齿轮的故障诊断Word格式文档下载.docx

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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。

当硬齿面齿轮热处置不那时，沿表面硬化层和芯部的交壤层处，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发的。

齿面不平、润滑不良等也是造成齿面磨损的缘故。

另外，不对中、联轴器磨损和扭转共振等，会在齿轮啮合点引发较大的扭矩转变，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，而且极可能致使断齿。

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刹时高温，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太低、运行温度太高、齿面上单位面积载荷过大、相对滑动速度太高、接触面积过小、转速太低（油带不起来）等条件下。

齿面发生胶合后，将加速齿面的磨损，使齿轮传动专门快地趋于失效。

齿轮的故障还有齿面的塑性变形，即在高压（重载）和专门大摩擦力的作用下，齿面金属层发生塑性移动变形，从而在主动轮上显现节线周围局部凹下、从动轮节线周围局部凸起的现象。

但常见的要紧故障仍是以上四类，有人对145件齿轮故障进行了检测调查，结果如下：

二、齿轮故障的特点信息

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。

齿轮故障的特点频率大体上由两部份组成：

一部份为齿轮啮合频率及其谐波组成的载波信号；

另一部份为低频成份（要紧为转速频率）的幅值和相位转变所组成的调制信号。

调制信号包括了幅值调制和频率调制。

下面将别离介绍各特点成份及其所对应的故障类型，并分析其产生的缘故。

1.啮合频率及其谐波

齿轮传动的特点是，啮合进程中啮合点的位置和参与啮合的齿数都是周期性转变的，这就造成了齿轮轮齿的受力和刚度成周期性转变，由此而引发的振动必然含有周期性成份，反映那个周期性特点信息的确实是啮合频率及其高次谐波。

齿轮在啮合进程中，齿面既有相对转动，又有相对滑动。

如以下图所示，主动轮上的啮合点由齿根移向齿顶，随啮合半径慢慢增大，速度慢慢增高；

而从动轮上的啮合点由齿顶移向齿根，速度慢慢降低。

两轮速度上的不同形成了相对滑动。

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，也确实是说，摩擦力的方向在节点处发生了改变，形成了节线冲击。

齿轮啮合进程中，除啮合点位置转变引发的节线冲击外，更为重要的是由于参与啮合的齿数转变而引发的啮合冲击。

关于重叠系数在1~2之间的渐开线直齿轮，在节点周围是单齿啮合，在齿根、齿顶周围是双齿啮合。

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。

也确实是说，即便齿轮所传递的是恒定扭矩，但当每对齿在离开啮合或进入啮合时，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。

关于重叠系数低的直齿，啮合冲击尤其显著，其作使劲和刚度转变大体上呈矩形波，见右图。

关于斜齿，由于其啮合点是沿齿宽方向移动的，啮合进程的转变较为平缓，刚度转变接近正弦波。

因此，轮齿的啮合冲击和啮合刚度的转变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、啮合刚度的转变是周期性的，而那个周期性转变的频率，确实是转速频率f与齿数z的乘积（每秒针的转变圈数由转速频率定，每圈的转变次数由齿数定，乘积确实是每秒针的转变次数），也确实是啮合频率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。

事实上，在一个1/fm啮合周期中，发生了进入啮合、离开啮合、节线冲击等多次冲击进程，因此在齿轮的振动信号中必然包括了啮合频率fm及其高次谐波2fm、3fm、…成份。

不管齿轮处于正常状态仍是故障状态，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不同的。

齿轮啮合情形良好，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，除可能与载荷转变等因素有关外，齿轮侧隙不妥往往是最直接、最要紧的阻碍因素。

造成侧隙不妥的具体缘故是多样的，除制造、安装等缘故外，齿面磨损也是要紧缘故之一。

专门需要指出的是，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，从而使啮合时的各类冲击增大、啮合刚度降低，将引发通频振幅值增大，其中，啮合频率及其谐波幅值的增加最明显。

更值得注意的是，啮合频率的高次谐波幅值增加得比基波还快，如右图所示。

磨损严峻时，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加量上能够反映出齿面的磨损程度。

2.信号调制和边带分析

齿轮的各类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，那个差值就组成了齿轮振动和噪音的要紧激发源。

传动误差大，齿轮进入和离开啮合时的碰撞就加重，就会产生较高的振动峰值，而且形成短临时刻的幅值转变和相位转变。

幅值转变产生幅值调制，相位转变产生频率调制。

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）、齿轮偏心和齿轮故障所产生的局部性缺点和均布性缺点等因素引发的。

按信号处置观点，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，如以下图所示。

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。

关于齿轮信号来讲，通常啮合频率为载波频率，齿轮的旋转频率为调制频率。

关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

那么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]

如此，调制后的信号，除原先的啮合频率分量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为距离，以（1/2）AB为幅值，对称散布于fm双侧，称为边频带，简称边带，如右图（c）所示。

若是调制信号e（t）不是一个简谐波，而是由多频率成份组成的周期信号，那么e（t）的每一个频率分量都将产生一边带，形成了边带族，如下图所示。

由于系统传递特性的阻碍，和还存在频率调制，频谱图上实际的边频成份可不能像右图所示的如此对称。

但是，边频带的散布形状要紧仍是取决于调制信号，而且正是调制信号反映了齿轮的各类传动误差和故障状况。

依照边带的形状，能够分辨出齿轮存在着局部性缺点仍是散布性缺点。

（a）

若是发生断齿或大的剥落等局部性缺点，当啮合点进入缺点处时，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。

由于脉冲能够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、2fm、3fm、…为中心的一系列边频。

其特点是边频数量多、范围广、数值小、散布均匀且较为平坦，而且每一边频之间的距离等于齿轮的旋转频率。

见上图（a）所示。

若是在齿轮上存在点蚀、划痕（胶合）等散布比较均匀的缺点，调制频率的成份尽管较多，但在时域上是一条幅度转变较小、脉动周期较长的包络线，因此频谱图上边频带的特点是散布比较高而窄，而且幅值转变起伏较大。

见上图（b）所示。

总之，齿轮缺点越集中，边带就越低、越宽、越平坦；

缺点越均布，边带就越高、越窄、越起伏大。

（2）频率调制

频率调制（也能够为是相位调制）确实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、加工中分度误差而致使的周节误差等因素，都会引发啮合速度的转变而产生频率调制现象。

齿轮故障缺点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，致使角速度转变而形成频率调制。

假设载波信号为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～最大频率误差值。

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,…。

依照上式可知，调频振动信号中包括有无穷多个频率分量，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为距离，形成对称散布的无穷多对的边带，如以下图所示。

齿轮振动信号的幅值调制与频率调制有三个一起点：

①载波频率相等（为啮合频率）；

②边带频率距离相等（为齿轮的旋转频率）；

③边带对称散布于载波频率双侧。

与幅值调制的一个不同的地方是，频率调制以后信号的包络线不变，即调制后的总能量维持不变，这相当于把载波频率上的能量分散到边频上去了。

必需说明，实际频谱图上的齿轮调制边带并非是对称散布的，见右图。

这是因为，调幅与调频现象老是同时存在的，实际频谱图上的边频成份，是两种调制各自作历时所产生的边频成份的叠加。

由于边频成份的相位并非相同，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份

（1）附加脉冲

有时在齿轮的时域总信号上能够看到幅值上下两头的包络线不对称，彼此不同专门大，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发的，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，可取得附加脉冲信号（b）和原始调幅信号（c）。

附加脉冲是由轮齿之外的故障而引发的，如齿轮不平稳、不对中和机械松动等。

这些故障的特点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点一样无关。

附加脉冲和特点信号的区分较容易。

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显现；

在频域上，附加脉冲只出此刻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）隐含成份

隐含成份又称“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，最初显现的一些来历不明的频率成份及其谐波。

而事实上是齿轮加工机床分度齿轮误差传递到被加工的齿轮上，所造成的周期性缺点。

研究说明，隐含成份的频率确实是加工机床分度齿轮的啮合频率。

能够依照隐含成份的以下特点，来判定未知频率是不是为隐含成份（鬼线）：

①隐含谱线为旋转频率的谐波，老是出此刻啮合频率的周围，见左以下图；

②载荷转变对它的阻碍很小，见左以下图；

③随跑合时刻的增加，磨损使缺点趋向均匀，隐含成份及其谐波会慢慢减小，而啮合频率及其谐波成份慢慢增大。

右以下图为一个典型的例子，运转一个月后，隐含成份由123dB下降为113dB，啮合频率的幅值由116dB上升到123dB。

（3）转动轴承信号及交叉调制

当齿轮的支承轴承为转动轴承时，齿轮振动信号中固然会含有转动轴承的振动信号。

但是，在正常情形下，转动轴承的振动能量水平明显低于齿轮，一样要小一个数量级。

因此，在齿轮振动频率范围内（0~5kHz），转动轴承的频率成份很不明显。

可是，当转动轴承显现比较严峻的故障时，在齿轮振动频段内就会显现较为明显的转动轴承故障特点频率成份。

这些成份有时单独显现，有时表现为和齿轮振动成份的彼此交叉调制，显现和频与差频成份。

和频及差频成份并非是独立的，当产生它们的大体频率成份改变时，它们也会随着改变。

4.齿轮常见故障与特点频率及其谐波、和边频带的小结

综上所述，齿轮故障的频率成份是十分复杂的，都是一些宽频带信号。

依照一些资料介绍，现将齿轮常见故障与特点频率及其谐波、和边频带的关系，作以下小结：

（1）轮齿的均匀性磨损、齿侧间隙过大和齿轮载荷过大等缘故引发的故障，将增加啮合频率fm及其高次谐波2fm、3fm、…频率分量的幅值，并非产生边带。

其中，磨损时，啮合频率高次谐波的幅值增量更大；

磨损严峻时，二次谐波的幅值乃至超过啮合频率基波的幅值。

（2）齿轮偏心、齿距周期性转变及载荷波动等不均匀的散布故障，将产生幅值调制和频率调制，从而在啮合频率及其谐波双侧形成边频带，边带的距离频率是有缺点齿轮的转速频率。

其中，齿轮偏心一样只显现下边带（差频）fm－nfe（n＝1,2,3,…），上边带一样很少显现。

（3）断齿、齿面剥落及裂纹等集中缺点的局部性故障，将引发周期性的冲击脉冲，一样产生幅值调制和频率调制。

例如，假设小齿轮显现一处断齿或两处剥落，那么小齿轮每旋转一圈，将产生一次或两次明显的周期性碰撞冲击。

在此类情形下，啮合频率为脉冲频率所调制，在啮合频率及其谐波双侧形成一系列边频带，边带的特点是边频数量多、范围广、散布均匀且较为平坦。

另外，严峻的局部断齿还会致使旋转频率及其谐波的幅值增加。

断齿的要紧特点仍是齿轮的旋转频率和啮合频率的幅值产生明显增加。

（4）点蚀、划痕（即轻度的胶合）等散布比较均匀的缺点，一样也将产生周期性冲击脉冲和调幅、调频现象。

可是，与断齿等局部故障的不同的地方是，其在啮合频率及其谐波双侧散布的边带阶数少而集中，边带特点是高而窄、幅值转变起伏大。

但是，随故障进展、程度恶化，其图形也将发生转变。

（5）齿的断裂或裂痕，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样都为1~10kHz的高频，此高频成份传递到齿轮箱壳体上时，大体上已被衰减掉，多数情形下只能测到啮合频率和调制的边频。

现将不同故障状态下齿轮振动的波形和频谱整理如下。

三、齿轮故障的诊断方式

由于齿轮故障病症及其信号的复杂性，因此在对齿轮进行故障诊断时，需要在尽可能地排除噪声干扰、提高信噪比的前提下，提掏出清楚故障特点信息。

经常使用的方式有以下几种。

1.细化谱分析法

细化谱分析法是通过采纳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，调制后取得的边频含有丰硕的故障信息，可是在一样的频谱图上往往又找不出清楚、具体的边频，究其缘故是频谱图的频率分辨率太低。

频谱图上的频率分辨率那么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～频率距离，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，为幸免频率混淆，fs＝（~4）fc，一样为fs＝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＝，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不能不很高，也就引发频率距离∆f专门大，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份频段沿频率轴进行放大，仿佛放大镜一样，把频谱图上某些感爱好的局部区域放大，从而取得频率分辨率很高的细化谱，见右图。

如此，就能够够通过观看细化后的边带结构，去寻觅故障的特点信息。

2.倒频谱分析法

频谱图的幅值有两种表示方式：

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份的能量在频域上的散布。

频谱图纵坐标的刻度也有两种表示方式：

一种是线性坐标，另一种是对数坐标。

线性坐标的优势是直观，缺点是不能同时显示数值相差专门大的成份；

而对数坐标恰恰相反，能够同时显示出数值相差专门大（1000倍，乃至更高）的频率成份，但这些成份之间是不成线性比例关系的。

幅值谱的纵坐标为线性坐标，功率谱的纵坐标一样为对数坐标。

对数坐标以分贝[dB]表示，其概念为

Ad=20lg（A/Ar）或Ad=10lg（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。

倒频谱的概念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）～时刻信号fz的功率谱，即G（f）={F[fz（t）]}2

τ～倒频谱的时刻变量，称为倒频率。

倒频谱的纵坐标与频谱可采纳相同的单位，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，专门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，当有几个边频带彼此交叉散布在一路时，仅依托频率细化分析法是不够的，往往难以看出边频带的结构。

而倒频谱那么能够较为清楚地显示出频谱图中的周期性结组成份——边频。

若是把一个复杂的频谱看着为一个时刻历程信号，如右图（a）所示，在啮合频率及其谐波周围散布着很多边带，边带的距离频率确实是故障频率，故障频率的谐波阶次越高，其振幅值越小，那么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，这确实是倒频谱分析方式。

倒频谱是对原频谱图上周期性频率结组成份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，利用倒频谱图能够有效地识别频谱上的周期成份。

这是倒频谱分析的第一个优势。

例如，右图（a）为某齿轮箱的功率谱图，频率范围为0~20kHz,谱线为400条。

可看到kHz的啮合频率及其二阶和三阶谐频。

因频率分辨率太低（50kHz），不能分解出边频带。

图（b）是~kHz频段的细化功率谱（2000线），由于分辨率较高（5Hz），可看到很多边频成份，但很难分辨出它们的周期。

图（c）是对图（b）中~kHz频段的细化放大，能够比图（b）更清楚看到由齿轮旋转频率而形成的边频带。

图（d）是由图（b）而取得的倒频谱图，清楚地说明了对应于两个齿轮85Hz和50Hz（20ms）的旋转频率，两个齿轮各自的各阶次边频成份的能量，而这在功率谱上是难以准确地

分辨出来的。

下图是某卡车变速箱一档齿轮别离在正常及异样状态下的功率谱图和倒频谱图。

由功率谱图能够看出，正常状态下，无明显周期性频率成份；

而异样状态下，功率谱中明显增加大量间距约为10Hz的边频成份。

由倒频谱图看出，正常状态下无周期性成份；

而异样状态下，清楚地存在着两个别离为和及各自各阶次边频成份的周期性频率。

经查实，为输入轴转速频率；

而，最初疑心是输出轴转速频率的二阶谐频，但假设如此，调制频率就应该是，而不是。

最后找到并确认空转不承载的二档齿轮是调制源，其旋转频率恰好是。

由此也说明了倒频谱识别周期性成份的精准度。

倒频谱分析的第二个优势是受信号传输途径的阻碍很小。

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份幅值相差十分差异，造成故障特点信息的误抓、漏抓。

但是，不同传输途径的信号在通过倒频处置后，两个倒频谱图上一些倒频率较高的重要成份几乎完全相同，这就给齿轮箱故障诊断提供了十分有利的条件。

另外，由于幅值调制和频率调制的同时存在和两种调制在相位上的转变，使边频具有不稳固性，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。

但是，在倒频谱图上，代表调制程度的幅值却不受稳固性的阻碍。

两振动信号调制后，即便在功率谱上对应位置的边频幅值相差专门大，可是，相位差给它们在频谱上带来的阻碍完全可不能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。

3.时域同步平均法

时域同步平均法的目的在于保留和齿轮故障有关的周期成份，去除其它非周期成份和噪声的干扰，从而提高振动信号的信噪比。

时域同步平均的原理是，按齿轮每转一圈的周期距离截取信号，在多次截取信号的基础上，然后反复进行分段叠加的平均处置，如此，随着平均次数的增加，齿轮周期性的旋转频率和啮合频率及其各阶谐波成份得以保留，而那些非周期性的无关噪声成份那么慢