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

留下坑穴，在后续的啮合传动中，这部分胶合上的多余材料很容易造成其他齿面的擦伤沟痕，形成恶性循环，在齿轮失效中，齿面磨损的概率为10%。

1.33 齿面疲劳

所谓齿面疲劳主要包括齿面点蚀与剥落。造成点蚀的原因，主要是由于工作表面的交变应力引起的微观疲劳裂纹，润滑油进入裂纹后，由于啮合过程可能先封闭入口然后挤压，微观疲劳裂纹内的润滑油在高压下使裂纹扩展，结果小块金属从齿面上脱落，留下一个小坑，形成点蚀。如果表面的疲劳裂纹扩展得较深、较远或一系列小坑由于坑间材料失效而连接起来，造成大面积或大块金属脱落，这种现象则称为剥落。剥落与严重点蚀只有程度上的区别而无本质上的不同。

实验表明，在闭式齿轮传动中，点蚀是最普遍的破坏形式。在开式齿轮传动中，由于润滑不够充分以及进入污物的可能性增多，磨粒磨损总是先于点蚀破坏，在齿轮失效中，齿面疲劳发生的概率为31%。

1.34 齿面塑性变形

软齿面齿轮传递载荷过大（或在大冲击载荷下）时，易产生齿面塑性变形。在齿面间过大的摩擦力作用下，齿面接触应力会超过材料的抗剪屈服极限，齿面材料进入塑性状态，造成齿面金属的塑性流动，使主动轮节圆附近齿面形成凹沟，从动轮节圆附近齿面形成凸棱，从而破坏了正确的齿形。有时可在某些类型的齿轮的从动齿面上出现“飞边”，严重时挤出的金属充满顶隙，引起剧烈振动，甚至发生断裂。

第2章齿轮振动机理及信号特征

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，存在着运和力的非平稳性。如图所示，当齿轮正常时，两个齿轮的啮合点在同一条直线上，这条直线为两个齿轮基圆的共切线，啮合力的方向与两基圆共切线共线，方向与齿轮旋转方向一致，如图（a）所示。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一定的波动。当此轮发生故障时，两个齿轮的啮合点发生偏移，此时这两个点不在同一条直线上，啮合力的方向也不在同一条直线上，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，啮合力是一个随时间变化的力，即使主动轮传递的是一个恒定的转矩，在从动轮上任然随时间产生变化的啮合力和转矩，单个齿轮可以看作变载面悬臂梁，啮合齿的综合刚度也随啮合力的变化而改变，这就造成齿轮振动的动力学分析更加复杂。

从这个意义上说：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：

z n f c 60

0= 啮合频率的高次谐波

0c ci if f = i=2、3、4、… n

其中：n ——齿轮轴的转速（r/min ）

z ——齿轮的齿数

2.1 齿轮啮合的特征频率——边频带

由于传递的扭矩也随着啮合而改变，它作用到转轴上，使转轴发生扭振。而转轴上由于键槽等非均布结构的存在，轴的各向刚度不同，刚度变动的周期与轴的周转时间一致，激发的扭振振幅也就按转轴的转频变动。这个扭振对齿轮的啮合振动产生了调制作用，从而在齿轮啮合频率的两边产生出以轴频为间隔的边频带。

边频带也是齿轮振动的特征频率，啮合的异常状况反映到边频带，造成边频带的分布和形态都发生改变。可以说：边频带包含了齿轮故障的丰富信息。 此外齿轮制造时所具有的：偏心误差、周节误差、齿形误差、装配误差等都能影响齿轮的振动。所以在监测低精度齿轮的振动时，要考虑这些误差的影响。 站在故障诊断的实用立场上看，只要齿轮的振动异常超标，就是有故障，就需要处理或更换。所以大多数情况下，并不需要辨别是哪种误差所引起，只需判定能否继续使用。

在生产条件下很难直接检测某一个齿轮的故障信号，一般是在轴承、箱体有关部位测量。当齿轮旋转时，无论齿轮发生了异常与否，齿的啮合都会发生冲击啮合振动，其振动波形表现出振幅受到调制的特点，甚至既调幅又调频。

2.2 各类故障在频域中的表现

(1)当齿轮均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量保持不变，但幅值大小改变，高次谐波幅值增大较多；

（2）调幅现象。它是由于齿面载荷波动对幅值的影响造成的，调幅的一个原因是齿轮偏心，此时的调制频率为齿轮的回转频率。当在齿轮上有一个齿存在局

部缺陷时，相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲的长度等于齿的啮合周期；

（3）调频现象。在实际情况中，同样的齿面压力的波动，在产生调幅现象的同时，也会引起频率调制现象，其结果是在谱上得到一个调幅与调频综合形成的边频带。齿轮存在偏心时，由于齿面载荷变化引起调幅现象的同时，又由于齿轮转速的不均匀而引起调频现象。

（4）附加脉冲。实际测得的信号不一定对称于零线，可将信号分解为两部分：即调幅部分和附加脉冲部分。附加脉冲是回转频率的低次谐波。平衡不良、对中不良和机械松动等，均是回转频率的低次谐波振源，但不一定与齿轮缺陷直接有关。附加脉冲的影响一般不会超出低频段，即在啮合频率以下；

（5）隐含谱线。是功率谱上的一个频率分量，产生的原因为加工过程给一个齿轮所带来的周期性缺陷。

齿轮频谱上边频带的形成

2.3 典型故障特征

（1）轮齿断裂：以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率，调制边频带宽而高；

（2）轮齿塑性变形：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；

（3）齿轮均匀磨损：齿轮的啮合频率及其谐波的幅值明显增大；

（4）轴不对中：调制频率的2倍频幅值最大；

（5）齿面剥落等集中性故障：边带的阶数多而分散；

（6）齿面点蚀等分布性故障：边带阶数少而集中；

（7）轴承故障：齿轮啮合频率的振幅迅速升高，边频的分布和幅值并无变化。第3章齿轮故障分析方法

3.1 功率谱分析法

功率谱分析可确定齿轮振动信号的频率构成和振动能量在各频率成分上的

分布，是一种重要的频域分析方法。

幅值谱也能进行类似的分析，但由于功率谱是幅值的平方关系，所以功率谱比幅值谱更能突出啮合频率及其谐波等线状谱成分而减少了随机振动信号引起的一些“毛刺”现象。

3.2 边频带分析法

变频带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，都阻碍边频带的分析，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。一般从两方面进行边频带分析，一是利用边频带的频率对称性，找出（n=1、2、3 …）的频率关系，确定是否为一组边频带。如果是边频带，则可知道啮合频率?Z和调制信号频率?r。二是比较各次测量中边频带幅值的变化趋势。

根据边频带呈现的形式和间隔，有可能得到以下信息：

（1）当边频间隔为旋转频率?r时，可能为齿轮偏心、齿距的缓慢的周期变化及载荷的周期波动等缺陷存在，齿轮每旋转一周，这些缺陷就重复作用一次，即这些缺陷的重复频率与该齿轮的旋转频率相一致。旋转频率?r指示出问题齿轮所在的轴。

（2）齿轮的点蚀等分布故障会在频谱上形成类似1）的边频带，但其边频阶数少而集中在啮合频率及其谐频的两侧(参见图8—6)。

（3）齿轮的剥落、齿根裂纹及部分断齿等局部故障会产生特有的瞬态调制，在啮合频率其及谐频两侧产生一系列边带。其特点是边带阶数多而谱线分散，由

于高阶边频的互相叠加而使边频族形状各异。(参见图8—7)。严重的局部故障还会使旋转频率?r及其谐波成分增高。

需要指出的是，由于边频带成分具有不稳定性，在实际工作环境中，尤其是几种故障并存时，边频族错综复杂，其变化规律难以用上述的典型情况表述，而且还存在两个轴的旋转频率?r混合情况。但边频的总体水平是随着故障的出现而上升的。

3.3 倒频谱分析法

对于同时有数对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图，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；由于倒频谱将功率谱中的谐波族变换为倒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)的频率间隔时间(倒频谱的横坐标表示的是时间间隔即周期时间)，因此可解决上述问题。

如图所示是某齿轮箱振动信号的频谱，图a的频率范围为0~20kHz，频率间隔为50Hz，能观察到啮合频率为4.3kHz及其二次三次谐波，但很难分辨出边频带。

图b的频率范围为3.5～13.5kHz，频率间隔为5Hz，能观察到很多边频带，但仍很难分辨出边频带。图c的频率范围进一步细化为7.5～9.5kHz，频率间隔不变，可分辨出边频带，但还有点乱。若进行倒频谱分析，如图d所示，能很清楚地表明对应于两个齿轮副的旋转频率（85Hz和50Hz）的两个倒频分量（Ai和Bi）。

倒频谱的另一个主要优点是对于传感器的测点位置或信号传输途径不敏感以及对于幅值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的有无，而不看重某测点振幅的大小（可能由于传输途径而被过分放大）。

3.4 齿轮故障信号的频域特征

（1）均匀性磨损、齿轮径向间隙过大、不适当的齿轮游隙以及齿轮负荷过大等原因，将增加啮合频率和它的谐波成分幅值，对边频的影响很小。齿轮磨损的特征是，频谱上啮合频率及其谐波幅值都会上升，而高阶谐波的幅值增加较多，如图所示。

（2）不均匀的分布故障（例如齿轮偏心、齿距周期性变化及载荷波动等）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幅值较高的边频带，边带的间隔频率是齿轮转速频率，该间隔频率是与有缺陷的齿轮相对应的。值得注意的是，对于齿轮偏心所产生的边带，一般出现的是下边带成分，即（n=1，2，3，…），上边带出现的很少。

（3）齿面剥落、裂纹以及齿的断裂等局部性故障，将产生周期性冲击脉冲，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带，其特点是边带的阶数多而分散，见图8—7所示。而点蚀等分布性故障形成的边带，在啮合频率及其谐波两侧分布的边带阶数少而集中，见图8—6所示。这些边带随着故障的发展，其频谱图形也将发生变化。

（4）齿的断裂或裂纹，每当轮齿进入啮合时就产生一个冲击信号，这种冲击可激起齿轮系统的一阶或几阶自振频率。但是，齿轮固有频率一般都为高频（约在1～10kHz范围内），这种高频成分传递到齿轮箱时已被大幅度衰减，多数情况下只能在齿轮箱上测到啮合频率和调制的边频。

（5）轴承故障的影响，仅有齿轮啮合频率的振幅迅速升高，而边频的分布和幅值并无变化，甚至边频没有发育，则表明是轴承故障。

第4章齿轮故障诊断案例

实例一：

宣龙高速线材公司2006年9月，发现精轧22#轧机辊箱振动增大。如图是传动系统图。

调出这一期间的在线监测与故障诊断系统的趋势图和频谱图。在9月14日的频谱图上明显看到Z5/Z6的啮合频率谱线，如下图：

特征频率表如下图所示：

序号故障频率特征频率振幅绝对误差相对误差故障部位及性质1 1037.598 1037.593 1.28 0.005 0 Z5/Z6啮合频率与

轴2转频之差

2 1072.68

3 1071.773 1.71 0.91 0.085 Z5/Z6啮合频率

3 1105.957 1105.953 0.9

4 0.004 0 Z5/Z6啮合频率与

轴2转频之和4 2143.555 2143.546 1.96 0.009 0 2倍Z5/Z6啮合频

率

由特征频率表可见，22架辊箱的Z5/Z6啮合频率（1072.6Hz）幅值在9月14日为1.71m/s2，其两侧有较宽的边频带，间隔为35.085Hz，与锥箱II轴的转频（34.603 Hz）基本一致。

诊断结论：

（1）从图8－11的频谱图上可看出，22#辊箱Z5/Z6啮合频率幅值比较突出且有上升趋势，在其两侧有边频出现，边频间隔分别为35.085 Hz，与锥箱II 轴的转频（34.603 Hz）基本一致，说明22锥箱 II轴上的齿轮存在故障隐患。

（2）从图8－11的时域波形中可以看出有轻微的周期性冲击信号，冲击周期为0.028S，相应频率为(1/0.028=35.71Hz)，正好为22架锥箱II轴的转频(36.85 Hz)一致，这表明问题就出在22架锥箱II轴的齿轮上。

（3）建议厂方立即对22架锥箱II轴上的齿轮Z5（31齿）进行检查。

事后复核：

厂方于2006年11月份对拆卸下的精轧22架进行检查，发现锥箱II轴上Z5(31齿)齿轮打齿，与诊断分析结论相符。

当时厂方曾进一步问过：估计是什么性质的故障，能否继续生产？因为除了初期（9月14日及以后几天）边频带较宽，后期边频带有所收窄，加上振幅并不很高。所以判定为出现较严重的斑剥。在工程上，齿轮出现点蚀、斑剥，厂方都会选择继续使用。整个10月都看着振幅缓慢上升，直到11月份，换轧钢品种，才停产打开。因为是斜齿轮的缘故，所以振幅没有像直齿轮那样强烈。

实例二：

2006年4月，宣化钢铁公司棒材厂16#轧机齿轮箱的振动出现异常。查看在线监测故障诊断系统的频谱图和特征频率表。

序

号

故障频率特征频率振幅绝对误差相对误差故障部位及性质

1 658.

2 657.8 12.9 0.4 0.06 Z3/Z4啮合频率

2 1318.4 1315.6 10.5 2.8 0.21 Z3/Z4啮合频率2倍频

3 1976.6 1973.

4 3.7 3.2 0.16 Z3/Z4啮合频率3倍频中心频率（Hz）边频（Hz）差值（Hz）特征频率（Hz）性质分析

658.2 644.5 1..7

14.3（2轴转频）

一次边频673.8 15.6 一次边频628.9 29.3 二次边频687.5 29.3 二次边频617.2 41 三次边频701.2 43 三次边频

由图可以看到Z3/Z4齿轮的啮合频率出现了3倍频，并有多次谐波，最大振幅达到了12.95m/s2，基频边上出现了许多边频，为II轴轴承频率，II轴轴频14.3Hz在振动幅值0.24 m/s2。在齿轮啮合频率（基频和倍频）边上出现边频（II 轴轴频），这意味这齿轮有隐患。

诊断小结：

当齿轮啮合频率处及两边边频的振幅突现升高的情况下，有两种可能的故障：齿轮故障、轴承故障。要区别这两种故障，需看轴转频的振幅是否有升高，轴转频的振幅升高，意味着轴承故障。齿轮轴转频的振幅升高是由于轴承出现故障，轴芯空间位置不稳定所造成当轴转频的振幅先升后降，降低时意味着轴承可能已经出现解体。16#的II轴Z3/Z4齿轮可能存在严重磨损。

第5章小结

一台机械设备有很多零件组成，经过一段时间的运转，有的零件就会失效，从而造成设备故障。为了使设备恢复运行，就必须对故障的零件进行维修甚至更换，在这么多的零件中，要准确确定故障的零件有一定困难，以往丰富的经验为我们提供了重要的参考依据，但是这些经验不是任何时候都能够发挥作用，在机械系统非常庞大且很复杂的情况下，传统的故障诊断方法缺乏准确性和可操作性，这就需要我们寻找一个更科学、更准确、更方便、更快捷的故障诊断方法。

随着光计算机技术和传感器技术的飞速发展，机械故障诊断技术也取得了很大进步。一台机械设备在运行时，会产生一些信号，比如振动信号、声音信号、光信号等等，正常的设备在运行过程中，上述的这些信号都在一定的范围内波动，这些波动都是哪有规律的，这些波动不影响机械设备的正常运行。当机械设备出现故障时，上述的这些信号都会出现变化，波动范围超出了正常范围，这就提醒我们，设备的某些地方出现故障。通过传感器采集这些故障信号，输入计算机，再通过一些专业的信号处理软件对采集的信号进行处理，然后和正常情况下的信号特征进行对比，我们就能够初步确定故障的零件和故障的类型。

齿轮减速箱作为机械设备中比较常用的装置，出项故障的几率是非常大的，齿轮箱故障往往导致设备的停机甚至更严重的生产事故，所以，准确判断齿轮箱故障意义重大。在诊断齿轮箱故障时，首先通过传感器采集相关部位的信号，进行处理后与正常信号做对比，差别较大的地方玩玩就是故障的地方，初步确定以后就可以对设备进行维修或者是更换零件。