波的频率很高，从而使分析频率范围fc不得不很高，也就引起频率间隔?f很大，即频率分辨率很低，因此造成边频较难显现及分辨。而细化谱分析法只是对某些部分频段沿频率轴进行放大，好像放大镜一样，把频谱图上某些感兴趣的局部区域放大，从而得到频率分辨率很高的细化谱，见右图。这样，就可以通过观察细化后的边带结构，去寻找故障的特征信息。

2. 倒频谱分析法

频谱图的幅值有两种表示方法：一种是以振幅形式表示，称为幅值谱；另一种以能量形式表示，称为功率谱。功率谱是用来研究各频率成分的能量在频域上的分布。

频谱图纵坐标的刻度也有两种表示方法：一种是线性坐标，另一种是对数坐标。线性坐标的优点是直观，缺点是不能同时显示数值相差很大的成分；而对数坐标恰恰相反，可以同时显示出数值相差很大（1000倍，甚至更高）的频率成分，但这些成分之间是不成线性比例关系的。

幅值谱的纵坐标为线性坐标，功率谱的纵坐标一般为对数坐标。

对数坐标以分贝[dB]表示，其定义为

Ad=20 lg(A/Ar) 或 Ad=10 lg(A2/Ar2)

式中，Ad～基准幅值（或参考幅值），常取Ad＝1V，对无量纲量取Ad＝1 A～幅值，单位与Ad相同。

由上式可知，分贝值为6，幅值之比为2，即人们常说的“6个分贝翻一翻” ；分贝值为20，幅值之比为10；分贝值为60，幅值之比为1000。

倒频谱的定义是功率谱对数的功率谱。其表示式为

C(τ)={F-1[logG(f)]}2

式中，G(f)～时间信号fz的功率谱，即G(f)={F[fz(t)]}2

τ～倒频谱的时间变量，称为倒频率。

倒频谱的纵坐标与频谱可采用相同的单位，而横坐标为倒频率，单位为毫秒[ms]。

倒频谱分析法在齿轮故障诊断中具有特殊的作用，特别是用在边频带的分析上。因为，实际齿轮箱振动信号的频谱图是十分复杂的，当有几个边频带相互交叉分布在一起时，仅依靠频率细化分析法是不够的，往往难以看出边频带的结构。而倒频谱则能够较为清晰地显示出频谱图中的周期性结构成分——边频。

如果把一个复杂的频谱看着为一个时间历程信号，如右图（a）所示，在啮合频率及其谐波周围分布着很多边带，边带的间隔频率就是故障频率，故障频率的谐波阶次越高，其振幅值越小，则谐波峰值的平均包络线接近于一个周期波。对此功率谱图再作一次谱分析（即进行傅里叶逆变换），转换到一个新域里，从而把周期性的频率结构很清楚地显现出来，如上图(b)所示，这就是倒频谱分析方法。倒频谱是对原频谱图上周期性频率结构成分的能量作了

又一次集中，并在功率的对数转换时给低幅值分量有较高的加权，而对高幅值分量以较低的加权，结果是突出了小信号周期。因此，利用倒频谱图可以有效地识别频谱上的周期成分。这是倒频谱分析的第一个优点。

倒频谱分析的第二个优点是受信号传输路径的影响很小。传感器在齿轮箱上的安装位置不同，信号传递的途径不同，形成了不同的传递函数，这些传递函数反映在输出谱上的结果是不同的，有时会使有的频率成分幅值相差十分悬殊，造成故障特征信息的误抓、漏抓。然而，不同传输路径的信号在经过倒频处理后，两个倒频谱图上一些倒频率较高的重要成分几乎完全相同，这就给齿轮箱故障诊断提供了十分有利的条件。

此外，由于幅值调制和频率调制的同时存在以及两种调制在相位上的变化，使边频具有不稳定性，造成在功率谱图上往往得不到对称的边频带，给识别边频带增添了困难。然而，在倒频谱图上，代表调制程度的幅值却不受稳定性的影响。两振动信号调制后，即使在功率谱上对应位置的边频幅值相差很大，但是，相位差给它们在频谱上带来的影响完全不会在倒频谱上反映出来，在倒频谱图上，这两个振动信号的倒频谱峰值完全相同。

齿轮故障诊断

第1章齿轮箱失效比重及失效形式 齿轮箱在机械设备中扮演着非常重要的角色，通常情况下，原动机输出的转矩和转速不能直接用于执行元件执行操作，需要进行转矩放大和降低转速，通常使用的传动设备有齿轮减速箱、带传动、链传动等，由于齿轮箱传动瞬时传动比恒定、传动效率高、工作可靠、使用寿命长、结构紧凑、适用范围从1W到数万KW等优点，所以齿轮箱传动是机械传动系统中运用最广泛的一种传动形式。 1.1 齿轮箱失效原因及比重 机械设备中的齿轮箱从装配投入使用开始，除了设备维护以外，齿轮箱都需要保持一个稳定的运行状态，长期的高负荷运转使齿轮箱的故障率非常大，在机械设备中，造成齿轮箱故障的原因及失效比重如下表所示： 由此可见，齿轮箱失效主要的原因是维护和操作不当，相邻的零件故障也会造成齿轮箱的故障，设计不合理也是严重影响齿轮箱使用的重要因素，为保障机械设备在运行中稳定可靠，除了合理设计齿轮箱外，正确选择相邻零件、合理操作维护是保障稳定运行的重要手段。当出现故障时，能够准确找出故障是对齿轮箱维护的重要前提，因此，掌握齿轮箱故障诊断技术非常重要。 1.2 齿轮箱失效零件及失效比重 在齿轮箱中，失效的主要零件及失效比重如下表所示：

由此可见，齿轮失效是造成齿轮箱失效的主要原因，由于制造误差、装配不当或在不适当的条件（如载荷、润滑等）下使用，齿轮常发生损伤，从而导致机械设备不能够用稳定运行，甚至发生生产安全事故。 1.3 齿轮的主要失效形式 齿轮的主要失效形式有四种：轮齿断裂、齿面磨损、齿面疲劳、齿面塑性变形。 1.31 轮齿折断 齿轮副在啮合传递运动时，主动轮的作用力和从动轮的反作用力都通过接触点分别作用在对方轮齿上，最危险的情况是接触点某一瞬间位于轮齿的齿顶部，此时轮齿如同一个悬臂梁，受载后齿根处产生的弯曲应力为最大，若因突然过载或冲击过载，很容易在齿根处产生过负荷断裂。即使不存在冲击过载的受力工况，当轮齿重复受载后，由于应力集中现象，也易产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿在齿根处产生疲劳断裂。 轮齿的断裂是齿轮的最严重的故障，常因此造成设备停机，在齿轮故障中，轮齿折断概率为41%。 1.32 齿面磨损 （1）粘着磨损在低速、重载、高温、齿面粗糙度差、供油不足或油粘度太低等情况下，油膜易被破坏而发生粘着磨损。润滑油的粘度高，有利于防止粘着磨损的发生。 （2）磨粒磨损与划痕含有杂质颗粒以及在开式齿轮传动中的外来砂粒或在摩擦过程中产生的金属磨屑，都可以产生磨粒磨损与划痕。 （3）腐蚀磨损由于润滑油中的一些化学物质如酸、碱或水等污染物与齿面发生化学反应造成金属的腐蚀而导致齿面损伤。 （4）烧伤烧伤是由于过载、超速或不充分的润滑引起的过分摩擦所产生的局部区域过热，这种温度升高足以引起变色和过时效，会使钢的几微米厚表面层重新淬火，出现白层。损伤的表面容易产生疲劳裂纹。 (5)齿面胶合大功率软齿面或高速重载的齿轮传动，当润滑条件不良时易产生齿面胶合（咬焊）破坏，即一齿面上的部分材料胶合到另一齿面上而在此齿面上

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。

机械故障诊断之齿轮故障小议

机械故障诊断之齿轮故 障小议 集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-

机械故障诊断之齿轮故障小议随着时代的不断发展，机械已日益成为生产过程中不可或缺的一部分。而机械的高性能化、高自动化、高效率化是现代机械的一个重要发展方向。齿轮作为传动机械设备中至关重要的部件，它不仅关乎机械的正常运转，且对整个生产过程的进度与经济效益等产生巨大影响。而齿轮发生故障又是常出现的事件，因此，加大对齿轮出现故障的原因与解决方法的研究尤显必要。本文将针对此进行粗略探讨。 现代化的不断发展让机械设备也日益朝着大型化、复杂化方向发展，其设备的构造与操作原理也愈加复杂。齿轮是机械设备中用来传递动力的重要部件，而齿轮故障又时常发生，这无疑会对机械的整体运作产生不利影响。所以，有必要对齿轮故障进行分析，并能理论联系实际，通过实际案例来寻求解决方法，从而做到故障出现时能及时解决并予以防范。 机械设备中齿轮常见故障分析 齿轮在机械设备中有个重要作用，这就是它能传递运动，而且能控制运动方向，影响运动速度。而为更好地调控齿轮运转速度，就需要齿轮减速机装置的安装。我们知道，与齿轮减速机有关的几个主要频率为轴频、齿轮的啮合频率、轴承的内外圈、滚动体、保持架的频率，它们与

“谐频”、“边频”相结合，成为对齿轮减速机故障判定的依据。同时，与齿轮减速机有密切关系的是齿轮振动，且通过齿轮振动是判断齿轮故障的一个重要方式。因此，笔者将重点针对齿轮减速与齿轮振动的有关故障开展具体探讨。 2.1齿轮振动发生故障的一个重要原因是齿轮在生产与安装中存在失误。生产齿轮是齿轮得以发挥自身作用的首要条件，而生产制作中的微小误差就能导致齿轮的啮合精度降低，从而带来齿轮的振动和噪声增大，这些问题的出现无疑会提高齿轮的故障率[2]。因而，我们的相关机械使用单位应对齿轮的生产源与齿轮安装予以极大关注。 2.2齿轮振动出现故障的另一个原因是与齿轮的工作环境适宜度有关。因不同的工作环境在空气湿度、空气质量、温度等方面都存在差异。而齿轮作为现代化机械，其对工作环境有一定要求。因齿轮在啮合过程中，齿与齿连续冲击使齿轮产生受迫振动，如果此时其工作环境存在高湿度或其他不利影响，就会对齿轮的正常振动带来不利影响。为减少此种不必要的失误，我们的机械使用单位就应提前做好齿轮工作环境的净化工作。 2.3齿轮运行过程中存在因所使用到的润滑剂质量不达标而导致齿轮故障的现象。齿轮的运转少不了润滑剂的调节，有些单位为减少经济成本投入而使用不够清洁的润滑剂，或者使用的润滑剂不足，这些情况无疑会

齿轮故障诊断方法综述

齿轮故障诊断方法综述 摘要齿轮就是机械设备中常用得部件,而齿轮传动也就是机械传动中最常见得方式之一。在许多情况下,齿轮故障又就是导致设备失效得主要原因。因此对齿轮进行故障诊断具有非常重要得意义。介绍了故障得特点与几种诊断方法,并比较了基于粒子群优化得小波神经网络,基于相关分析与小波变换,基于小波包与BP神经网络与基于小波分析等故障诊断方法得优缺点,并提出了齿轮故障诊断得难点与发展方向。 关键字齿轮故障诊断诊断方法分析比较发展

目录 第一章齿轮故障诊断发展及故障特点 (1) 1、1 齿轮故障诊断得发展 (1) 1、 2齿轮故障形式与震动特征 (1) 第二章齿轮传动故障诊断得方法 (2) 2、 1高阶谱分析 (2) 2、1、1参数化双谱估计得原理 (3) 2、1、2试验装置与信号获取 (3) 2、1、3 故障诊断 (4) 2、1、4 应用双谱分析识别齿轮故障 (4) 2、2基于边频分析得齿轮故障诊断 (6) 2、2、1分析原理 (6) 2、2、2铣床振动测试 (6) 2、2、3 边频带分析 (7) 2、2、4 故障诊断 (8) 2、 3时域分析 (10) 2、3、1 时域指标 (10) 2、3、2非线性时间分析 (10)

第一章齿轮故障诊断发展及故障特点 1、1 齿轮故障诊断得发展 齿轮故障诊断始于七十年代初,早期得齿轮故障诊断仅限于在旋转式机械上测量一些简单得振动参数,用一些简单得方法进行诊断。这些简单得参数与诊断方法对齿轮故障诊断反应灵敏度较低,根本无法准确判断发生故障得部位。七十年代末到八十年代中期,旋转式机械中齿轮故障诊断得频域法发展很快,其中R、B、Randall与James1、Taylor等人做好了许多有益得工作,积累了不少故障诊断得成功实例,出现了一些较好得频域分析方法,对齿轮磨损与齿根断裂等故障诊断较为成功。进入九十年代以后,神经网络、模糊推理与网络技术得发展与融合使得齿轮系统故障诊断进入了蓬勃发展得时期。 我国学者在齿轮故障诊断研究方面也做了大量工作。1986年,屈梁生、何正嘉在《机械故障诊断学》中分析了齿轮故障得时频域特点。1988年,颜玉玲、赵淳生对滚动轴承得振动监测及故障诊断进行了分析。1997年,郑州工业大学韩捷等在“齿轮故障得振动频谱机理研究”中对齿轮得故障机理做了探讨。西安交通大学张西宁等在“齿轮状态监测与识别方法得研究”中提出了一种新方法即基于一致度分析。 1、 2齿轮故障形式与震动特征 通常齿轮在运转时,由于制造不良或操作维护不善会产生各种形式得故障。故障形式又随齿轮材料、热处理、运转状态等因素得不同而不同,常见得齿轮故障形式有齿面磨损、齿面胶合与擦伤、齿面接触疲劳与弯曲疲劳与断齿。 在齿轮运转状态下,伴随着内部故障得发生与发展,必然会产生振动上得异常。实践证明,振动分析就是齿轮故障检测中最有效得方法。若齿轮副主轮转速为n1,齿数为z1,频率为f1;从轮转速为n2,齿数为z2,频率为f2,则齿轮啮合频率fC 为:fC=Nf1z1=Nf2z2=Nn160z1=Nn260z2(1) 式中:N=1, 2, 3,…。齿轮处于正常或异常状态下,啮合频率振动成分及其倍频总就是存在得,但两种状态下得振动水平有差异。如果仅仅依靠对齿轮振动信号得啮合频率及其倍频成分得差异来识别齿轮得故障就是不够得,因故障对振动

论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法分析

一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法 一、齿轮啮合频率的机理 由齿轮传动理论可知，渐开线齿廓齿轮在节点附近为单齿啮合，而在节线的两边为双齿啮合，啮合区的大小则由重叠系数ε决定。因此，每对轮齿在啮合过程中承受的载荷是变化的，从而引起齿轮的振动，另外，一对轮齿在啮合过程中两齿面的相对滑动速度和摩擦力均在节点处改变方向，引起齿轮的振动.这两者形成了啮合频率fz 及其谐波Nfz ，其计算式为: 60z nZ f = 式中 Z ——齿轮的齿数；n ——轴的转速，/min r 。 60z nZ Nf N =? 式中N —自然数，1，2，3，……。N=1称为基波，即啮合频率；N = 2，3，……时，称为二次，三次…谐波。 啮合频率fz 及其谐波Nfz 的频谱特点： ①初始状态，啮合颇率的幅值最高，各次谐波的幅值依次减小(图1的实线部分)； ②随着齿轮磨损的增加，渐开线齿廓逐渐受到破坏，使齿轮振动加剧，此时啮合频率及其各次谐波的幅值逐渐增大，而且各次谐波幅值的增加比啮合频率快得多(图中虚线所示)； ③磨损严重时，二次谐波幅值超过啮合频率幅值。 图1 啮合频率及其谐波 图2 严重磨损时的啮合频率及其二次谐波 由频谱图上啮合频率及其谐波幅值的增量可判断出齿轮的磨损程度。

啮合频率分析： （1）负载和啮合刚度的周期性变化 负载和啮合刚度的变化可用两点来说明：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。如渐开线直齿轮，在节点附近是单齿啮合，在节线两侧某部位开始至齿顶、齿根区段为双齿啮合。显然，在双齿啮合时，整个齿轮的载荷由两个齿分担，故此时齿轮的啮合刚度就较大；同理单齿啮合时，载荷由一个齿承担，此时齿轮的啮合刚度较小。从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的负载和啮合刚度就变化一次，所以齿轮的负载和啮合刚度周期性变化的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。 （2）节线冲击的周期性变化 齿轮在啮合过程中，轮齿表面既有相对滚动，又有相对滑动。主动轮带动从动轮旋转时，主动轮上的啮合点从齿根移向齿顶，啮合半径逐渐增大，速度渐次增高；而从动轮上的啮合点是由齿顶移向齿根，啮合半径逐渐减小，速度渐次降低。两轮齿齿面在啮合点的速度差异就形成了主动轮和从动轮的相对滑动。在主动轮上，齿根和节点之间的啮合点速度低于从动轮上的啮合点速度，因此滑动方向向下；在节点处，因为两轮上的啮合点速度相等，相对滑动速度为零。因此，摩擦力在节点处改变了方向，形成节线冲击。由以上分析可知，从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，发生两次节点冲击，所以节线冲击发生的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。 （3）齿轮运转时，其振动频谱上都含有啮合频率及其谐波分量。随着齿轮的磨损，频谱上的啮合频率及其各次谐波都会上升，即幅值增大。但值得注意的是，啮合频率高次谐波的幅值要比基波的幅值上升得快。啮合频率是齿轮振动中比较突出的成分，它既是齿轮齿廓磨损的一个灵敏指标，同时齿面上产生点蚀、剥落等损伤也会在啮合频率及各次谐波成分上表现出来。对于一对新齿轮来说，其频谱的整个振动能量水平较低，啮合频率的基波及其第二、三次谐波幅值依次减小。对于具有中等点蚀故障的齿轮，其频谱随着点蚀的增加，整个谱的水平都随之增加，且啮合频率高次谐波幅值将超过基波。另一个特点是啮合频率的二次谐波两边的边频带愈加丰富。当齿面出现重度点蚀时，谱噪声总量急剧上升，且啮合频率的谐频延伸到七次以上。啮合频率分析也有其不足之处，它毕竟是众多齿轮振动能量的平均值，因此在局部轮齿呈现损伤时，其幅值的增长就不那么明显，只有大多数轮齿受到磨损或出现点蚀、剥落等损坏时才有明显的增量。 当齿轮发生故障时，振动信号常会发生调制现象而产生调制波(调幅波和调频波)，其载

齿轮故障诊断方法综述

齿轮故障诊断方法综述 摘要齿轮是机械设备中常用的部件,而齿轮传动也是机械传动中最常见的方式之一。在许多情况下,齿轮故障又是导致设备失效的主要原因。因此对齿轮进行故障诊断具有非常重要的意义。介绍了故障的特点和几种诊断方法，并比较了基于粒子群优化的小波神经网络,基于相关分析与小波变换,基于小波包和BP神经网络和基于小波分析等故障诊断方法的优缺点，并提出了齿轮故障诊断的难点和发展方向。 关键字齿轮故障诊断诊断方法分析比较发展

目录 第一章齿轮故障诊断发展及故障特点..................... 错误!未定义书签。齿轮故障诊断的发展................................... 错误!未定义书签。 1. 2齿轮故障形式与震动特征 ........................... 错误!未定义书签。第二章齿轮传动故障诊断的方法......................... 错误!未定义书签。 2. 1高阶谱分析........................................ 错误!未定义书签。 参数化双谱估计的原理 .............................. 错误!未定义书签。 试验装置与信号获取 ................................ 错误!未定义书签。 故障诊断 ......................................... 错误!未定义书签。 应用双谱分析识别齿轮故障 ........................ 错误!未定义书签。基于边频分析的齿轮故障诊断............................ 错误!未定义书签。 分析原理 .......................................... 错误!未定义书签。 铣床振动测试 ...................................... 错误!未定义书签。 边频带分析 ...................................... 错误!未定义书签。 故障诊断 ........................................ 错误!未定义书签。 2. 3时域分析.......................................... 错误!未定义书签。

齿轮的故障诊断

齿轮的故障诊断 一、齿轮的常见故障 齿轮是最常用的机械传动零件，齿轮故障也是转动设备常见的故障。据有关资料统计，齿轮故障占旋转机械故障的10.3%。齿轮故障可划分为两大类，一类是轴承损伤、不平衡、不对中、齿轮偏心、轴弯曲等，另一类是齿轮本身（即轮齿）在传动过程中形成的故障。在齿轮箱的各零件中，齿轮本身的故障比例最大，据统计其故障率达60%以上。齿轮本身的常见故障形式有以下几种。 1. 断齿 断齿是最常见的齿轮故障，轮齿的折断一般发生在齿根，因为齿根处的弯曲应力最大，而且是应力集中之源。 断齿有三种情况： （1）疲劳断齿由于轮齿根部在载荷作用下所产生的弯曲应力为脉动循环交变应力，以及在齿根圆角、加工刀痕、材料缺陷等应力集中源的复合作用下，会产生疲劳裂纹。裂纹逐步蔓延扩展，最终导致轮齿发生疲劳断齿。 （2）过载断齿对于由铸铁或高硬度合金钢等脆性材料制成的齿轮，由于严重过载或受到冲击载荷作用，会使齿根危险截面上的应力超过极限值而发生突然断齿。 （3）局部断齿当齿面加工精度较低、或齿轮检修安装质量较差时，沿齿面接触线会产生一端接触、另一端不接触的偏载现象。偏载使局部接触的轮齿齿根处应力明显增大，超过极限值而发生局部断齿。局部断齿总是发生在轮齿的端部。 2. 点蚀 点蚀是闭式齿轮传动常见的损坏形式，一般多出现在靠近节线的齿根表面上，发生的原因是齿面脉动循环接触应力超过了材料的极限应力。 在齿面处的脉动循环变化的接触应力超过了材料的极限应力时，齿面上就会产生疲劳裂纹。裂纹在啮合时闭合而促使裂纹缝隙中的油压增高，从而又加速了裂纹的扩展。如此循环变化，最终使齿面表层金属一小块一小块地剥落下来而形成麻坑，即点蚀。 点蚀有两种情况： （1）初始点蚀（亦称为收敛性点蚀）通常只发生在软齿面（HB＜350）上，点蚀出现后，不再继续发展，甚至反而消失。原因是微凸起处逐渐变平，从而扩大了接触区，接触应力随之降低。 （2）扩展性点蚀发生在硬齿面（HB＞350）上，点蚀出现后，因为齿面脆性大，凹坑的边缘不会被碾平，而是继续碎裂下去，直到齿面完全损坏。 对开式齿轮，齿面的疲劳裂纹尚未形成或扩展时就被磨去，因此不存在点蚀。 当硬齿面齿轮热处理不当时，沿表面硬化层和芯部的交界层处，齿面有时会成片剥落，

机械故障诊断之齿轮故障分析

机械故障诊断—齿轮故障诊断及分析 [摘要]本文介绍了齿轮的几种典型故障的特征及诊断方法。在齿轮故障诊断过程中，应用振动诊断方法可以解决齿轮的绝大部分问题。 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、高柔性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，是传动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会有很大的影响。 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发生变化。因此，在齿轮传动系统的所测振动信号中，包含有它的健康状态信息或故障与无故障信息，我们通过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。 一、关于齿轮工作过程中引起振动的振源 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：一是随着啮合点位臵的变化，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 直齿轮啮合刚度变化图

第六章 齿轮常见故障与诊断

第六章齿轮常见故障与诊断 齿轮传动由于结构紧凑、传动比精确等的优点，成为机械设备中常用的传动方式。现代机械对齿轮的要求日益提高，即要求齿轮能在高速、重载、特殊介质等恶劣环境条件下工作，又要求齿轮传动具有高平稳性、高可靠性等良好的工作性能，使得影响齿轮正常工作的因素愈来愈多，而齿轮工作不正常又是诱发机器故障的重要因素，因此，对齿轮故障诊断技术的应用也是非常重要的课题。 第一节齿轮故障的常见形式与原因 一、齿轮故障的常见形式 齿轮由于结构形式、材料与热处理、操作运行环境与条件等因素不同，发生故障的形式也不同，常见的齿轮故障有以下几类形式。 1.齿面磨损 润滑油不足或油质不清洁会造成齿面磨粒磨损，使齿廓改变，侧隙加大，以至由于齿轮过度减薄导致断齿。一般情况下，只有在润滑油中夹杂有磨粒时，才会在运行中引起齿面磨粒磨损。 2.齿面胶合和擦伤 对于重栽和高速齿轮的传动，齿面工作区温度很高，一旦润滑条件不良，齿面间的油膜便会消失，一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，在齿面上形成垂直于节线的划痕状胶合。新齿轮未经磨合便投入使用时，常在某一局部产生这种现象，使齿轮擦伤。 3.齿面接触疲劳 齿轮在实际啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生脉动载荷。载荷和脉动力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的剪应力，当这种剪应力超过齿轮材料的疲劳极限时，接触表面将产生疲劳裂纹，随着裂纹的扩展，最终使齿面剥落小片金属，在齿面上形成小坑，称之为点蚀。当“点蚀”扩大成片时，形成齿面上金属块剥落。此外，材质不均匀或局部擦伤，也容易在某一齿上首先出现接触疲劳，产生剥落。 4.弯曲疲劳与断齿 在运行过程中承受载荷的轮齿，如同悬臂梁，其根部受到脉冲循环的弯曲应力作用最大，当这种周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展，当剩余部分无法承受传动载荷时就会发生断齿现象。齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质不均匀也可能会引起断齿。断齿和点蚀是齿轮故障的主要形式。

齿轮故障诊断的几种具体方法,经验总结

齿轮故障诊断的几种具体方法，经验总结 齿轮在运行中如果发生故障就会影响到真个设备的运行状态,要如何来发现和诊断齿轮故障呢?有四种方法——时域平均法、边频带分析、倒频谱分析、Hilbert解调法，下面我们就来了解一下。 这是齿轮时域故障诊断的一种有效的分析方法。该方法能从混有干扰噪声的信号中提取出周期性的信号。因为随机信号的不相关性，经多次叠加平均后便趋于零，而其中确定的周期分量仍被保留下来。 时域平均法要拾取两个信号：一个是齿轮箱的加速度信号，另一个是转轴回转一个周期的时标信号。时标信号就经过扩展或压缩运算，使原来的周期T转换为T’，相当于被检齿轮转过一整转的周期。这时加速度测过来的信号以周期T’截断叠加，然后进行平均。这种平均过程实质上是在所摄取的原始信号中消除其他噪声的干扰，提取有效信号的过程。最后，再经过光滑滤波，得到被检齿轮的有效信号。 边频带成分包含有丰富的齿轮故障信息，要提取边频带信息，在频谱分析时必须有足够高的频率分辨率。当边频带谱线的间隔小于频率分辨率时，

或谱线间隔不均匀，都会阻碍边频带分析，必要时应对感兴趣的频段进行频率细化分析（ZOOM分析），以准确测定边频带间隔。 由于边频带具有不稳定性，在实际工作环境中，尤其是几种故障并存时，边频带错综复杂，其变化规律难以用具体情况描述，但边频带的总体水平是随着故障的出现而上升的。 对于有数对齿轮啮合的齿轮箱振动的频谱图中，由于每对齿轮啮合时都将产生边频带，几个边频带交叉分布在一起，仅进行频率细化分析识别边频特征是不够的，如偏心齿轮，除了影响载荷的稳定性而导致调频振动以外，实际上还会造成不同程度的转矩的波动，同时产生调频现象，结果出现不对称的边频带，这时要对它进行分析研究，最好的方法是使用倒频谱分析。 倒频谱分析将功率谱中的谐波族变换为到频谱图中的单根谱线，其位置代表功率谱中相应谐波族（边频带）的频率间隔，可以检测出功率谱图中难以辨别的周期性，从而便于分析故障。 倒频谱的另一个优点是对于传感器的测点或信号传输途径不敏感，对幅值调制和频率调制的相位关系不敏感。这种不敏感反而有利于监测故障信号

齿轮故障诊断常用信号分析处理方法

齿轮故障诊断常用信号分析处理方法 振动和噪声信号是齿轮故障特征信息的载体，目前能够通过各种信号传感器、放大器及其他测量仪器，很方便地测量出齿轮箱的振动和噪声信号，通过各种分析和处理，提取其故障特 征信息，从而诊断出齿轮的故障。 以振动与噪声为故障信息载体来进行齿轮的精密诊断，目前常用的信号分析处理方法 有以下几种： (1)时域分析方法，包括时域波形、调幅解调、相位解调等； (2)频域分析，包括功率谱、细化谱； (3)倒频谱分析； (4)时频域分析方法，包括短时FFT，维格纳分布，小波分析等； (5)瞬态信号分析方法，包括瀑布图等。 上述各种信号分述处理方法前面均已介绍，在此仅针对齿轮振动的特点介绍其中最常 用的几种分析方法。 一、频率细化分析技术 由于齿轮的振动频谱图包含着丰富的信息，不同的齿轮故障具有不同的振动特征，其 相应的谱线会发生特定的变化。 由于齿轮故障在频谱图上反映出的边频带比较多，因此进行频谱分析时必须有足够的频率分辨率。当边频带的间隔（故障频率）小于分辨率时，就分析不出齿轮的故障，此时可采用频率细化分析技术提高分辨率。以某齿轮变速箱的频谱图［见图1(a)］为例，从图中可几以看出，在所分析的0 ~ 2kHz频率范围内，有1~4阶的啮合频率的谱线，还可较清晰地看出有间隔为25Hz的边频带，而在两边频带间似乎还有其他的谱线，但限于频率分辨率已不能清晰分辨。利用频谱细化分析技术，对其中900～1 100Hz的频段进行细化分析，其细化频谱如图1 (b)所示。由细化谱中可清晰地看出边频带的真实结构，两边频带的间隔为8. 3Hz，它是由于转动频率为8.3Hz的小齿轮轴不平衡引起的振动分量对啮合频率调制的结果。本例表明，用振动频谱的边频带进行齿轮不平衡一类的故障诊断时，必须要有足够的频率分辨率，否则会造成误诊或漏诊，影响诊断结果的准确性。 二、倒频谱分析 对于同时有多对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图，由于每对齿轮啮合都将产生边频带，几个边频带交叉分布在一起，仅进行频率细化分析有时还无法看清频谱结构，还需要进一步做倒频谱分析。倒频谱能较好地检测出功率谱上的周期成分，通常在功率谱上无法对边频的总体水平作出定量估计，而倒频谱对边频成分具有“概括”能力，能较明显地显示出功率谱上的周期成分，将原来谱上成族的边频带谱线简化为单根谱线，便于观察，而齿轮发生故障时的振动频谱具有的边频带一般都具有等间隔（故障频率）的结构，利用倒频谱这个优点，可以检测出功率谱中难以辨识的周期性信号。

齿轮故障诊断资料

齿轮的故障诊断 齿轮的故障诊断 一、齿轮的常见故障 齿轮是最常用的机械传动零件，齿轮故障也是转动设备常见的故障。据有关资料统计，齿轮故障占旋转机械故障的10.3%。齿轮故障可划分为两大类，一类是轴承损伤、不平衡、不对中、齿轮偏心、轴弯曲等，另一类是齿轮本身（即轮齿）在传动过程中形成的故障。在齿轮箱的各零件中，齿轮本身的故障比例最大，据统计其故障率达60%以上。齿轮本身的常 见故障形式有以下几种。 1. 断齿 断齿是最常见的齿轮故障，轮齿的折断一般发生在齿根，因为齿根处的弯曲应力最大，而 且是应力集中之源。 断齿有三种情况：①疲劳断齿由于轮齿根部在载荷作用下所产生的弯曲应力为脉动循环交变应力，以及在齿根圆角、加工刀痕、材料缺陷等应力集中源的复合作用下，会产生疲劳裂纹。裂纹逐步蔓延扩展，最终导致轮齿发生疲劳断齿。②过载断齿对于由铸铁或高硬度合金钢等脆性材料制成的齿轮，由于严重过载或受到冲击载荷作用，会使齿根危险截面上的应力超过极限值而发生突然断齿。③局部断齿当齿面加工精度较低、或齿轮检修安装质量较差时，沿齿面接触线会产生一端接触、另一端不接触的偏载现象。偏载使局部接触的轮齿齿根处应力明显增大，超过极限值而发生局部断齿。局部断齿总是发生 在轮齿的端部。 2. 点蚀 点蚀是闭式齿轮传动常见的损坏形式，一般多出现在靠近节线的齿根表面上，发生的原因是齿面脉动循环接触应力超过了材料的极限应力。 在齿面处的脉动循环变化的接触应力超过了材料的极限应力时，齿面上就会产生疲劳裂纹。裂纹在啮合时闭合而促使裂纹缝隙中的油压增高，从而又加速了裂纹的扩展。如此循环变化，最终使齿面表层金属一小块一小块地剥落下来而形成麻坑，即点蚀。 点蚀有两种情况：①初始点蚀（亦称为收敛性点蚀）通常只发生在软齿面（HB＜350）上，点蚀出现后，不再继续发展，甚至反而消失。原因是微凸起处逐渐变平，从而扩大了接触区，接触应力随之降低。②扩展性点蚀发生在硬齿面（HB＞350）上，点蚀出现后，因为齿面脆性大，凹坑的边缘不会被碾平，而是继续碎裂下去，直到齿面完全损坏。 对开式齿轮，齿面的疲劳裂纹尚未形成或扩展时就被磨去，因此不存在点蚀。 当硬齿面齿轮热处理不当时，沿表面硬化层和芯部的交界层处，齿面有时会成片剥落，称 为片蚀。 3. 磨损 齿面的磨损是由于金属微粒、尘埃和沙粒等进入齿的工作表面所引起的。齿面不平、润滑不良等也是造成齿面磨损的原因。此外，不对中、联轴器磨损以及扭转共振等，会在齿轮

信号处理方法诊断齿轮故障

信号处理方法诊断齿轮故障 振动和噪声信号是齿轮故障特征信息的载体，目前能够通过各种信号传感器、放大器及其他测量仪器，很方便地测量出齿轮箱的振动和噪声信号，通过各种分析和处理，提取其故障特征信息，从而诊断出齿轮的故障。 以振动与噪声为故障信息载体来进行齿轮的精密诊断，目前常用的信号分析处理方法有以下几种： (1)时域分析方法，包括时域波形、调幅解调、相位解调等； (2)频域分析，包括功率谱、细化谱； (3)倒频谱分析； (4)时频域分析方法，包括短时FFT，维格纳分布，小波分析等； (5)瞬态信号分析方法，包括瀑布图等。 上述各种信号分述处理方法前面均已介绍，在此仅针对齿轮振动的特点介绍其中最常用的几种分析方法。 一、频率细化分析技术 由于齿轮的振动频谱图包含着丰富的信息，不同的齿轮故障具有不同的振动特征，其相应的谱线会发生特定的变化。 由于齿轮故障在频谱图上反映出的边频带比较多，因此进行频谱分析时必须有足够的频率分辨率。当边频带的间隔（故障频率）小于分辨率时，就分析不出齿轮的故障，此时可采用频率细化分析技术提高分辨率。以某齿轮变速箱的频谱图［见图1(a)］为例，从图中可几以看出，在所分析的0 ~ 2kHz频率范围内，有1~4阶的啮合频率的谱线，还可较清晰地看出有间隔为25Hz的边频带，而在两边频带间似乎还有其他的谱线，但限于频率分辨率已不能清晰分辨。利用频谱细化分析技术，对其中900～1 100Hz的频段进行细化分析，其细化频谱如图1 (b)所示。由细化谱中可清晰地看出边频带的真实结构，两边频带的间隔为8. 3Hz，它是由于转动频率为8.3Hz的小齿轮轴不平衡引起的振动分量对啮合频率调制的结果。本例表明，用振动频谱的边频带进行齿轮不平衡一类的故障诊断时，必须要有足够的频率分辨率，否则会造成误诊或漏诊，影响诊断结果的准确性。 二、倒频谱分析 对于同时有多对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图，由于每对齿轮啮合都将产生边频带，几个边频带交叉分布在一起，仅进行频率细化分析有时还无法看清频谱结构，还需要进一步做倒频谱分析。倒频谱能较好地检测出功率谱上的周期成分，通常在功率谱上无法对边频的总体水平作出定量估计，而倒频谱对边频成分具有“概括”能力，能较明显地显示出功率谱上的周期成分，将原来谱上成族的边频带谱线简化为单根谱线，便于观察，而齿轮发生故障时的振动频谱具有的边频带一般都具有等间隔（故障频率）的结构，利用倒频谱这个优点，可以检测出功率谱中难以辨识的周期性信号。 图1 齿轮振动信号的频谱分析 图2 (a)是某齿轮箱振动信号的频谱，频率为0 ~20kHz ,谱线数4000其中包含啮合频率（4 . 3kHz）及其三阶谐频成分。由于频率分辨率太低(50Hz )，频谱上没有分解出

论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法

、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法 一、齿轮啮合频率的机理 由齿轮传动理论可知，渐开线齿廓齿轮在节点附近为单齿啮合，而在节线的两边为双齿 啮合，啮合区的大小则由重叠系数&决定。因此，每对轮齿在啮合过程中承受的载荷是变化的，从而引起齿轮的振动，另外，一对轮齿在啮合过程中两齿面的相对滑动速度和摩擦力均 在节点处改变方向，引起齿轮的振动?这两者形成了啮合频率fz及其谐波Nfz，其计算式为 nZ f z 60 式中Z 齿轮的齿数；n轴的转速，「/min 。 nZ 60 式中N —自然数，1 , 2 , 3 ,……。N=1称为基波，即啮合频率；N = 2 , 3 ,……时，称为二次，三次…谐波。 啮合频率fz及其谐波Nfz的频谱特点: ①初始状态，啮合颇率的幅值最高，各次谐波的幅值依次减小（图1的实线部分）; ②随着齿轮磨损的增加，渐开线齿廓逐渐受到破坏，使齿轮振动加剧，此时啮合频率及其各 次谐波的幅值逐渐增大，而且各次谐波幅值的增加比啮合频率快得多（图中虚线所示）; ③磨损严重时，二次谐波幅值超过啮合频率幅值。

由频谱图上啮合频率及其谐波幅值的增量可判断出齿轮的磨损程度。 啮合频率分析： （1 ）负载和啮合刚度的周期性变化 负载和啮合刚度的变化可用两点来说明： 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。 如渐开线直齿轮， 在节点附近是单齿 啮合，在节线两侧某部位开始至齿顶、齿根区段为双齿啮合。显然，在双齿啮合时，整个齿 轮的载荷由两个齿分担， 故此时齿轮的啮合刚度就较大； 同理单齿啮合时，载荷由一个齿承 担，此时齿轮的啮合刚度较小。 从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合， 齿轮的负 载和啮合刚度就变化一次， 所以齿轮的负载和啮合刚度周期性变化的频率与齿轮旋转频率成 整数倍关系。 （2 ）节线冲击的周期性变化 齿轮在啮合过程中，轮齿表面既有相对滚动， 又有相对滑动。主动轮带动从动轮旋转时， 主动轮上的啮合点从齿根移向齿顶， 啮合半径逐渐增大， 速度渐次增高；而从动轮上的啮合 点是由齿顶移向齿根， 啮合半径逐渐减小， 速度渐次降低。两轮齿齿面在啮合点的速度差异 就形成了主动轮和从动轮的相对滑动。 在主动轮上，齿根和节点之间的啮合点速度低于从动 轮上的啮合点速度， 因此滑动方向向下； 在节点处，因为两轮上的啮合点速度相等，相对滑 动速度为零。因此，摩擦力在节点处改变了方向，形成节线冲击。由以上分析可知，从一个 轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合， 发生两次节点冲击， 所以节线冲击发生的频率与 齿轮旋转频率成整数倍关系。A 图1啮合频率及其谐波 图2严重磨损时的啮合频率及其二次谐波

齿轮故障的振动诊断及案例分析

齿轮故障的振动诊断及案例分析 摘要：齿轮故障通常具有相似的现象，即振动和噪声明显增加，但产生齿轮故障的原因却很难从表象作出判断。本文从振动分析的角度阐述齿轮振动的时域与频域特征，并结合实测案例进行分析。 关键词：齿轮故障；振动特征；时域；频域；案例分析 齿轮传动的常见故障有齿断裂，齿磨损，齿面疲劳（点蚀、剥落）和齿轮安装不当。 由结构和工作时受力条件决定，齿轮传动的振动信号较为复杂，故障诊断需同时进行时域与频域分析。齿轮工作过程中的故障信号频率基本表现为两部分，一为啮合频率及其谐波（高频部分）构成的载波信号；二为低频成分的幅值和相位变化所构成的调制信号。 1.啮合频率及其谐波 当轮齿进人或脱离啮合时，载荷和刚度均突然增大或减小，形成啮合冲击。齿轮啮合频率为fm=f1?Zl=f2?Z2，当齿轮出现故障时，将引起啮合频率及其各次谐波幅值的变化。 2.幅值调制和频率调制所构成的边频带 (1）幅值调制。 幅值调制相当于两个信号在时域上相乘。假定载波信号为g(t)，调制信号为e(t)，则调制后的时域总信号为 X (t) =g (t) ? e (t) 将上式转换到频域上，则为X(f)＝G(f) ?E (f).通常幅度调制的调制频率为旋转频率。 (2）频率调制。 齿轮的转速波动，若载波信号为A sin (2пfmt+φ0），调制信号为βsin2пfmt，频率调制可表示为x (t) =A sin

[2пfmt +βsin (2пf1t )＋φ0]。频率调制不仅产生围绕啮合频率fm的一族边频带，而且在相位信号中产生一个正弦波。通常频率调制的频率为分度不均匀齿轮的转频。实际上，齿轮故障中调幅与调频现象可能同时存在，因而在频谱上得到调幅与调频综合影响下形成的边频带。 3．由齿轮转频的低次谐波构成的附加脉冲 齿轮的低频故障（不平衡、不对中等）也会对齿轮振动时域波形产生影响，但不会在齿轮频率两侧产生边频带。 4．由齿轮加工误差形成的隐含成分。 该成分的振动通常由加工机床分度齿轮误差造成，它对齿轮的整体运行影响很小。 以下是一个齿轮故障的案例分析。 1．某采油平台原油外输泵（螺杆泵）传动齿轮局部断齿 (1)设备形式及参数。电机驱动直联双螺杆泵，螺杆之间以同步齿轮传动，齿轮齿数z=67;电机转速n=995r/min (16.57Hz) 。 (2)故障现象。泵的非驱动端（同步齿轮安装在此侧）振动速度值增加，图1、图2是时域波形及频谱图。 图3是图2的局部细化谱。 (3）振动特征及分析。在时域波形图中（图1)出现明显的冲击峰值，表明齿轮可能存在局部缺陷；频谱图（图2)中有齿轮啮合频率及二倍谐频，边频丰富，从图3可以看到，边频为转子工频，这说明啮合频率的振动幅值被转子工频冲击振动调制。

设备状态监测与故障诊断作业

设备状态监测与故障诊断作业 一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法 二、滚动轴承故障的特征频率推导计算 三、针对某个机组对象建立其状态监测与故障诊断系统，描述测点布置、系统硬件结构组成(框图)及各部分功能 （如：XXX(如汽轮机)状态在线监测与故障诊断系统） （如：旋转机械状态监测与智能故障诊断） （如：面向Internet的远程工况监视与故障诊断） 内容包括： 监测对象介绍， 测点布置 监测诊断系统构成/总体结构、 功能模块/如在线分析与智能诊断模块）

目录 一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法 (1) 1.1 齿轮啮合频率的产生机理 (1) 1.1.1 概述 (1) 1.1.2 齿轮的振动机理 (2) 1.2 齿轮故障诊断的方法 (5) 1.2.1齿轮的故障类型 (5) 1.2.2 齿轮故障的特征信息 (6) 1.2.3 齿轮故障诊断的常用方法 (10) 1.3 实例分析 (15) 1.4 小结 (16) 二、滚动轴承故障的特征频率推导计算 (17) 2.1 滚动轴承故障特征频率的经验公式 (17) 2.2 滚动轴承故障的特征频率推导计算 (17) 三、高炉布料器齿轮箱在线状态监测与故障诊断系统 (19) 3.1 高炉炉顶布料齿轮箱的构成及工作原理 (19) 3.2 系统的监测参数及测点布置 (20) 3.3 系统总体结构及功能模块划分 (21) 3.3.1 信号采集及预处理模块 (22) 3.3.2 实时状态监测与识别模块 (23) 3.3.3 在线分析诊断模块 (26) 3.4 总结 (27) 四、感悟和致谢 (27)

1 论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法 齿轮是现代工、农业生产设备中极其重要的传动零件，由于其在工作过程中长期承受各种交变载荷、冲击和摩擦力的作用或其本身在制造过程中留下了缺陷，齿轮相对于其他部件较容易出现故障甚至损坏。生产设备中的齿轮发生故障，轻者会使生产设备所加工出来的产品不符合标准要求，重者会导致生产设备停车，从而给生产企业造成经济损失，同时也担误了工时。因此，为了尽可能将这些不确定的机械故障所引起的经济损失降到最低，需要我们在故障初期就能作出诊断，为企业尽早安排检修提供科学依据。对齿轮振动信号进行时频分析就是一种比较实用的方法。 1.1 齿轮啮合频率的产生机理 1.1.1 概述 齿轮传动系统是一个弹性的机械系统，由于结构和运动关系的原因，存在着运动和力的非平稳性。图1.1是齿轮副的运动学分析示意图。图1.1中1O 是主动轮的轴心，2O 是被动轮的轴心。假定主动轮以1w 作匀角速度运动，A 、B 分别为两个啮合点，则有1O A> 1O B ，即A 点的线速度A V 大于B 点的线速度B V 。 而2O A<2O B ，从理论上有 、 ，则23w w <。然而A 、B 又是被动轮的啮合点，当齿轮副只有一个啮合点时，随着啮合点沿啮合线移动，被动轮的角速度存在波动。当有两个啮合点时，因为只能有一个角速度，因而在啮合的轮齿上产生弹性变形，这个弹性变形力随啮合点的位置、轮齿的刚度以及啮合的进入和脱开而变化，是一个随时间变化的力F (t)c 。 齿轮传动系统的啮合振动是不可避免的。振动的频率就是啮合频率。也就是齿轮的特征频率，其计算公式如下： 齿轮一阶啮合频率：060 C N f Z = 啮合频率的高次谐波：0Ci C f i f =?，234n i =、、 其中：N ——齿轮轴的转速（r/min ） Z ——齿轮的齿数 22B V O B ω=32A V O A ω=