齒輪故障的常見形式與原因一、齒輪故障的常見形式齒輪由于構(gòu)造型式、材料與熱處理、操作運(yùn)行環(huán)境與條件等因素不同，發(fā)生故障的形式也不同，常見的齒輪故障有以下幾類形式。(1)齒面磨損光滑油缺乏或油質(zhì)不清潔會造成齒面磨粒磨損，使齒廓改變，側(cè)隙加大，以致由于齒輪過度減薄導(dǎo)致斷齒。一般情況下，只有在光滑油中夾雜有磨粒時，才會在運(yùn)行中引起齒面磨粒磨損。齒面膠合和擦傷對于重載和高速齒輪的傳動，齒面工作區(qū)溫度很高，一旦光滑條件不良，齒面間的油膜便會消失，一個齒面的金屬會熔焊在與之嚙合的另一個齒面上，在齒面上形成垂直于節(jié)線的劃痕狀膠合。新齒輪未經(jīng)磨合便投人使用時，常在某一部分產(chǎn)生這種現(xiàn)象，使齒輪擦傷。齒面接觸疲勞齒輪在實(shí)際嚙合過程中，既有相對滾動，又有相對滑動，而且相對滑動的摩擦力在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的方向相反，從而產(chǎn)生脈動載荷。載荷和脈動力的作用使齒輪外表層深處產(chǎn)生脈動循環(huán)變化的剪應(yīng)力，當(dāng)這種剪應(yīng)力超過齒輪材料的疲勞極限時，接觸外表將產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，最終使齒面剝落小片金屬，在齒面上形成小坑，稱之為點(diǎn)蝕。當(dāng)“點(diǎn)蝕〞擴(kuò)大連成片時，形成齒面上金屬塊剝落。此外，材質(zhì)不均勻或部分擦傷，也容易在某一齒上首先出現(xiàn)接觸疲勞，產(chǎn)生剝落。彎曲疲勞與斷齒在運(yùn)行過程中承受載荷的輪齒，如同懸臂梁，其根部受到脈沖循環(huán)的彎曲應(yīng)力作用最大，當(dāng)這種周期性應(yīng)力超過齒輪材料的疲勞極限時，會在根部產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展，當(dāng)剩余部分無法承受傳動載荷時就會發(fā)生斷齒現(xiàn)象。齒輪由于工作中嚴(yán)重的沖擊、偏載以及材質(zhì)不均勻也可能會引起斷齒。斷齒和點(diǎn)蝕是齒輪故障的主要形式。齒輪故障還可分為部分故障和分布故障。部分故障集中在一個或幾個齒上，而分布故障那么在齒輪各個輪齒上都有表達(dá)。二、齒輪故障的原因產(chǎn)生上述齒輪故障的原因較多，但從大量故障的分析統(tǒng)計結(jié)果來看，主要原因有以下幾個方面：1．制造誤差齒輪制造誤差主要有偏心、齒距偏向和齒形誤差等。偏心是指齒輪〔一般為旋轉(zhuǎn)體〕的幾何中心和旋轉(zhuǎn)中心不重合，齒距偏向是指齒輪的實(shí)際齒距與公稱齒距有較大誤差，而齒形誤差是指漸開線齒廓有誤差。齒輪裝配不當(dāng)會造成工作狀態(tài)劣化。當(dāng)一對互相嚙合的齒輪軸不平行時，會在齒寬方向只有一端接觸，或者出現(xiàn)齒輪的直線性偏向等，使齒輪所承受的載荷在齒寬方向不均勻，不能平穩(wěn)地傳遞動扭矩，這種情況稱為“一端接觸〞，會使齒的部分承受過大的載荷，有可能造成斷齒。對于高速重載齒輪，光滑不良會導(dǎo)致齒面部分過熱，造成色變、膠合等故障。導(dǎo)致光滑不良的原因是多方面的，除了油路堵塞、噴油孔堵塞外，光滑油中進(jìn)水、光滑油變質(zhì)、油溫過高等都會造成齒面光滑不良。4．超載對于工作負(fù)荷不平穩(wěn)的齒輪驅(qū)動裝置〔例如礦石破碎機(jī)、采掘機(jī)等〕，經(jīng)常會出現(xiàn)過載現(xiàn)象，假如沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，就會造成輪齒過載斷裂，或者長期過載導(dǎo)致大量輪齒根部疲勞裂紋、斷裂。5．操作失誤操作失誤通常包括缺油、超載、長期超速等，都會造成齒輪損傷、損壞。三、齒輪損傷形式與原因?qū)φ毡砀鶕?jù)上述分析，結(jié)合大量故障損壞實(shí)例，表1列出了齒輪常見的損傷、損壞形式及產(chǎn)生原因。表1齒輪常見損傷形式及其產(chǎn)生的原因

迴怙峙訃損協(xié)懇匡鎖竊結(jié)鑒占膺竝性議址肋齋就1心歯面韓烈驗?zāi)顁ti康揃引起田耳部倚髭③齒隙郢疋曲用面加工甫壓迭不到矍渡③幅肘于弋遠(yuǎn)■杓氏茶.席雄址和齒囪崗新牡化，癡勞奇術(shù)隨之禪低舛面暫愛色現(xiàn)象①齒窗亜鷹低■.姐質(zhì)劃慫說罟或態(tài)生比產(chǎn)生肢合的前兆也期點(diǎn)懊倉t.機(jī)相角號眾IW近能肓軽議面上r具有點(diǎn)誣幫燒O也垢周郴凸走?関関質(zhì)曼軌X妝新|②密交空山./J柞荒尬輕尙加聊梅WM；丸汕點(diǎn)冗勺丿一閔珂靈社環(huán)?由丁JW?(點(diǎn)誣上1黑動態(tài)吧倚迦宓悔御預(yù)度低光諂康糠①匱滑訥不口也坑往吃直為15藥富，雖繆T更隹舛贈弄斷黑里坑1巴確赫性応鈾.人而星，新囪鞍的允滑“實(shí)於牛.札曲取或旳軸剖①?花淸的盅總痢宦客層縱陪圧-奠處JI!產(chǎn)呻皿忠的H應(yīng)方嚴(yán)生是Ihl望衣的齒禹叢-卉掲壞flf軋利睡需齒頂咸齒軸邢產(chǎn)生飛邊戎崗頂捷圓.左動老在坤面店沃酣址由凰H吒，從渤輪產(chǎn)■+.凸趙丫更帥擊班曲畀川童咱合”；便致桂宙面述服利空J(rèn)E那悔面匹便妊①狷卅不良適常奩曲血1:產(chǎn)葉"局時完全秋股壞、抿岳攏丙乩朵絆舒產(chǎn)世嚴(yán)?陸卿性吏昭，適而閃輪摳脛中耳窘謝L就S&空4.4離頂，從前聰璘生任齒抿：1：驗國#愛過戲輯蒔2河沿不隨便用疥曲障梃r嗓崗坐人施希tt僑劉.l.ftSit,齒旳裁近①肯椅吆弩廿園的槽功受JU丁洵誚不總丐樂窯敷點(diǎn)獨(dú)利如性亞竝.壽曲區(qū)暮障低睡科悄呦占面滯動方冋上出瑚就幅①沖界的裁粳進(jìn)人禪苗酯音面血用壽辛降低，鋼附淒件述立的曲紅込潤淆雅址血網(wǎng)折疑-殽舟優(yōu)肢汴掛桁沿齒和曲捅曰方向影鷹詢靜，也疔損剝節(jié)線阿近按搶咸凹址丫鍥齒邪區(qū)壞哥黛山予用部忡搖觸齒阿t:需油腳M：③單淫扶経放荷過大導(dǎo)枚齒艙早期拇址琦磨損上間陽輪的擰按瑟攔俠，從辺郵忙制造車當(dāng)琨五睹丿「攝纓導(dǎo)聶一-密蠟動齒輪齒匱嚴(yán)壇莊壞②拠裝不此合齒罐全部投廢住齒囿上產(chǎn)垃鹿址斑點(diǎn)加也干玄HF詢旳濕弋休、厭或涯性披質(zhì)運(yùn)噸閹柑澹飾污聲(SifflflTilli⑵的啟壓剤節(jié)加卓冇降低使堵痔席砂-卜庇薄酋金屆片肌真咖酗卜，嚴(yán)朮叫可在潤精礎(chǔ)中看調(diào)入銘的金JM潮片①齒面咬化宦過藩或心弗侯歴低氓倨規(guī)遂工藝不號噪盧眉応「仔奴內(nèi)希攢外施姒朗面產(chǎn)生汲散壯爰慚.□讒鎖的凰閑戦心齒輪最為需乩邊満淆木勺◎商族按動毘鄭和蟹撫忙侯曲面槿服嶂也増丈續(xù)表

薩握 1iSflriyMHW面同抑裁塹隆許聊吹僮膽的蛇犠"倉見于臬曝創(chuàng)凰曲毀小自輪虛丹冏何輪負(fù)低赴丸制潘牢此產(chǎn)生塑性變常.若轉(zhuǎn)面加工疑化用irttias盤丸主減壞創(chuàng)上可N.-進(jìn)小的貝譽(yù)故耘瞬址.崔加中心科泮稱的①世卄不廿燼艷悼崟圮F前ElfHI起說力銀申豺料晞U愼■-坪擢在甘料斷口咆蕭沖戟失冷暉止或拔向軸承購茹r釉町ffe戒啼肅直咬就*沖SiHR希恂0［成齒-權(quán)的盹爾發(fā)屯，乾忻fli邪有吋也罰不理黑袈坯鵜it_fl廂肖山卷的準(zhǔn)半桂過血加工曲腫矗齒屜炭ff?廉疫進(jìn)業(yè)瞬躊?盤創(chuàng)此IS嘴斶盤製SE帶期屈默強(qiáng)崩祈h樽牡用母巧&咬雷Lg引起虛審帯裂臬腹恂ifin那関卉向ihflt費(fèi)養(yǎng)擾的蒯妊或呈啊瑩號將并腹①局障推融應(yīng)力集中齒輪的振動機(jī)理一、齒輪的力學(xué)模型分析如圖1所示為齒輪副的力學(xué)模型，其中齒輪具有一定的質(zhì)量，輪齒可看作是彈簧，所以假設(shè)以一對齒輪作為研究對象，那么該齒輪副可以看作一個振動系統(tǒng)，其振動方程為ntpf+匚壬+*仃）龍=怡（￡）￡1十A（t ）式中x—沿作用線上齒輪的相對位移;c—齒輪嚙合阻尼；k〔t〕一齒輪嚙合剛度；T］，T2—作用于齒輪上的扭矩；r2—齒輪的節(jié)圓半徑；i—齒輪副的傳動比；e〔t〕一由于輪齒變形和誤差及故障而造成的個齒輪在作用線方向上的相對位移；m—換算質(zhì)量。r圖1齒輪副力學(xué)模型m=mm/(m+m) 〔1-2〕r1 2 1 2假設(shè)忽略齒面摩擦力的影響，那么(T2-iT])/r2=0，將e〔t〕分解為兩部分：e(t)=e+e(t) 〔1-3〕12e]為齒輪受載后的平均靜彈性變形；e2(t)為由于齒輪誤差和故障造成的兩個齒輪間的相對位移，故也可稱為故障函數(shù)。這款式(1-1)可簡化為「一―〔1-4〕由式(1-4)可知，齒輪的振動為自激振動。該公式的左側(cè)代表齒輪副本身的振動特征，右側(cè)為激振函數(shù)。由激振函數(shù)可以看出，齒輪的振動來源于兩部分：一部分為k〔t〕e,它與齒輪的誤差和故障無關(guān)，所以稱為常規(guī)振動；另一部分為k〔t)e2(t),它取決于齒輪的綜合剛度和故障函數(shù)，這一部分可以較好地解釋齒輪信號中邊頻的存在以及與故障的關(guān)系。式(1-4)中的齒輪嚙合剛度k(t)為周期性的變量，由此可見齒輪的振動主要是由k〔t〕的這種周期變化引起的。k(t)的變化可用兩點(diǎn)來說明：一是隨著嚙合點(diǎn)位置的變化，參加嚙合的單一輪齒的剛度發(fā)生了變化，二是參加嚙合的齒數(shù)在變化。例如對于重合系數(shù)在1-2之間的漸開線直齒輪，在節(jié)點(diǎn)附近是單齒嚙合，在節(jié)線兩側(cè)某部位開場至齒頂、齒根區(qū)段為雙齒嚙合〔圖2〕。顯然，在雙齒嚙合時，整個齒輪的載荷由兩個齒分擔(dān)，故此時齒輪的嚙合剛度就較大；同理，單齒嚙合時嚙合剛度較小。

圖2齒面受載變化 圖3嚙合剛度變化曲線從一個輪齒開場進(jìn)入嚙合到下一個輪齒進(jìn)入嚙合，齒輪的嚙合剛度就變化一次。由此可計算出齒輪的嚙合周期和嚙合頻率?？偟膩碚f，齒輪的嚙合剛度變化規(guī)律取決于齒輪的重合系數(shù)和齒輪的類型。直齒輪的剛度變化較為陡峭，而斜齒輪或人字齒輪剛度變化較為平緩，較接近正弦波〔圖3）。假設(shè)齒輪副主動輪轉(zhuǎn)速為齒數(shù)為Z1;從動輪轉(zhuǎn)速為n2、齒數(shù)為Z2，那么齒輪嚙合剛度的變化頻率〔即嚙合頻率〕為_til_ft2〔1-5〕無論齒輪處于正?；虍惓顟B(tài)下，這一振動成分總是存在的。但兩種狀態(tài)下振動程度是有差異的。因此，根據(jù)齒輪振動信號嚙合頻率分量進(jìn)展故障診斷是可行的。但由于齒輪信號比擬復(fù)雜，故障對振動信號的影響也是多方面的，特別是由于幅值調(diào)制和頻率調(diào)制的作用，齒輪振動頻譜上通?？偸谴嬖诒姸嗟倪咁l帶構(gòu)造，給利用振動信號進(jìn)展故障診斷帶來一定的困難。二、幅值調(diào)制與頻率調(diào)制齒輪振動信號的調(diào)制現(xiàn)象中包含有很多故障信息，所以研究信號調(diào)制對齒輪故障診斷是非常重要的。從頻域上看，信號調(diào)制的結(jié)果是使齒輪嚙合頻率周圍出現(xiàn)邊頻帶成分。信號調(diào)制可分為兩種：幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。幅值調(diào)制幅值調(diào)制是由于齒面載荷波動對振動幅值的影響而造成的。比擬典型的例子是齒輪的偏心使齒輪嚙合時一邊緊一邊松，從而產(chǎn)生載荷波動，使振幅按此規(guī)律周期性地變化。齒輪的加工誤差〔例如節(jié)距不勻〕及齒輪故障使齒輪在嚙合中產(chǎn)生短暫的“加載〃和“卸載〃效應(yīng)，也會產(chǎn)生幅值調(diào)制。幅值調(diào)制從數(shù)學(xué)上看，相當(dāng)于兩個信號在時域上相乘；而在頻域上，相當(dāng)于兩個信號的卷積，如圖4所示。這兩個信號一個稱為載波，其頻率相對來說較高；另一個稱為調(diào)制波，其頻率相對于載波頻率來說較低。在齒輪信號中，嚙合頻率成分通常是載波成分，齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率成分通常是調(diào)制波成分。圖4單一頻率的幅值調(diào)制假設(shè)Xc(t)=Asin(2nf」+申)為齒輪嚙合振動信號，a(t)=l+Bcos2nft為齒輪軸的轉(zhuǎn)頻振動信號，那么調(diào)幅后的振動信號為x(t)=A(l+Bcos2nft)sin(2nft+rn) 〔1-6〕X cT式中A—為振幅；B—幅值調(diào)制指數(shù)；fz—調(diào)制頻率，它等于齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率。上述調(diào)制信號在頻域可表示為|x(f)=A5(f-f)+l/2AB5(f-f-f)+l/2AB(f-f+f) 〔1-7〕c cZ cZ由此可見，調(diào)制后的信號中，除原來的嚙合頻率分量外，增加了一對分量〔f+f〕和(f一f〕它們是以fC為中心，以fz為間距對稱分布于兩側(cè)，所以稱cz c z

為邊頻帶〔圖1-7).對于實(shí)際的齒輪振動信號，載波信號、調(diào)制信號都不是單一頻率的，一般來說都是周期函數(shù)。由式〔1-4)可知，一般情況下，k(t)e2(t)可以反映由故障而產(chǎn)生的幅值調(diào)制。設(shè)y(t)=k(t)e2(t) 〔1-8〕那么k⑴為載波信號，它包含有齒輪嚙合頻率及其倍頻成分，e2(t)為調(diào)幅信號，反映齒輪的誤差和故障情況。由于齒輪周而復(fù)始地運(yùn)轉(zhuǎn)，所以齒輪每轉(zhuǎn)一圈，e2(t)就變化一次，e2(t)包含齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率及其倍頻成分。在時域上，y(t)=k(t)e2(t) 〔1-9〕在頻域上，sy(f)=sK(f)*s(f) 〔1-10〕式中,,s〔f〕，s(f)和s(f〕分別為y(t),k〔t〕和e2(t)的頻譜。由于在時域y k e 2上載波信號k(t)和調(diào)幅信號e〔t)為相乘，在頻域上調(diào)制的效果相當(dāng)于它們的幅2值頻譜的卷積。即近似于一組頻率間隔較大的脈沖函數(shù)和一組頻率間隔較小的脈沖函數(shù)的卷積，從而在頻譜上形成假設(shè)干組圍繞嚙合頻率及其倍頻成分兩側(cè)的邊頻族〔圖5〕。由此可以較好地解釋齒輪集中缺陷和分布缺陷產(chǎn)生的邊頻的區(qū)別。圖6(a)為齒輪存在部分缺陷時的振動波形及頻譜。這時相當(dāng)于齒輪的振動受到一個短脈沖的調(diào)制，脈沖長度等于齒輪的旋轉(zhuǎn)周期。由此形成的邊頻帶數(shù)量多且均勻。圖6(b〕為齒輪存在分布缺陷的情形。由于分布缺陷所產(chǎn)生的幅值調(diào)制較為平緩，由此形成的邊頻帶比擬高而且窄。并且，齒輪上的缺陷分布越均勻，頻譜上的邊頻帶就越高、越集中。迎時城迎時城圖5齒輪頻譜上邊頻帶的形成烈 十 “ 竹収坯⑷舊｝馳中鈦罰圖6齒輪缺陷分布對邊頻帶的影響頻率調(diào)制齒輪載荷不均勻、齒距不均勻及故障造成的載荷波動，除了對振動幅值產(chǎn)生影響外，同時也必然產(chǎn)生扭矩波動，使齒輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動。這種波動表如今振動上即為頻率調(diào)制〔也可以認(rèn)為是相位調(diào)制〕。對于齒輪傳動，任何導(dǎo)致產(chǎn)生幅值調(diào)制的因素也同時會導(dǎo)致頻率調(diào)制。兩種調(diào)制總是同時存在的。對于質(zhì)量較小的齒輪副，頻率調(diào)制現(xiàn)象尤為突出。頻率調(diào)制即使在載波信號和調(diào)制信號均為單一頻率成分的情況下，也會形成很多邊頻成分。假設(shè)載波信號為Asin(2nf」+申)調(diào)制信號為Bsin(2n彳乙。那么頻率調(diào)制后的信號為f(t)=Asin[2nf」+Bsin(2nfZt)+申] 〔1-11〕式中A—振幅；f—載波振率；Cf—調(diào)制頻率；ZB—調(diào)制指數(shù)，等于由調(diào)制產(chǎn)生的最大相位移；?—初相角。上式可以用貝塞爾〔Besser〕函數(shù)展開，得到調(diào)頻信號的特性：調(diào)頻的振動信號包含有無限多個頻率分量，并以嚙合頻率f為中心，以調(diào)制頻率f為間c z隔形成無限多對的調(diào)制邊帶〔圖7〕。I! 114 B ..-fc-圖7頻率調(diào)制及其邊帶相位調(diào)制具有和頻率調(diào)制一樣的效果。事實(shí)上，所有的相位調(diào)制也可以看作頻率調(diào)制，反之亦然。對于齒輪振動信號而言，頻率調(diào)制的原因主要是由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)生了相位變化，這種相位變化會由于齒輪的旋轉(zhuǎn)而具有周期性。因此在齒輪信號頻率調(diào)制中，載波函數(shù)和調(diào)制函數(shù)均為一般周期函數(shù)，均包含基頻及其各階倍頻成分。調(diào)制結(jié)果是在各階嚙合頻率兩側(cè)形成一系列邊頻帶。邊頻的間隔為齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率fz，邊頻族的形狀主要取決于調(diào)制指數(shù)B。齒輪振動信號調(diào)制特點(diǎn)齒輪振動信號的頻率調(diào)制和幅值調(diào)制的共同點(diǎn)在于：①載波頻率相等；②邊帶頻率對應(yīng)相等；③邊帶對稱于載波頻率。在實(shí)際的齒輪系統(tǒng)中，調(diào)幅效應(yīng)和調(diào)頻效應(yīng)總是同時存在的，所以，頻譜上的邊頻成分為兩種調(diào)制的疊加。雖然這兩種調(diào)制中的任何一種單獨(dú)作用時所產(chǎn)生的邊頻都是對稱于載波頻率的，但兩者疊加時，由于邊頻成分具有不同的相位,所以是向量相加。疊加后有的邊頻幅值增加了，有的反而下降了，這就破壞了原有的對稱性。邊頻具有不穩(wěn)定性。幅值調(diào)制與頻率調(diào)制的相對相位關(guān)系會受隨機(jī)因素影響而變化，所以在同樣的調(diào)制指數(shù)下，邊頻帶的形狀會有所改變，但其總體程度不變。因此在齒輪故障診斷中，只監(jiān)測某幾個邊頻得到的信息往往是不全面的，據(jù)此做出的診斷結(jié)論有時是不可靠的。三、齒輪振動的其他成分齒輪振動信號中除了存在嚙合頻率、邊頻成分外，還存在有其他振動成分,為了有效地識別齒輪故障，需要對這些成分加以識別和區(qū)分。1.附加脈沖齒輪信號的調(diào)制所產(chǎn)生的信號大體上都是對稱于零電平的。但由于附加脈沖的影響，實(shí)際上測到的信號不一定對稱于零線。附加脈沖是直接疊加在齒輪的常規(guī)振動上，而不是以調(diào)制的形式出現(xiàn)，在時域上比擬容易區(qū)分，如圖8所示。在頻域上，附加脈沖和調(diào)制效應(yīng)也很容易區(qū)分。調(diào)制在譜上產(chǎn)生一系列邊頻成分，這些邊頻以嚙合頻率及其諧頻為中心，而附加脈沖是齒輪旋轉(zhuǎn)頻率的低次諧波。5｝附加部井圖8將齒輪箱振動信號分解出附加脈沖產(chǎn)生附加脈沖的主要原因有齒輪動平衡不良，對中不良和機(jī)械松動等。附加脈沖不一定與齒輪本身缺陷直接有關(guān)。附加脈沖的影響一般不會超出低頻段，即在嚙合頻率以下。齒輪的嚴(yán)重部分故障，如嚴(yán)重剝落、斷齒等也會產(chǎn)生附加脈沖。此時在低頻段上表現(xiàn)為齒輪旋轉(zhuǎn)頻率及其諧頻成分的增加。隱含譜線是功率譜上的一種頻率分量，產(chǎn)生的原因是由于加工過程中帶來的周期性缺陷。滾齒機(jī)工作臺的分度蝸輪蝸桿及齒輪的誤差。隱含譜線具有如下特點(diǎn)。隱含譜線一般對應(yīng)于某個分度蝸輪的整齒數(shù)，因此，必然表現(xiàn)為一個特定回轉(zhuǎn)頻率的諧波。隱含譜線是由幾何誤差產(chǎn)生的，齒輪工作載荷對它影響很小，隨著齒輪的跑合和磨損它會逐漸降低。3．軸承振動由于測量齒輪振動時測點(diǎn)位置通常都選在軸承座上，測得的信號中必然會包含有軸承振動的成分。正常軸承的振動程度明顯低于齒輪振動，一般要小一個數(shù)量級，所以在齒輪振動頻率范圍內(nèi)，軸承振動的頻率成分很不明顯?；瑒虞S承的振動信號往往在低頻段，即旋轉(zhuǎn)頻率及其低次諧波頻率范圍內(nèi)可以找到其特征頻率成分。而滾動軸承特征頻率范圍比齒輪要寬，所以，滾動軸承的診斷不宜在齒輪振動范圍內(nèi)進(jìn)展，而應(yīng)在高頻段或采用其他方法進(jìn)展。當(dāng)滾動軸承出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，在齒輪振動頻段內(nèi)可能會出現(xiàn)較為明顯的特征頻率成分。這些成分有時單獨(dú)出現(xiàn)，有時表現(xiàn)為與齒輪振動成分穿插調(diào)制，出現(xiàn)和頻與差頻成分，和頻與差頻會隨其根本成分的改變而改變。齒輪的振動測量與簡易診斷一、齒輪的振動測量前面已經(jīng)介紹，齒輪振動的頻帶很寬，而且低頻和高頻振動中均包含有診斷各種異常振動非常有用的信息，因此對齒輪振動的測量要求比一般機(jī)械的振動測量要高。在對齒輪振動進(jìn)展測量時，應(yīng)重點(diǎn)注意如下幾個問題：1．測點(diǎn)選擇實(shí)際進(jìn)展齒輪振動測量時，傳感器的安裝位置〔測點(diǎn)〕不同，所得到的測定值會有較大的差異。因此，最好的方法是對各測點(diǎn)做出標(biāo)記，以保證每次測定的部位不變。另外，還應(yīng)注意測定部位的外表應(yīng)是光滑干凈的，防止臟物對振動傳遞造成衰減。齒輪發(fā)生的異常是各種各樣的，發(fā)生最大振動的方向也各不一樣，因此一般應(yīng)盡可能地沿程度、垂直和軸向三個方向進(jìn)展測定。2．測量參數(shù)齒輪發(fā)生的振動中，包含有固有頻率、齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率及輪齒嚙合頻率等成分，其頻帶較寬。對這種寬帶頻率成分的振動進(jìn)展監(jiān)測與診斷時，一般情況下應(yīng)將所測的振動按頻帶分級，然后根據(jù)不同的頻率范圍選擇相應(yīng)的測量參數(shù)。前面已經(jīng)介紹過，對于低頻段進(jìn)展測量時，一般選用位移傳感器和振動位移參數(shù)；對于中頻段進(jìn)展測量時，一般選用速度型傳感器和振動速度單位；對于高頻段進(jìn)展測量時，一般實(shí)際測量中，在同一測點(diǎn)位安裝兩種或兩種以上傳感器是不利的，通常在進(jìn)展振動測定時選用加速度傳感器，再通過積分電路轉(zhuǎn)換或所需的測量參數(shù)。3．傳感器的安裝方法加速度傳感器可測定頻率范圍較寬的振動，它最終能測定的范圍取決于安裝方法。關(guān)于加速度傳感器的安裝方法，參見相關(guān)資料。4．測定周期定期測定是為了可以發(fā)現(xiàn)處于初期狀態(tài)的異常，所以需要對齒輪的檢測規(guī)定適宜的周期。周期太長，不利于及時發(fā)現(xiàn)問題；周期太短，浪費(fèi)人力物力，很不經(jīng)濟(jì)。比擬好的方法是在設(shè)備正常時保持一定的周期，而在振動增大，到達(dá)“注意〞范圍內(nèi)時，縮短監(jiān)測周期。二、齒輪的簡易診斷方法進(jìn)展簡易診斷的目的是迅速判斷齒輪是否處于正常工作狀態(tài)，對處于異常工作狀態(tài)的齒輪進(jìn)一步進(jìn)展精細(xì)診斷分析或采取其他措施。當(dāng)然，在許多情況下根據(jù)對振動的簡單分析，也可診斷出一些明顯的故障。齒輪的簡易診斷包括噪聲診斷法、振平診斷法以及沖擊脈沖〔SPM〕診斷法等，最常用的是振平診斷法。振平診斷法是利用齒輪的振動強(qiáng)度來判別齒輪是否處于正常工作狀態(tài)的診斷方法。根據(jù)斷定指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)不同，又可以分為絕對值斷定法和相對值斷定法。1．絕對值斷定法絕對值斷定法是利用在齒輪箱上同一測點(diǎn)部位測得的振幅值直接作為評價運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)。用絕對值斷定法進(jìn)展齒輪狀態(tài)識別，必須根據(jù)不同的齒輪箱，不同的使用要求制定相應(yīng)的斷定標(biāo)準(zhǔn)。制定齒輪絕對值斷定標(biāo)準(zhǔn)的主要根據(jù)如下：對異常振動現(xiàn)象的理論研究；根據(jù)實(shí)驗對振動現(xiàn)象所做的分析；對測得數(shù)據(jù)的統(tǒng)計評價；參考國內(nèi)外的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上，并不存在可適用于一切齒輪的絕對值斷定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)齒輪的大小、類型等不同時，其斷定標(biāo)準(zhǔn)自然也就不同。按一個測定參數(shù)對寬帶的振動做出判斷時，標(biāo)準(zhǔn)值一定要依頻率而改變。頻率在1kHz以下，振動按速度來斷定；頻率在1kHz以上，振動按加速度來斷定。實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)還要根據(jù)詳細(xì)情況而定。在實(shí)際應(yīng)用中，對于尚未制定出絕對值斷定標(biāo)準(zhǔn)的齒輪，可以充分利用現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)進(jìn)展統(tǒng)計平均，制定適當(dāng)?shù)南鄬喽?biāo)準(zhǔn)，采用這種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展斷定稱為相對值斷定法。相對斷定標(biāo)準(zhǔn)要求將在齒輪箱同一部位測點(diǎn)在不同時刻測得的振幅與正常狀態(tài)下的振幅相比擬，當(dāng)測量值和正常值相比到達(dá)一定程度時，斷定為某一狀態(tài)。比方，相對值斷定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定實(shí)際值到達(dá)正常值的1.6~2倍時要引起注意，到達(dá)2.56~4倍時那么表示危險等。至于詳細(xì)使用時是按照1.6倍進(jìn)展分級還是按照2倍進(jìn)展分級，那么視齒輪箱的使用要求而定，比擬粗糙的設(shè)備〔例如礦山機(jī)械〕一般使用倍數(shù)較高的分級。實(shí)際中，為了到達(dá)最正確效果，可以同時采用上述兩種方法，以便比照比擬，全面評價。三、測定參數(shù)法進(jìn)展齒輪的簡易診斷衡量設(shè)備振動值大小最直接的方法是計算振動速度或加速度信號的均方根值，它能反映出設(shè)備的振動程度。前面已經(jīng)介紹，平均值和均方根值分別為：

均方根值 〔1-2〕為了便于診斷，常用無量綱參數(shù)作為診斷標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)是對故障信息敏感,而對信號的幅值大小不敏感。前面已經(jīng)介紹的無量綱參數(shù)在齒輪故障診斷中常用的有：波形指標(biāo)峭度指標(biāo)〔1-4〕脈中指標(biāo) 峭度指標(biāo)〔1-4〕脈中指標(biāo) ?〔1-5〕峰值指標(biāo)VXVX|Li；r〔1-6〕裕度指Xl：l；LX〔1-7〕Xl：l；LX〔1-7〕式中，Xmax為峰值，Xr為方根幅值。上述診斷參數(shù)分別適用于不同的情況，沒有絕對優(yōu)劣之分。表1-1為一個用無量綱參數(shù)診斷齒輪故障的實(shí)例，新齒輪經(jīng)過運(yùn)行產(chǎn)生了疲勞剝落故障，振動信號中有明顯的沖擊脈沖，除波形參數(shù)外，各參數(shù)指標(biāo)均有明顯上升。表1-1齒輪振動信號無f綱參數(shù)診斷實(shí)例齒謎型裕圉旨標(biāo)山肖團(tuán)f標(biāo)脇中扌誨的扌詬新醉4.1432.6593.5361.233壞齒輪7.2馳4.3356.1224.7971.2帀四、齒輪簡易診斷實(shí)例此例是一個實(shí)際工作中運(yùn)用類比法進(jìn)展齒輪故障簡易診斷的實(shí)例。如圖1所示，G1,G2分別表示單級增速齒輪箱的兩個齒輪，①、②、③、④表示其4個軸承。在4個軸承座上分別用加速度傳感器測量其振動均方根值，并畫出柱狀圖。如圖2(a)所示，4個軸承的振動值差異很小，且均在允許范圍內(nèi)，表示齒輪、各軸承均正常；如圖2(b)所示，假設(shè)4個軸承中某一個振動值明顯高于其他三個，那么說明該軸承可能出現(xiàn)了故障。如圖2(c)所示，假設(shè)4個軸承的振動值差異很小，且均已超標(biāo)，那么說明齒輪出現(xiàn)了異常。圖1簡易識別的齒輪箱示意圖G1、G2一齒輪；①、②、③、④一軸承圖2用類比法判斷齒輪故障齒輪故障診斷常用信號分析處理方法振動和噪聲信號是齒輪故障特征信息的載體，目前可以通過各種信號傳感器、放大器及其他測量儀器，很方便地測量出齒輪箱的振動和噪聲信號，通過各種分析和處理，提取其故障特征信息，從而診斷出齒輪的故障。以振動與噪聲為故障信息載體來進(jìn)展齒輪的精細(xì)診斷，目前常用的信號分析處理方法有以下幾種：(1)時域分析方法，包括時域波形、調(diào)幅解調(diào)、相位解調(diào)等；(2)頻域分析，包括功率譜、細(xì)化譜；倒頻譜分析；時頻域分析方法，包括短時FFT，維格納分布，小波分析等；瞬態(tài)信號分析方法，包括瀑布圖等。上述各種信號分述處理方法前面均已介紹，在此僅針對齒輪振動的特點(diǎn)介紹其中最常用的幾種分析方法。一、頻率細(xì)化分析技術(shù)由于齒輪的振動頻譜圖包含著豐富的信息，不同的齒輪故障具有不同的振動特征，其相應(yīng)的譜線會發(fā)生特定的變化。由于齒輪故障在頻譜圖上反映出的邊頻帶比擬多，因此進(jìn)展頻譜分析時必須有足夠的頻率分辨率。當(dāng)邊頻帶的間隔〔故障頻率〕小于分辨率時，就分析不出齒輪的故障，此時可采用頻率細(xì)化分析技術(shù)進(jìn)步分辨率。以某齒輪變速箱的頻譜圖［見圖1(a)］為例，從圖中可幾以看出，在所分析的0~2kHz頻率范圍內(nèi)，有1~4階的嚙合頻率的譜線，還可較明晰地看出有間隔為25Hz的邊頻帶，而在兩邊頻帶間似乎還有其他的譜線，但限于頻率分辨率已不能明晰分辨。利用頻譜細(xì)化分析技術(shù)，對其中900?1100Hz的頻段進(jìn)展細(xì)化分析，其細(xì)化頻譜如圖1(b)所示。由細(xì)化譜中可明晰地看出邊頻帶的真實(shí)構(gòu)造，兩邊頻帶的間隔為8.3Hz，它是由于轉(zhuǎn)動頻率為8.3Hz的小齒輪軸不平衡引起的振動分量對嚙合頻率調(diào)制的結(jié)果。本例說明，用振動頻譜的邊頻帶進(jìn)展齒輪不平衡一類的故障診斷時，必需要有足夠的頻率分辨率，否那么會造成誤診或漏診，影響診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性二、倒頻譜分析對于同時有多對齒輪嚙合的齒輪箱振動頻譜圖，由于每對齒輪嚙合都將產(chǎn)

生邊頻帶，幾個邊頻帶穿插分布在一起，僅進(jìn)展頻率細(xì)化分析有時還無法看清頻譜構(gòu)造，還需要進(jìn)一步做倒頻譜分析。倒頻譜能較好地檢測出功率譜上的周期成分，通常在功率譜上無法對邊頻的總體程度作出定量估計，而倒頻譜對邊頻成分具有“概括〃才能，能較明顯地顯示出功率譜上的周期成分，將原來譜上成族的邊頻帶譜線簡化為單根譜線，便于觀察，而齒輪發(fā)生故障時的振動頻譜具有的邊頻帶一般都具有等間隔〔故障頻率〕的構(gòu)造，利用倒頻譜這個優(yōu)點(diǎn)，可以檢測出功率譜中難以辨識的周期性信號?？?Z陽 ]2 1.6口 Z陽 ]2 1.6..fAHi的善迪掙iff團(tuán)圖1齒輪振動信號的頻譜分析圖2⑻是某齒輪箱振動信號的頻譜，頻率為0~20kHz，譜線數(shù)4000其中包含嚙合頻率〔4.3kHz〕及其三階諧頻成分。由于頻率分辨率太低(50Hz)，頻譜上沒有分解出邊頻帶，圖(b)是對圖⑻中的3.5?13.5kHz頻段內(nèi)細(xì)化至2000譜線的頻譜。譜中包含前三階嚙合頻率的諧頻，但不包含齒輪旋轉(zhuǎn)頻率的低階譜波。由于分辨率較高〔5Hz)，可以看到很多邊頻成分，但仍很難分辨出它們的周期。將圖〔b)中7.5~9.5kHz頻率展開作橫向放大，得到圖〔C)，可以看到以旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻帶。圖(d)是由圖〔b)而得到倒頻譜。倒頻譜上清楚地說明了對應(yīng)于兩個齒輪旋轉(zhuǎn)頻率〔85Hz和50Hz〕的兩個倒頻分量A1〔11.8ms〕和B1〔20.0ms〕，而在功率譜上卻難以分辨出來。

fFlit氐(C)fFlit氐(C)圖2用倒頻譜分析齒輪箱振動信號中的邊頻帶1-嚙合頻率；2,3-高次諧波；A1?A5…一周期為11.$ms諧波；B1?B3…-

周期為20ms諧波倒頻譜的另一個主要優(yōu)點(diǎn)是受信號傳遞途徑影響較小，這一優(yōu)點(diǎn)對于故障識別極為有用。圖3是兩個傳感器在齒輪箱上不同測點(diǎn)的分析結(jié)果?？梢钥吹?，由于傳遞途徑不同，二者的功率譜也不一樣。但在倒頻譜上，由于信號源的振動效應(yīng)和傳遞途徑的效應(yīng)別分開來，代表齒輪振動特征的倒頻率分量幾乎完全一樣，只是低倒頻率段存在由于傳遞函數(shù)差異而產(chǎn)生的影響。由此