1、第5章 齒輪故障振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷.齒輪失效形式及其原因齒輪失效形式及其原因.齒輪振動(dòng)機(jī)理齒輪振動(dòng)機(jī)理.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法機(jī)械故障診斷學(xué)Anhui University of Technology 齒輪常見失效形式及其原因：齒輪常見失效形式及其原因：、齒輪制造誤差：、齒輪制造誤差：偏心（齒輪中心與軸中心、齒輪本身、主從動(dòng)輪等）、周節(jié)誤差偏心（齒輪中心與軸中心、齒輪本身、主從動(dòng)輪等）、周節(jié)誤差（齒間距）、齒形誤差（齒廓）等（齒間距）、齒形誤差（齒廓）等、齒輪裝配不當(dāng)：、齒輪裝配不當(dāng)：輪軸不同心、兩軸不平行、不對(duì)中、不平衡輪軸不同心、兩軸不平行、不對(duì)中、不平衡、齒輪損傷、齒輪損傷磨料磨損：雜

2、質(zhì)等磨料磨損：雜質(zhì)等粘附磨損：油膜被擦破后，在摩擦和壓力下，嚙合金屬局部焊合又被撕裂粘附磨損：油膜被擦破后，在摩擦和壓力下，嚙合金屬局部焊合又被撕裂疲勞剝落：材料疲勞引起。齒輪根部滾動(dòng)方向與相對(duì)滑動(dòng)方向相反，表面疲勞剝落：材料疲勞引起。齒輪根部滾動(dòng)方向與相對(duì)滑動(dòng)方向相反，表面受拉應(yīng)力，疲勞剝落最易發(fā)生在齒輪根部近節(jié)圓處。受拉應(yīng)力，疲勞剝落最易發(fā)生在齒輪根部近節(jié)圓處。斷齒：疲勞（疲勞斷齒）、重載、磨損、沖擊等引起。斷齒：疲勞（疲勞斷齒）、重載、磨損、沖擊等引起。 .齒輪失效形式及其原因齒輪失效形式及其原因齒輪的失效而造成齒輪箱故障所占比重最大（齒輪的失效而造成齒輪箱故障所占比重最大（60%）提高

3、齒輪箱運(yùn)行的可靠性：提高齒輪箱運(yùn)行的可靠性：一方面改進(jìn)設(shè)計(jì)、制造和裝配質(zhì)量一方面改進(jìn)設(shè)計(jì)、制造和裝配質(zhì)量一方面提高運(yùn)行維護(hù)水平，對(duì)齒輪箱作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行故障診斷一方面提高運(yùn)行維護(hù)水平，對(duì)齒輪箱作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行故障診斷一、齒輪箱的失效形式一、齒輪箱的失效形式 二、齒輪的異常現(xiàn)象二、齒輪的異?，F(xiàn)象Anhui University of Technology.齒輪振動(dòng)機(jī)理齒輪振動(dòng)機(jī)理一、一、 齒輪動(dòng)力學(xué)分析齒輪動(dòng)力學(xué)分析1、振動(dòng)系統(tǒng)、振動(dòng)系統(tǒng)齒輪的質(zhì)量、彈簧（輪齒）構(gòu)成一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)際上，齒輪的質(zhì)量、彈簧（輪齒）構(gòu)成一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)際上，振動(dòng)系統(tǒng)由軸、齒輪和軸上其它零件構(gòu)成，由于齒的剛度遠(yuǎn)大于振動(dòng)

4、系統(tǒng)由軸、齒輪和軸上其它零件構(gòu)成，由于齒的剛度遠(yuǎn)大于軸的剛度，所以考慮齒輪引起的振動(dòng)時(shí)，忽略軸及其零件的慣性軸的剛度，所以考慮齒輪引起的振動(dòng)時(shí)，忽略軸及其零件的慣性載荷。載荷。3211232、彈簧剛度變化規(guī)律、彈簧剛度變化規(guī)律當(dāng)齒受力時(shí)，可把齒看成懸臂梁，受彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力、徑向壓應(yīng)力。當(dāng)齒受力時(shí)，可把齒看成懸臂梁，受彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力、徑向壓應(yīng)力。齒撓度：齒撓度：齒面法線方向撓度齒面法線方向撓度根部撓度根部撓度接觸應(yīng)力產(chǎn)生的變形接觸應(yīng)力產(chǎn)生的變形彈簧剛度：彈簧剛度： 1K212/ )()()(riTTtExtKxcxMr Anhui University of Technology.齒輪振動(dòng)機(jī)

5、理齒輪振動(dòng)機(jī)理 對(duì)于漸開線齒輪，節(jié)線附近為單齒嚙合，節(jié)線兩側(cè)至頂、根為雙齒嚙合，對(duì)于漸開線齒輪，節(jié)線附近為單齒嚙合，節(jié)線兩側(cè)至頂、根為雙齒嚙合，在嚙合過程中，載荷分配發(fā)生周期性變化，引起齒形發(fā)生變化。在嚙合過程中，載荷分配發(fā)生周期性變化，引起齒形發(fā)生變化。由于軸、軸承座的變形及齒向誤差的影響，這一振動(dòng)將同時(shí)引發(fā)徑向和由于軸、軸承座的變形及齒向誤差的影響，這一振動(dòng)將同時(shí)引發(fā)徑向和軸向振動(dòng)。軸向振動(dòng)。 周期性矩形波可分解為許多正弦波之和，正弦波中有基頻即嚙合頻周期性矩形波可分解為許多正弦波之和，正弦波中有基頻即嚙合頻率、及其高次諧波，齒輪誤差也含有基頻分量，齒輪的振動(dòng)源就是以該基率、及其高次諧波，

6、齒輪誤差也含有基頻分量，齒輪的振動(dòng)源就是以該基頻波及其高次諧波組成的譜。頻波及其高次諧波組成的譜。 直齒輪對(duì)嚙合齒的彈簧剛度變化斜齒輪對(duì)嚙合齒的彈簧剛度變化直齒輪對(duì)嚙合齒的彈簧剛度變化斜齒輪對(duì)嚙合齒的彈簧剛度變化Anhui University of Technology.齒輪振動(dòng)機(jī)理齒輪振動(dòng)機(jī)理3、齒輪固有頻率齒輪固有頻率mkfc21固有頻率只與齒輪本身有關(guān)，一般在1KHZ至10KHZ高頻。、振源、振源主要振源：傳動(dòng)誤差，即一對(duì)齒輪付在恒定傳遞扭矩主要振源：傳動(dòng)誤差，即一對(duì)齒輪付在恒定傳遞扭矩時(shí)，輸出軸實(shí)際角位置與理論位置之差值，主要取決于制時(shí)，輸出軸實(shí)際角位置與理論位置之差值，主要取決于制

7、造安裝精度。造安裝精度。另外，軸、軸承、軸承座等的變形也會(huì)引起振動(dòng)，要另外，軸、軸承、軸承座等的變形也會(huì)引起振動(dòng)，要加以區(qū)分。加以區(qū)分。Anhui University of Technology.齒輪振動(dòng)機(jī)理齒輪振動(dòng)機(jī)理60/zn60/znzfzff22112211z二、 幅值調(diào)制和頻率調(diào)制幅值調(diào)制和頻率調(diào)制一對(duì)齒輪副嚙合，其嚙合振動(dòng)為頻率n1、n2為大小齒輪的轉(zhuǎn)速為大小齒輪的轉(zhuǎn)速；、為大小齒輪的齒數(shù)為大小齒輪的齒數(shù)。齒輪所發(fā)生的振動(dòng)中，包括有與齒輪所發(fā)生的振動(dòng)中，包括有與齒輪的嚙合頻率（旋轉(zhuǎn)頻率）有關(guān)齒輪的嚙合頻率（旋轉(zhuǎn)頻率）有關(guān)的低頻振動(dòng)和與固有頻率相關(guān)的高的低頻振動(dòng)和與固有頻率相關(guān)的高

8、頻振動(dòng)，故障振動(dòng)頻率對(duì)這兩個(gè)頻頻振動(dòng)，故障振動(dòng)頻率對(duì)這兩個(gè)頻率進(jìn)行調(diào)制。率進(jìn)行調(diào)制。 )(21)(21)()()2sin()2cos1 ()(zcczcczfffABfffABffAfXtftfBAtX 邊頻以載波頻邊頻以載波頻率為中心，在其率為中心，在其兩側(cè)分布。幅值兩側(cè)分布。幅值調(diào)制中總能量增調(diào)制中總能量增加，頻率調(diào)制中加，頻率調(diào)制中總能量保持不變。總能量保持不變。 頻率調(diào)制的頻率調(diào)制的頻譜圖中，以嚙頻譜圖中，以嚙合頻率為中心，合頻率為中心，以調(diào)制頻率為間以調(diào)制頻率為間隔形成無限多對(duì)隔形成無限多對(duì)調(diào)制邊頻帶。調(diào)制邊頻帶。 單獨(dú)情況下，單獨(dú)情況下，邊頻對(duì)稱于載波邊頻對(duì)稱于載波頻率，兩種情況頻

9、率，兩種情況同時(shí)作用，邊頻同時(shí)作用，邊頻就不一定對(duì)稱與就不一定對(duì)稱與載波頻率。載波頻率。 齒輪不平衡、對(duì)中不良和機(jī)械松動(dòng)等產(chǎn)生的齒輪不平衡、對(duì)中不良和機(jī)械松動(dòng)等產(chǎn)生的附加脈沖信號(hào)附加脈沖信號(hào)是直是直接疊加在齒輪的常規(guī)振動(dòng)上，是齒輪旋轉(zhuǎn)頻率的地磁諧波。接疊加在齒輪的常規(guī)振動(dòng)上，是齒輪旋轉(zhuǎn)頻率的地磁諧波。 隱含譜線隱含譜線是加工過程中產(chǎn)生的齒輪零件的周期性缺陷，對(duì)應(yīng)于是加工過程中產(chǎn)生的齒輪零件的周期性缺陷，對(duì)應(yīng)于滾齒機(jī)工作臺(tái)分度渦輪的嚙合頻率，來源于分度渦輪、蝸桿及齒滾齒機(jī)工作臺(tái)分度渦輪的嚙合頻率，來源于分度渦輪、蝸桿及齒輪的誤差。輪的誤差。 （1）隱含譜線一般對(duì)應(yīng)于某個(gè)分度渦輪的整齒數(shù)，表現(xiàn)為一

10、）隱含譜線一般對(duì)應(yīng)于某個(gè)分度渦輪的整齒數(shù)，表現(xiàn)為一個(gè)特定的回轉(zhuǎn)頻率的諧波。個(gè)特定的回轉(zhuǎn)頻率的諧波。 （2）隱含譜線是由幾何誤差產(chǎn)生的，齒輪工作載荷對(duì)它的影）隱含譜線是由幾何誤差產(chǎn)生的，齒輪工作載荷對(duì)它的影響很小，隨著齒輪的跑合和磨損它會(huì)逐漸降低。響很小，隨著齒輪的跑合和磨損它會(huì)逐漸降低。 齒輪測(cè)量所得的信號(hào)中必然包含軸承振動(dòng)的成分，軸承常規(guī)齒輪測(cè)量所得的信號(hào)中必然包含軸承振動(dòng)的成分，軸承常規(guī)振動(dòng)的水平一般要小于齒輪振動(dòng)一個(gè)數(shù)量級(jí)?；瑒?dòng)軸承工作在低振動(dòng)的水平一般要小于齒輪振動(dòng)一個(gè)數(shù)量級(jí)?；瑒?dòng)軸承工作在低頻段，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)的特征頻率范圍比較寬，起診斷不宜在齒頻段，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)的特征頻率范圍比較

11、寬，起診斷不宜在齒輪振動(dòng)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行。輪振動(dòng)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行。三、三、 齒輪診斷中其它成分齒輪診斷中其它成分.齒輪振動(dòng)機(jī)理齒輪振動(dòng)機(jī)理Anhui University of TechnologyAnhui University of Technology.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法Anhui University of Technology.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法一、頻域分析一、頻域分析、頻譜邊帶分析頻譜邊帶分析齒輪的振動(dòng)信號(hào)及其頻譜不僅包含嚙合頻率及其各高次諧波，還包括由于齒輪的振動(dòng)信號(hào)及其頻譜不僅包含嚙合頻率及其各高次諧波，還包括由于調(diào)制效應(yīng)而產(chǎn)生的邊頻帶以及其他成分。調(diào)制效應(yīng)而產(chǎn)

12、生的邊頻帶以及其他成分。齒輪的許多缺陷是以邊帶的形式呈現(xiàn)出來的，它實(shí)際上是以產(chǎn)生的故障頻齒輪的許多缺陷是以邊帶的形式呈現(xiàn)出來的，它實(shí)際上是以產(chǎn)生的故障頻率作為調(diào)制信號(hào)對(duì)某一較高頻率如嚙合頻率進(jìn)行調(diào)制的結(jié)果。率作為調(diào)制信號(hào)對(duì)某一較高頻率如嚙合頻率進(jìn)行調(diào)制的結(jié)果。（1）幅值調(diào)制幅值調(diào)制條件：轉(zhuǎn)速恒定，且齒距完全相等條件：轉(zhuǎn)速恒定，且齒距完全相等幅值調(diào)制幅值調(diào)制是由于齒面載荷波動(dòng)對(duì)振動(dòng)幅值的影響造成的。齒輪的偏心、是由于齒面載荷波動(dòng)對(duì)振動(dòng)幅值的影響造成的。齒輪的偏心、加工誤差（節(jié)距不均）、載荷變化、齒輪故障等（這些缺陷的頻率與齒輪加工誤差（節(jié)距不均）、載荷變化、齒輪故障等（這些缺陷的頻率與齒輪的旋轉(zhuǎn)

13、頻率有關(guān)），使振幅在嚙合中由于短暫的加卸載而規(guī)律地周期性變的旋轉(zhuǎn)頻率有關(guān)），使振幅在嚙合中由于短暫的加卸載而規(guī)律地周期性變化?；?。Anhui University of Technology.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法高頻部分是載波高頻部分是載波（一般為嚙合頻率成分）相對(duì)較低頻率成分稱為較低頻率成分稱為調(diào)制波調(diào)制波，本圖為齒輪局部缺陷，調(diào)制結(jié)果是頻譜圖上調(diào)制結(jié)果是頻譜圖上（兩信號(hào)卷積）在嚙合（兩信號(hào)卷積）在嚙合頻率及其高次諧波分量頻率及其高次諧波分量?jī)蓯女a(chǎn)生兩惻產(chǎn)生一系列邊頻帶。邊頻帶的譜線間距為調(diào)邊頻帶的譜線間距為調(diào)制信號(hào)的特征頻率。在制信號(hào)的特征頻率。在有些情況下，找到了調(diào)有些情況下，找

14、到了調(diào)制頻率即找到了相應(yīng)的制頻率即找到了相應(yīng)的故障類型。故障類型。Anhui University of Technology.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法圖（圖（a）為齒輪局部缺陷）為齒輪局部缺陷,在嚙合頻率及其高次諧波分量?jī)蓯女a(chǎn)生一在嚙合頻率及其高次諧波分量?jī)蓯女a(chǎn)生一系列幅值較低、分布均勻而平坦的邊頻帶。系列幅值較低、分布均勻而平坦的邊頻帶。 圖（圖（b）調(diào)制波為輪齒均布缺陷，邊頻帶高而窄。）調(diào)制波為輪齒均布缺陷，邊頻帶高而窄。Anhui University of Technology.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法0f02 f03 f04 f05 f 此時(shí)頻譜上的變化也可用調(diào)幅來解釋，調(diào)

15、制頻率等于載波頻率，此時(shí)頻譜上的變化也可用調(diào)幅來解釋，調(diào)制頻率等于載波頻率， （齒輪嚙合頻率），邊頻成分剛好疊加到各階嚙合成分上去了，（齒輪嚙合頻率），邊頻成分剛好疊加到各階嚙合成分上去了，似乎看不到邊頻了。似乎看不到邊頻了。 齒輪磨損時(shí)齒輪磨損時(shí)Anhui University of Technology.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法（2）頻率調(diào)制頻率調(diào)制 各種原因產(chǎn)生的載荷波動(dòng) 振動(dòng)幅值產(chǎn)生影響外，同時(shí)扭矩波動(dòng) 齒輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動(dòng)，這種波動(dòng)表現(xiàn)在振動(dòng)上即頻率調(diào)制頻率調(diào)制。頻率調(diào)制的根源在于齒輪嚙合剛度函數(shù)由于齒輪加工誤差頻率調(diào)制的根源在于齒輪嚙合剛度函數(shù)由于齒輪加工誤差和故障的影響而產(chǎn)生了相

16、位變化。和故障的影響而產(chǎn)生了相位變化。兩種調(diào)制總是同時(shí)存在的兩種調(diào)制總是同時(shí)存在的，調(diào)頻的結(jié)果也是產(chǎn)生邊頻帶，只調(diào)頻的結(jié)果也是產(chǎn)生邊頻帶，只是它不對(duì)稱于載波（嚙合頻率）頻率及其高次諧波分量。是它不對(duì)稱于載波（嚙合頻率）頻率及其高次諧波分量。 齒輪診斷信號(hào)中除了嚙合頻率、邊頻成分外，還有其他如附加脈沖、隱含鬼線、軸承振動(dòng)等成分 為故障頻率。Anhui University of Technology.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法（3）頻譜邊帶分析頻譜邊帶分析齒輪傳動(dòng)中許多缺陷都是以邊頻的形式表現(xiàn)出來的。 c0nff cf一族頻率為的邊頻帶，00nff 如齒輪偏心、齒距周期變化、載荷波動(dòng)缺陷，即齒

17、輪轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一次變化，則缺陷頻率與齒輪轉(zhuǎn)速一致，產(chǎn)生一族邊頻帶。 齒面剝落、裂紋及斷齒產(chǎn)生它應(yīng)有的周期脈沖，頻譜中產(chǎn)生脈沖頻率外，還會(huì)在嚙合頻率兩邊產(chǎn)生一族邊頻帶。 由于局部缺陷與均勻缺陷引起的脈沖寬度不一樣，邊帶形式和幅值也會(huì)有所不同。5.3.3邊頻帶分析邊頻帶分析5.3.35.3.3邊頻帶分析邊頻帶分析邊頻帶成分中包含有豐富的齒輪故障信息，在頻譜分析時(shí)必須具有足夠高的頻率分辨率，必要時(shí)應(yīng)對(duì)感興趣的頻段進(jìn)行頻率細(xì)化分析。1.當(dāng)邊頻帶間隔為旋轉(zhuǎn)頻率時(shí)，可能與齒輪偏心、齒距周期變化及載荷的波動(dòng)有關(guān)。2.齒輪的點(diǎn)蝕和齒輪的剝落、齒根裂紋形成邊頻帶如圖a、b所示。Anhui University o

18、f Technology.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法2、齒輪的倒頻譜分析、齒輪的倒頻譜分析 倒頻譜的信號(hào)一部分取決于信號(hào)的傳遞路徑，頻率較低，另一部分取決于倒頻譜的信號(hào)一部分取決于信號(hào)的傳遞路徑，頻率較低，另一部分取決于信號(hào)源，頻率較高，兩者非常容易區(qū)分。在功率譜中（得不到對(duì)稱的邊頻帶）信號(hào)源，頻率較高，兩者非常容易區(qū)分。在功率譜中（得不到對(duì)稱的邊頻帶）模糊不清的邊頻帶信息在倒譜中一目了然（成族的邊頻譜線簡(jiǎn)化為便于觀察的模糊不清的邊頻帶信息在倒譜中一目了然（成族的邊頻譜線簡(jiǎn)化為便于觀察的單根譜線，位置代表功率譜中的相應(yīng)譜族的頻率間隔時(shí)間）。另外其倒譜不受單根譜線，位置代表功率譜中的相應(yīng)譜族的

19、頻率間隔時(shí)間）。另外其倒譜不受調(diào)幅與調(diào)頻相位差的影響，能較好地檢測(cè)出功率譜上的周期成分。調(diào)幅與調(diào)頻相位差的影響，能較好地檢測(cè)出功率譜上的周期成分。例：右圖中a是功率譜，頻率020kz，其中包含嚙合頻率（4.3kz）及其三次諧波，譜上沒有分解出邊頻帶。 傳遞途徑對(duì)信號(hào)的影響表現(xiàn)在低頻段。.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法圖圖b是是2000線細(xì)分功率譜，線細(xì)分功率譜，3.513.5kz,含前三階嚙合諧波，含前三階嚙合諧波，但不含軸旋轉(zhuǎn)頻率的低階諧波。但不含軸旋轉(zhuǎn)頻率的低階諧波?？梢钥吹接泻芏噙咁l帶，但難可以看到有很多邊頻帶，但難以觀察。以觀察。 圖圖c經(jīng)高分辨率信號(hào)分析儀處經(jīng)高分辨率信號(hào)分析儀處理，可

20、見很多邊頻，但仍然理，可見很多邊頻，但仍然不是很清楚。不是很清楚。.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法圖圖d是圖是圖b功率譜功率譜的倒譜，清楚地的倒譜，清楚地表明了對(duì)應(yīng)于兩表明了對(duì)應(yīng)于兩軸旋轉(zhuǎn)頻率軸旋轉(zhuǎn)頻率（85hz、50hz）的兩個(gè)分量，卻的兩個(gè)分量，卻在圖在圖c上都難以分上都難以分辨出來。辨出來。.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法 圖中為兩個(gè)傳感器在不同位置測(cè)量得到的信號(hào)，由于傳遞路徑不同，圖中為兩個(gè)傳感器在不同位置測(cè)量得到的信號(hào)，由于傳遞路徑不同，兩個(gè)信號(hào)不同，由于倒頻譜中的信號(hào)源特征和傳遞途徑的效應(yīng)可以分開，兩個(gè)信號(hào)不同，由于倒頻譜中的信號(hào)源特征和傳遞途徑的效應(yīng)可以

21、分開，因此兩個(gè)信號(hào)的到頻譜在代表齒輪的特征頻率的分量上幾乎完全相同。因此兩個(gè)信號(hào)的到頻譜在代表齒輪的特征頻率的分量上幾乎完全相同。Anhui University of Technology.齒輪故障診斷法齒輪故障診斷法二、二、 時(shí)域分析（同期時(shí)間平均技術(shù)）時(shí)域分析（同期時(shí)間平均技術(shù)）同期時(shí)間平均即前文所述同期時(shí)間平均即前文所述相干檢波相干檢波。以感興趣的齒輪旋轉(zhuǎn)。以感興趣的齒輪旋轉(zhuǎn)周期為時(shí)標(biāo)信號(hào)來作時(shí)域平均，該旋轉(zhuǎn)頻率及其諧波分量周期為時(shí)標(biāo)信號(hào)來作時(shí)域平均，該旋轉(zhuǎn)頻率及其諧波分量保留，而其他噪聲逐漸消失，比較明顯的故障可從時(shí)域波保留，而其他噪聲逐漸消失，比較明顯的故障可從時(shí)域波形上反映出來。形上反映出來。時(shí)域平均對(duì)滾動(dòng)軸承診斷基本無用，因?yàn)闈L動(dòng)軸承特征頻時(shí)域平均對(duì)滾動(dòng)軸承診斷基本無用，因?yàn)闈L動(dòng)軸承