齒輪箱是城軌車(chē)輛機(jī)械設(shè)備的常見(jiàn)的連接環(huán)節(jié)和動(dòng)力傳動(dòng)裝置，其工作原理是轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)齒輪箱內(nèi)的扇形齒輪，并垂直地向另一個(gè)軸傳送力矩，簡(jiǎn)單地說(shuō)，可以表示為一個(gè)大的齒輪帶動(dòng)小的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)或小的齒輪帶動(dòng)大的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪箱可以進(jìn)行動(dòng)力分配，同時(shí)，它也可以作為一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，將發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化為所需轉(zhuǎn)數(shù)并且改變扭矩[10]。齒輪箱具有很多類(lèi)型，按照不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)可分為以下幾種：根據(jù)傳統(tǒng)的齒輪輪形的分類(lèi)方式，齒輪箱可分為圓柱齒輪齒輪箱、行星齒輪齒輪箱、蝸桿齒輪箱和它們互相組合起來(lái)的齒輪箱；根據(jù)齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的布置形式又包括展開(kāi)式齒輪箱、分流式齒輪箱、同軸式齒輪箱和混合式齒輪箱11]。其中雙極圓柱齒輪箱，蝸桿齒輪箱，行星齒輪齒輪箱分別如圖2-1,2-2,2-3所示。圖2-2蝸桿齒輪箱圖2-3行星齒輪齒輪箱齒輪箱是一種動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)，一般情況下包含齒輪、軸、滾動(dòng)軸承和箱體等機(jī)械部件。大多數(shù)情況下，一個(gè)傳動(dòng)副包括兩個(gè)齒輪，所有平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)都可以通過(guò)它傳遞。其能夠?qū)⑿D(zhuǎn)改為直線上的移動(dòng)或者把平動(dòng)改為旋轉(zhuǎn)，能夠按照不變的角速度傳動(dòng)也能改變角速度比。平面?zhèn)鲃?dòng)和空間傳動(dòng)是最普遍的形式。平面齒輪傳動(dòng)又有兩種類(lèi)型，即為內(nèi)嚙合和外嚙合。齒輪傳動(dòng)的傳輸精度穩(wěn)定，使用年限長(zhǎng)，軸是齒輪箱的一個(gè)重要組成部分。齒輪箱中作旋轉(zhuǎn)部分的部件如齒輪，帶輪等，只有安裝在軸上才可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。軸主要具備兩個(gè)作用：保持零件在軸上且位置不變；將動(dòng)力傳遞下去。根據(jù)軸承的狀態(tài)可以分為三類(lèi)：運(yùn)行中同時(shí)承受彎矩和扭矩的叫做旋轉(zhuǎn)軸。主軸用于支撐回轉(zhuǎn)部分的零件，其只承受有彎矩，承受不了扭矩；能承受扭矩，但不能承受彎矩或承受非常小的彎矩被稱(chēng)為傳動(dòng)軸。取決于軸線幾何形狀，軸又可以分為直軸和曲軸。齒輪箱中的軸通常是轉(zhuǎn)軸。滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)化的齒輪箱組件。當(dāng)在不同的工作條件下運(yùn)行時(shí)，對(duì)滾動(dòng)軸承有不一樣的要求，因此滾動(dòng)軸承有許多規(guī)格和型號(hào)。有內(nèi)環(huán)，外圈，滾動(dòng)元件和保持架的四個(gè)基礎(chǔ)部件。內(nèi)環(huán)一般固定軸上，并隨軸旋轉(zhuǎn)。外環(huán)一般固定于軸承座的小洞里。內(nèi)環(huán)和外環(huán)同時(shí)含帶有槽的股道，滾動(dòng)元件可以在其上運(yùn)動(dòng)。由于采用了保持架，軸承中的滾動(dòng)元件可以均勻地布置在相等的間隔上。箱體是齒輪箱的一個(gè)重要組成部分。它能承受負(fù)荷傳遞來(lái)的作用力與齒輪傳動(dòng)帶來(lái)的反作用力。對(duì)于來(lái)自各個(gè)方向上的反作用力，包括反作用力的值的大小，軸承支架和機(jī)座要對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)和壁厚，并增加所需的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。1.2齒輪箱的簡(jiǎn)化振動(dòng)模型齒輪箱的振動(dòng)大部分情況下是繁瑣的非線性振動(dòng)，而非線性振動(dòng)模型的建立是有一定難度的。因此，在對(duì)齒輪箱故障進(jìn)行分析研究時(shí)，一般都會(huì)把齒輪箱以及它的傳遞過(guò)程做一定程度的簡(jiǎn)化，如圖2-4所示。其中x表示齒輪在嚙合線方向上的相對(duì)位移的大小；c表示齒輪的嚙合阻尼；k(t)1.3齒輪嚙合調(diào)制機(jī)理分析齒輪故障會(huì)有振動(dòng)沖擊，并導(dǎo)致各種各樣的調(diào)制現(xiàn)象和邊頻帶。關(guān)于齒輪故障的有效信息往往被包含在調(diào)制邊頻帶中。齒輪箱故障診斷的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)就是出現(xiàn)不同調(diào)制故障時(shí)其振動(dòng)特點(diǎn)的鑒別程度以及邊頻帶特征的辨認(rèn)清晰度。綜上所述，發(fā)現(xiàn)齒輪箱調(diào)制現(xiàn)象并對(duì)其分析處理是齒輪箱故障診斷有意義的任務(wù)之一。1.3.1嚙合頻率及其各次諧波齒輪雙齒嚙合于節(jié)線兩端的一位置發(fā)生，在輪齒頂點(diǎn)和輪齒根部?jī)蓚€(gè)區(qū)域結(jié)束，準(zhǔn)確的位置是根據(jù)重合系數(shù)決定的。所以，嚙合狀態(tài)下，每個(gè)齒輪的負(fù)荷分布會(huì)伴有不同的剛性指標(biāo)。此外，嚙合過(guò)程中，交變的摩擦形式會(huì)由此產(chǎn)生。由于齒形加工誤差或者一些其他原因，振動(dòng)分量在嚙合頻率上也隨之出現(xiàn)。這些成份在齒面經(jīng)歷均勻磨損后就會(huì)變得更加明顯。圖2-5所示的頻譜圖時(shí)齒輪的嚙合頻率和它的一次、二次、三次、四次諧波成份?？梢钥吹剑p過(guò)的嚙合頻率和它的各次諧波分量的振幅是增加的。1.3.2齒輪振動(dòng)信號(hào)的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象首先，第一種情況，就是齒輪振動(dòng)信號(hào)嚙合頻率及其諧波為載波的調(diào)制現(xiàn)象。這些調(diào)制邊帶將嚙合頻率當(dāng)作主要成份，調(diào)制頻率是頻帶與頻帶的距離。這就叫第二種情況，把齒輪固有頻率當(dāng)作載波的共振調(diào)制現(xiàn)象。這種情況一般會(huì)在由于輪齒斷裂或者點(diǎn)蝕磨損等故障引起的不正常的振動(dòng)時(shí)發(fā)生。齒輪固有頻率的的振幅的數(shù)值普遍情況下都會(huì)比嚙合頻率的振幅高出很多。因此，齒輪如果發(fā)生這種性質(zhì)的振動(dòng)，就會(huì)成為所有振動(dòng)的核心。第三種是以齒輪箱箱體的固有頻率作為為載波的共振調(diào)制現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一般來(lái)說(shuō)出現(xiàn)在齒輪發(fā)生非常重大的故障時(shí)，或者滾動(dòng)軸承產(chǎn)生嚴(yán)重變形，從而引起振動(dòng)的能量極大。箱體由固有頻率產(chǎn)生的振動(dòng)，它具有巨大能量。因?yàn)樵诖朔N情況下，運(yùn)行中產(chǎn)生的是不間斷的沖擊波，所以在發(fā)生故障的軸上嚙合頻率和更高階的諧波占主導(dǎo)[15。但在傳動(dòng)過(guò)程中，簡(jiǎn)化傳遞路徑如圖2-6所示。齒輪齒輪振動(dòng)。軸承。通過(guò)齒輪到軸到軸承再到箱體一層層的路徑，阻尼振動(dòng)能量減小極多，甚至低于齒輪箱箱體固有頻率調(diào)制的振動(dòng)能量。那么阻尼振動(dòng)能量在此時(shí)就可以去除。調(diào)制的載波頻率的主要成分最大程度上根據(jù)激勵(lì)的能量所決定，也就是故障的嚴(yán)重度。發(fā)生輕微故障時(shí)，例如輕微的軸變形或者彎曲或齒面小面積的出現(xiàn)點(diǎn)蝕，這種情況下就是把齒輪振動(dòng)信號(hào)嚙合頻率及其諧波作為載波的調(diào)制現(xiàn)象；發(fā)生較為嚴(yán)重的故障，激振能量變得比較大，激起了齒輪的固有頻率，發(fā)生將其作為載波頻率的共振調(diào)制；激振的能量異常大也就是重大故障時(shí)，激起齒輪箱箱體的固有頻率，發(fā)生將其作為載波頻率的共振調(diào)制。調(diào)制載波頻率的主要成分最大程度上根據(jù)激勵(lì)能量確定，或者換句話說(shuō)，也就是產(chǎn)生故障及其后果是否要緊，造成后果如何。如果發(fā)生微小故障，例如在齒表面的一小部分區(qū)域出現(xiàn)輕微的波浪形變形或彎曲，就可能出現(xiàn)第一種調(diào)制現(xiàn)象。發(fā)生危害更高一些的故障時(shí)，勵(lì)磁振動(dòng)能量變得相對(duì)較高，齒輪的固有頻率出現(xiàn)并產(chǎn)生共振調(diào)制，也就是上述的第二種調(diào)制；如果勵(lì)磁的能量異常高，即發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞并可能造成極壞后果時(shí)，箱體固有頻率被勵(lì)磁，也就是出現(xiàn)