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齿轮传动系统的故障诊断方法研究内容提要:在机械设备运转过程中，齿轮传动系统通过主、从动齿轮的相互啮合传递运动和能量，这个过程将产生一定形式的机械振动。而诸如磨损、点蚀、制造误差、装配误差等齿轮和齿轮传动系统的各种缺陷和故障必然引起机械振动状态（或信号）发生变化。因此，在齿轮传动系统的振动信号中，蕴涵有它的健康状态（故障与无故障）信息，监测和分析振动信号自然就可以诊断齿轮和齿轮传动系统的故障。
关键词:齿轮故障;故障诊断;振动;裂纹
目录
引言 (1)
第一章影响齿轮产生振动的因素 (2)
1.1 振动的产生 (2)
1.2 振动的故障 (2)
第二章齿轮裂纹故障诊断 (4)
2.1 裂纹产生的原因 (4)
2.2齿轮裂纹分类、特征、原因及预防措施 (4)
2.2.1淬火裂纹 (4)
2.2.2磨削裂纹 (4)
2.2.3疲劳裂纹 (5)
2.2.4轮缘和幅板裂纹 (6)
第三章齿轮故障诊断方法与技术展望 (7)
3.1 齿轮故障诊断的方法 (7)
3.1.1 时域法 (7)
3.1.2 频域法 (7)
3.1.3 倒频谱分析 (8)
3.1.4 包络分析 (8)
3.1.5 小波分析方法 (8)
3.2 齿轮故障诊断技术的展望 (9)
结论 (10)
致谢 (11)
参考文献 (12)
引言
随着科学技术的不断进步，机械设备向着高性能、高效率、高自动化和高可靠性的方向发展。齿轮由于具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，是改变转速和传递动力的最常用的传动部件，是机械设备的一个重要组成部分，也是易于故障发生的一个部件，其运行状态对整机的工作性能有很大的影响。
在机械设备运转过程中，齿轮传动系统通过主、从动齿轮的相互啮合传递运动和能量，这个过程将产生一定形式的机械振动。而诸如磨损、点蚀、制造误差、装配误差等齿轮和齿轮传动系统的各种缺陷和故障必然引起机械振动状态（或信号）发生变化。因此，在齿轮传动系统的振动信号中，蕴涵有它的健康状态（故障与无故障）信息，监测和分析振动信号自然就可以诊断齿轮和齿轮传动系统的故障。
第一章影响齿轮产生振动的因素
1.1 振动的产生
在齿轮的传动啮合过程中，影响齿轮产生振动的原因很多，有大周期的误差也有小周期的误差。产生大周期振动的因素主要是齿轮加工过程中的运动偏心和几何偏心以及安装中的对中不良；产生小周期振动的因素主要有齿轮加工中的主轴回转误差，啮合刚度的变化，齿轮啮入、啮出冲击，以及在运行过程中产生的断齿、齿根疲劳裂纹、齿面磨损、点蚀剥落、严重胶合等等。其中啮合刚度的周期性变化是齿轮系统振动的重要激振源之一。它的周期性变化主要由以下两个原因所致：一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一齿轮的刚度发生了变化；二是参加啮合的齿数在变化。
如图1-1所示，在啮合开始时(A点)，主动轮齿1在齿根处啮合，弹性变形较小；被动齿轮2在齿顶处啮合，弹性变形大，而在啮合终止时(D点)，情况则相反。设齿副I的
啮合刚度为k
1，齿副П的啮合刚度为k
2
，则总的啮合刚度为k=k
1
+k
2
。由图1-1可以看出
总的啮合刚度随着从单啮合区到双啮合区而作周期性的变化。
图1-1 直齿轮啮合刚度变化图
1.2 振动的故障
当齿轮存在大周期故障时，如运动偏心和几何偏心，则仿真出来的齿轮啮合振动信号的频谱图形如图1-2所示。由图中可以知道，随着齿轮大周期误差幅值的增大，谐波分量的幅值也会线性增大。而以啮合频率为中心以旋转频率为间隔的边带频率是由于信号调制产生的，即高频的齿轮啮合频率受到齿轮的旋转频率的调制，且随着大周期误差的增大而增大。
图1-2 齿轮偏心时的频谱图
当齿轮存在诸如点蚀剥落等小周期误差时，则仿真出来的齿轮啮合振动信号的频谱图形如图1-3所示。齿轮在运转过程中存在小周期误差时齿轮的运转速度大小会有所变化，当小周期误差大时这种现象会更加严重。根据频率调制理论可知，齿轮的运转振动信号的频谱图会形成啮合频率及其高次谐波以及分布在它们周围的以旋转频率为间隔的边带成分，它们的振幅随故障的恶化而加大。
图1-3 齿轮点蚀剥落故障时的频谱图
第二章齿轮裂纹故障诊断
2.1 裂纹产生的原因
齿轮出现的裂纹，按其形成特点，可分为两大类:工艺裂纹和使用裂纹。工艺裂纹是生产齿轮的工艺不当而造成的材料缺陷所致，并在一定载荷条件下失稳扩展造成齿轮失效，如铸造裂纹，锻轧裂纹，焊接裂纹、热处理裂纹(邓淬火裂纹)、磨削裂纹等;而使用裂纹是在零件使用过程和环境中产生的，并进而扩展造成齿轮失效，如疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹等。
2.2齿轮裂纹分类、特征、原因及预防措施
2.2.1淬火裂纹
如图2-1
图2-1淬火裂纹
特征：在淬火时产生，多数呈发丝状，有时能自行扩展。裂纹有的沿齿根圆角半径方向，有的在齿的两个端面，也有的穿越齿顶或存在在齿的端面的表面硬化层与心部的交界处。较大裂纹的初始部位常有锈蚀或氧化的痕迹。淬火的裂纹也可能在齿轮使用一段时间后才见到。它常
为其他损伤形式（如疲劳断齿）的根源。
原因：主要是淬火过程中产生过大的内应力。它通常由不合适的淬火工艺，如升温过急、淬火过急、淬火过缓等引起。齿的端面上的裂纹，通常由硬化层与心部交界处的相变不协调引起。
预防措施：根据齿轮材料、尺寸、结构和工作要求制订合理的淬火工艺规程，并严格加以控制，防止淬火速度过高或过低，淬火温度不合适。对淬火后的齿轮应严格检验。2.2.2磨削裂纹
如图2-2
图2-2磨削裂纹
特征：在磨削过程中产生，常在齿面上有几乎平行的短裂纹或网状裂纹。平行裂纹通常比网状裂纹深。磨削裂纹一般较浅，肉眼不易发现，需用磁粉探伤或用5%硝酸乙醇腐蚀液处理等方法才能检测。有时磨削裂纹是潜在的，要在闲置若干时间或加载工作后才显示出来。
原因：主要由磨削过程中的热引起，也可能是由热处理工艺不合理（在热处理过程中形成了对磨削过热敏感的金相组织）引起。磨削过热可能是由于磨削工艺参数选择不正确，砂轮不合格或选用不当、冷却措施不适当等。某些对磨削过热敏感的齿轮材料，更易产生磨削裂纹。
预防措施：选择适当的磨削工艺，控制进给量和磨削速度，加强冷却措施，选用不易磨裂的材质和合适的热处理工艺。适当选用合适的砂轮，并注意对其修整和平衡；采用具有断续工作表面的砂轮，以降低表层的热应力。
2.2.3疲劳裂纹
如图2-3
图2-3疲劳裂纹
特征：应力为重复交变；裂纹源常为齿轮表面应力集中处，如齿根圆角、加工刀痕及材料缺陷处；尾端尖细，微观主要呈穿晶扩展，其总趋势与主应力想垂直。
原因：交变应力水平过高，材料缺陷与应力集中源影响严重。
预防措施：控制交变应力水平，设计时应避免过小的齿根圆角，控制工艺因素减少不
允许的表面及材料内部缺陷。
2.2.4轮缘和幅板裂纹
如图2-4 图2-5
图2-4 轮缘裂纹图2-5 幅板裂纹
特征：轮缘裂纹通常发生在两相邻齿之间的齿根部。辐板裂纹有的是由轮缘裂纹沿径向扩展而成，有的是在辐板自身中产生，不一定扩展到轮缘。
原因：轮缘断裂通常是轮齿齿根圆角疲劳裂纹发展的结果。齿轮某部分的参残余应力过高，也回形成并促使疲劳裂纹扩展。对镶套式齿轮，轮缘与轮心的过盈量过大也可引起轮缘断裂。辐板损伤，多因辐板强度不足，应力集中或振动等因素引起。
预防措施：轮缘及辐板的尺寸应满足强度要求。以局部应力集中因素，如切削刀痕、磨削与淬火裂纹、轮缘与辐板过渡处的尖锐圆角等，应设法减少或消除。在结构设计上应采取减振、防振措施。对镶套齿轮，应按适当控制过盈量。
第三章齿轮故障诊断方法与技术展望
3.1 齿轮故障诊断的方法
在各种齿轮故障诊断方法中，以振动检测为基础的齿轮故障诊断方法具有测量简便、实时性强等优点，通过测量齿轮运行过程中所产生的振动信号，作为故障诊断的重要信息来源，是一种理想的齿轮传动状态的在线运行监测工具。振动检测和故障诊断的关键是怎样从复杂的振动信号中提取和分离与齿轮故障特征有关的微弱信息。目前研究和应用的振动检测与故障诊断的方法可以分为以下几类：
3.1.1 时域法
在状态监测和故障诊断的过程中，我们常常会直接利用振动时域信号进行分析并给出结果，这是最简单且最直接的方法，特别是当信号中明显含有简谐成分、周期成分或瞬时脉冲成分时更为有效。当然这种方法要求分析人员具有比较丰富的实际经验。振动时域波形是一条时间历程的波动曲线。根据测量所用传感器类型的不同，曲线的幅值可代表位移、速度或加速度。进行波形分析时，主要采用如下特征量，也称示性指标：（1）振动幅值，振动幅值包括峰值、有效值（均方根值）和平均幅值，其中峰值又分为零峰值和峰-峰值。
（2）振动周期与频率，不同的故障源通常会产生不同频率的机械振动，因此频率分析在故障诊断中占有十分重要的地位。
（3）相位，在实际应用中，相位主要用于比较不同振动运动之间的关系，或确定一个部件相对于另一个部件的振动状况。通常不同振源产生的振动具有不同相位。
（4）其它指标为了有效描述复杂的振动，在实际应用中也经常使用一些示性指标如：偏度、峭度，有时还需要利用一些无量纲示性指标来完成诊断或进行趋势分析，如：峰态因数、波形因数、脉冲因数、峰值因数、裕度因数等无量纲示性指标。它们的诊断能力由大到小依次为：峰态因数----裕度因数----脉冲因数----峰值因数-----波形因数。
3.1.2 频域法
频谱分析是在频域中对原信号分布情况的描述，通常能够提供比时域波形更加直观的特征信息。因此频谱〔包括功率谱和幅值谱等）被广泛用作为故障诊断的依据。频谱可以通过傅里叶变换的方式获取。值得一提的是，机器振动频谱中，有些振动分量虽然较大，
但不随时间而变化，对机器的正常运行也不会构成什么威胁。相反有一些幅值较小，但增长很快的频率分量却往往预示着故障的产生和发展，应该引起足够的重视。
3.1.3 倒频谱分析
齿轮振动的频谱通常主要表现为啮合频率及谐波的边带，这种边带的产生是齿轮轴的转频调制齿轮轴的啮合频率而产生。在正常运转情况下，它们保持不变。齿轮出现故障时，边带的数目和幅值发生变化。如上所述，轮齿发生裂纹时，故障齿轮每转都会产生一次局部调制，由于齿轮箱结构复杂，多种调制现象可能同时存在，每种调制现象都会产生不同系列的等间隔周期频谱。因为它们与调制波源相关，这些边带包含丰富故障诊断信息。根据利用FFT进行时-频域转换的概念，可以将频谱分析结果再次利用FFT技术转换到一个新的分析域中。这样就形成了所谓的倒频谱分析。倒频谱具有检测和分离频谱中周期性成分的能力，会使原来谱图上成族的边频谱线简化为倒频谱上的单根谱线，从而使频谱中的复杂周期成分变得清晰易辨，以利于故障诊断。这种方法的缺点是倒谱的幅值大小对裂纹长度的发展不敏感，不易进行故障定位。
3.1.4 包络分析
包络分析就是提取载附在高频信号上的低频信号，从时域上看，为取时域波形的包络轨迹。像具有齿轮、轴承等零部件的旋转机械故障诊断常常用到包络分析。当旋转机械的轴承零部件有点蚀、剥落等损伤类故障时，伴随设备运转这些故障会产生周期性脉冲冲击力，激起设备的各阶固有振动。选择冲击激起的高频固有振动为研究对象，通过滤波将其从信号中分离出来，然后通过包络检波，提取出载附在其上的与周期脉冲冲击力对应的包络信号，从其强度和频次就可以判断零件损伤的程度和部位。这种技术称为包络解调，也称为早期故障探测法，它是判断设备零件损伤类故障的一种有效的手段。
3.1.5 小波分析方法
小波变换作为一种新的数学理论和方法，己在不少领域得到了广泛的应用。
在振动信号分析中，小波变换属于一种多分辨率的时频分析方法，具有很多优点，为非平稳信号的分析提供了一个有价值的工具。实际应用中常使用简单方便的二进离散小波变换。从多分辨率分析的角度上看，小波分解相当于一个带通滤波器和一个低通滤波器，每次分解总是把原信号分解成两个子信号，分别称为逼近信号和细节信号，每个部分还要经过一次隔点重采样。如此分解N次即可得到第N层（尺度N上）的小波分解结果。
小波变换常以下面3种方法用于齿轮箱运行状态和故障诊断分析：
（1）小波包能量谱进行监测；
（2）边带识别；
（3）奇异点的模极大值及过零点检测。
随着小波分析技术的发展及计算机容量和运算能力的飞速发展，最近人们开始对连续小波变换应用于故障诊断分析。连续小波变换能为基小波的选择提供很大方便，当己知需检成分的特征时，就可以选取成构造与之对应的基小波，作连续小波变换来揭示这些成分的分布和大小。
小波变换虽然是一种很好的信号分析工具，但它仍然存在下面两个问题：（1）小波变换分析的结果不如傅立叶变换那样直观明了，需要分析人员具有一定的小波分析理论基础进行判断，不宜于使用计算机对结果进行自动分析和处理。（2）小波变换的核函数不是唯一确定的，需要根据工程应用中的实际进行选择。
3.2 齿轮故障诊断技术的展望
十几年来，随着科研人员的不断努力探索，我国故障诊断技术有了突飞猛进的发展，新技术、新方法层出不穷。展望今后齿轮故障诊断技术发展方向。有如下几点看法: （1）传统的频谱分析技术将日趋完善。
（2）专家系统、神经网络、小波分析等新技术将从实验室研究阶段，逐步走向实际应用阶段。
（3）目前，齿轮故障诊断技术多集中于采用振动监测手段，可以预见，在今后几年里，铁谱技术、油样光谱技术及声发射技术将会在齿轮故障诊断中占有一席之地。
（4）随着企业管理的现代化综合计算机图形技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等多种科学技术的虚拟现实与现代通讯技术的国际互联网络、局域网络、调制解调器等相结合，实现远程诊断，将是今后机械故障诊断的发展方向。
结论
此次齿轮裂纹的设计,克服了各种困难，但还存在许多问题，在此期间我们两年来所学的知识得到了总结，并且也达到了老师让我们自己在经历中发现问题，解决问题的要求，让我们得到了很好的锻炼。
通过此次毕业大作业,能使我们看清楚差距，扩大视野，认识自己的真实水平，懂得了不单是要学习理论，更要知道理论与实践相结合，使自己能处理和解决好毕业设计过程中遇到的问题。
通过一个多月的设计。掌握了齿轮裂纹故障的诊断分析等。增强了动手能力，通过各种方法来完成,从中学到了很多知识来提高自己.
致谢
本研究及毕业设计论文是在我指导老师的亲切关怀和细心指导下完成的。他严肃的教学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，指导老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向指导老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的各位同门，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
参考文献
[1] 丁康,朱小勇,陈亚华.《齿轮箱典型故障振动特征与诊断策略》.振动与冲击,2001,20.
[2] 李润方,王建军编著. 《齿轮系统动力学》.科学出版社,1997.
[3] 明廷涛,张永祥. 《齿轮裂纹故障仿真计算与诊断》.机械设计与制造,2005,8.
[4] 齿轮手册编写组. 《齿轮手册(上)》.北京:机械工业出版社,1990.
[5] 徐敏,黄昭毅等编著. 《设备故障诊断手册》.西安交通大学出版社,1998.
[6] 孙振明. 《齿轮振动信号分析方法的研究[D]》.徐州:中国矿业大学,2001.7.
[7] 郑大平. 《振动信号分析技术在机械故障诊断中的应用[J]》.燃气涡轮试验与研
究,1990,3(2):27-39.
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
齿轮传动系统的故障诊断方法研究内容提要:在机械设备运转过程中，齿轮传动系统通过主、从动齿轮的相互啮合传递运动和能量，这个过程将产生一定形式的机械振动。而诸如磨损、点蚀、制造误差、装配误差等齿轮和齿轮传动系统的各种缺陷和故障必然引起机械振动状态（或信号）发生变化。因此，在齿轮传动系统的振动信号中，蕴涵有它的健康状态（故障与无故障）信息，监测和分析振动信号自然就可以诊断齿轮和齿轮传动系统的故障。 关键词:齿轮故障;故障诊断;振动;裂纹
目录 引言 (1) 第一章影响齿轮产生振动的因素 (2) 1.1 振动的产生 (2) 1.2 振动的故障 (2) 第二章齿轮裂纹故障诊断 (4) 2.1 裂纹产生的原因 (4) 2.2齿轮裂纹分类、特征、原因及预防措施 (4) 2.2.1淬火裂纹 (4) 2.2.2磨削裂纹 (4) 2.2.3疲劳裂纹 (5) 2.2.4轮缘和幅板裂纹 (6) 第三章齿轮故障诊断方法与技术展望 (7) 3.1 齿轮故障诊断的方法 (7) 3.1.1 时域法 (7) 3.1.2 频域法 (7) 3.1.3 倒频谱分析 (8) 3.1.4 包络分析 (8) 3.1.5 小波分析方法 (8) 3.2 齿轮故障诊断技术的展望 (9) 结论 (10) 致谢 (11) 参考文献 (12)
引言 随着科学技术的不断进步，机械设备向着高性能、高效率、高自动化和高可靠性的方向发展。齿轮由于具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，是改变转速和传递动力的最常用的传动部件，是机械设备的一个重要组成部分，也是易于故障发生的一个部件，其运行状态对整机的工作性能有很大的影响。 在机械设备运转过程中，齿轮传动系统通过主、从动齿轮的相互啮合传递运动和能量，这个过程将产生一定形式的机械振动。而诸如磨损、点蚀、制造误差、装配误差等齿轮和齿轮传动系统的各种缺陷和故障必然引起机械振动状态（或信号）发生变化。因此，在齿轮传动系统的振动信号中，蕴涵有它的健康状态（故障与无故障）信息，监测和分析振动信号自然就可以诊断齿轮和齿轮传动系统的故障。
机械故障诊断之齿轮故 障小议 集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-
机械故障诊断之齿轮故障小议随着时代的不断发展，机械已日益成为生产过程中不可或缺的一部分。而机械的高性能化、高自动化、高效率化是现代机械的一个重要发展方向。齿轮作为传动机械设备中至关重要的部件，它不仅关乎机械的正常运转，且对整个生产过程的进度与经济效益等产生巨大影响。而齿轮发生故障又是常出现的事件，因此，加大对齿轮出现故障的原因与解决方法的研究尤显必要。本文将针对此进行粗略探讨。 现代化的不断发展让机械设备也日益朝着大型化、复杂化方向发展，其设备的构造与操作原理也愈加复杂。齿轮是机械设备中用来传递动力的重要部件，而齿轮故障又时常发生，这无疑会对机械的整体运作产生不利影响。所以，有必要对齿轮故障进行分析，并能理论联系实际，通过实际案例来寻求解决方法，从而做到故障出现时能及时解决并予以防范。 机械设备中齿轮常见故障分析 齿轮在机械设备中有个重要作用，这就是它能传递运动，而且能控制运动方向，影响运动速度。而为更好地调控齿轮运转速度，就需要齿轮减速机装置的安装。我们知道，与齿轮减速机有关的几个主要频率为轴频、齿轮的啮合频率、轴承的内外圈、滚动体、保持架的频率，它们与
“谐频”、“边频”相结合，成为对齿轮减速机故障判定的依据。同时，与齿轮减速机有密切关系的是齿轮振动，且通过齿轮振动是判断齿轮故障的一个重要方式。因此，笔者将重点针对齿轮减速与齿轮振动的有关故障开展具体探讨。 2.1齿轮振动发生故障的一个重要原因是齿轮在生产与安装中存在失误。生产齿轮是齿轮得以发挥自身作用的首要条件，而生产制作中的微小误差就能导致齿轮的啮合精度降低，从而带来齿轮的振动和噪声增大，这些问题的出现无疑会提高齿轮的故障率[2]。因而，我们的相关机械使用单位应对齿轮的生产源与齿轮安装予以极大关注。 2.2齿轮振动出现故障的另一个原因是与齿轮的工作环境适宜度有关。因不同的工作环境在空气湿度、空气质量、温度等方面都存在差异。而齿轮作为现代化机械，其对工作环境有一定要求。因齿轮在啮合过程中，齿与齿连续冲击使齿轮产生受迫振动，如果此时其工作环境存在高湿度或其他不利影响，就会对齿轮的正常振动带来不利影响。为减少此种不必要的失误，我们的机械使用单位就应提前做好齿轮工作环境的净化工作。 2.3齿轮运行过程中存在因所使用到的润滑剂质量不达标而导致齿轮故障的现象。齿轮的运转少不了润滑剂的调节，有些单位为减少经济成本投入而使用不够清洁的润滑剂，或者使用的润滑剂不足，这些情况无疑会
一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法 一、齿轮啮合频率的机理 由齿轮传动理论可知，渐开线齿廓齿轮在节点附近为单齿啮合，而在节线的两边为双齿啮合，啮合区的大小则由重叠系数ε决定。因此，每对轮齿在啮合过程中承受的载荷是变化的，从而引起齿轮的振动，另外，一对轮齿在啮合过程中两齿面的相对滑动速度和摩擦力均在节点处改变方向，引起齿轮的振动.这两者形成了啮合频率fz 及其谐波Nfz ，其计算式为: 60z nZ f = 式中 Z ——齿轮的齿数；n ——轴的转速，/min r 。 60z nZ Nf N =? 式中N —自然数，1，2，3，……。N=1称为基波，即啮合频率；N = 2，3，……时，称为二次，三次…谐波。 啮合频率fz 及其谐波Nfz 的频谱特点： ①初始状态，啮合颇率的幅值最高，各次谐波的幅值依次减小(图1的实线部分)； ②随着齿轮磨损的增加，渐开线齿廓逐渐受到破坏，使齿轮振动加剧，此时啮合频率及其各次谐波的幅值逐渐增大，而且各次谐波幅值的增加比啮合频率快得多(图中虚线所示)； ③磨损严重时，二次谐波幅值超过啮合频率幅值。 图1 啮合频率及其谐波 图2 严重磨损时的啮合频率及其二次谐波 由频谱图上啮合频率及其谐波幅值的增量可判断出齿轮的磨损程度。
啮合频率分析： （1）负载和啮合刚度的周期性变化 负载和啮合刚度的变化可用两点来说明：一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一齿轮的刚度发生了变化，二是参加啮合的齿数在变化。如渐开线直齿轮，在节点附近是单齿啮合，在节线两侧某部位开始至齿顶、齿根区段为双齿啮合。显然，在双齿啮合时，整个齿轮的载荷由两个齿分担，故此时齿轮的啮合刚度就较大；同理单齿啮合时，载荷由一个齿承担，此时齿轮的啮合刚度较小。从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的负载和啮合刚度就变化一次，所以齿轮的负载和啮合刚度周期性变化的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。 （2）节线冲击的周期性变化 齿轮在啮合过程中，轮齿表面既有相对滚动，又有相对滑动。主动轮带动从动轮旋转时，主动轮上的啮合点从齿根移向齿顶，啮合半径逐渐增大，速度渐次增高；而从动轮上的啮合点是由齿顶移向齿根，啮合半径逐渐减小，速度渐次降低。两轮齿齿面在啮合点的速度差异就形成了主动轮和从动轮的相对滑动。在主动轮上，齿根和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；在节点处，因为两轮上的啮合点速度相等，相对滑动速度为零。因此，摩擦力在节点处改变了方向，形成节线冲击。由以上分析可知，从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，发生两次节点冲击，所以节线冲击发生的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。 （3）齿轮运转时，其振动频谱上都含有啮合频率及其谐波分量。随着齿轮的磨损，频谱上的啮合频率及其各次谐波都会上升，即幅值增大。但值得注意的是，啮合频率高次谐波的幅值要比基波的幅值上升得快。啮合频率是齿轮振动中比较突出的成分，它既是齿轮齿廓磨损的一个灵敏指标，同时齿面上产生点蚀、剥落等损伤也会在啮合频率及各次谐波成分上表现出来。对于一对新齿轮来说，其频谱的整个振动能量水平较低，啮合频率的基波及其第二、三次谐波幅值依次减小。对于具有中等点蚀故障的齿轮，其频谱随着点蚀的增加，整个谱的水平都随之增加，且啮合频率高次谐波幅值将超过基波。另一个特点是啮合频率的二次谐波两边的边频带愈加丰富。当齿面出现重度点蚀时，谱噪声总量急剧上升，且啮合频率的谐频延伸到七次以上。啮合频率分析也有其不足之处，它毕竟是众多齿轮振动能量的平均值，因此在局部轮齿呈现损伤时，其幅值的增长就不那么明显，只有大多数轮齿受到磨损或出现点蚀、剥落等损坏时才有明显的增量。 当齿轮发生故障时，振动信号常会发生调制现象而产生调制波(调幅波和调频波)，其载
齿轮故障诊断方法综述 摘要齿轮就是机械设备中常用得部件,而齿轮传动也就是机械传动中最常见得方式之一。在许多情况下,齿轮故障又就是导致设备失效得主要原因。因此对齿轮进行故障诊断具有非常重要得意义。介绍了故障得特点与几种诊断方法,并比较了基于粒子群优化得小波神经网络,基于相关分析与小波变换,基于小波包与BP神经网络与基于小波分析等故障诊断方法得优缺点,并提出了齿轮故障诊断得难点与发展方向。 关键字齿轮故障诊断诊断方法分析比较发展
目录 第一章齿轮故障诊断发展及故障特点 (1) 1、1 齿轮故障诊断得发展 (1) 1、 2齿轮故障形式与震动特征 (1) 第二章齿轮传动故障诊断得方法 (2) 2、 1高阶谱分析 (2) 2、1、1参数化双谱估计得原理 (3) 2、1、2试验装置与信号获取 (3) 2、1、3 故障诊断 (4) 2、1、4 应用双谱分析识别齿轮故障 (4) 2、2基于边频分析得齿轮故障诊断 (6) 2、2、1分析原理 (6) 2、2、2铣床振动测试 (6) 2、2、3 边频带分析 (7) 2、2、4 故障诊断 (8) 2、 3时域分析 (10) 2、3、1 时域指标 (10) 2、3、2非线性时间分析 (10)
第一章齿轮故障诊断发展及故障特点 1、1 齿轮故障诊断得发展 齿轮故障诊断始于七十年代初,早期得齿轮故障诊断仅限于在旋转式机械上测量一些简单得振动参数,用一些简单得方法进行诊断。这些简单得参数与诊断方法对齿轮故障诊断反应灵敏度较低,根本无法准确判断发生故障得部位。七十年代末到八十年代中期,旋转式机械中齿轮故障诊断得频域法发展很快,其中R、B、Randall与James1、Taylor等人做好了许多有益得工作,积累了不少故障诊断得成功实例,出现了一些较好得频域分析方法,对齿轮磨损与齿根断裂等故障诊断较为成功。进入九十年代以后,神经网络、模糊推理与网络技术得发展与融合使得齿轮系统故障诊断进入了蓬勃发展得时期。 我国学者在齿轮故障诊断研究方面也做了大量工作。1986年,屈梁生、何正嘉在《机械故障诊断学》中分析了齿轮故障得时频域特点。1988年,颜玉玲、赵淳生对滚动轴承得振动监测及故障诊断进行了分析。1997年,郑州工业大学韩捷等在“齿轮故障得振动频谱机理研究”中对齿轮得故障机理做了探讨。西安交通大学张西宁等在“齿轮状态监测与识别方法得研究”中提出了一种新方法即基于一致度分析。 1、 2齿轮故障形式与震动特征 通常齿轮在运转时,由于制造不良或操作维护不善会产生各种形式得故障。故障形式又随齿轮材料、热处理、运转状态等因素得不同而不同,常见得齿轮故障形式有齿面磨损、齿面胶合与擦伤、齿面接触疲劳与弯曲疲劳与断齿。 在齿轮运转状态下,伴随着内部故障得发生与发展,必然会产生振动上得异常。实践证明,振动分析就是齿轮故障检测中最有效得方法。若齿轮副主轮转速为n1,齿数为z1,频率为f1;从轮转速为n2,齿数为z2,频率为f2,则齿轮啮合频率fC 为:fC=Nf1z1=Nf2z2=Nn160z1=Nn260z2(1) 式中:N=1, 2, 3,…。齿轮处于正常或异常状态下,啮合频率振动成分及其倍频总就是存在得,但两种状态下得振动水平有差异。如果仅仅依靠对齿轮振动信号得啮合频率及其倍频成分得差异来识别齿轮得故障就是不够得,因故障对振动
齿轮故障诊断方法综述 摘要齿轮是机械设备中常用的部件,而齿轮传动也是机械传动中最常见的方式之一。在许多情况下,齿轮故障又是导致设备失效的主要原因。因此对齿轮进行故障诊断具有非常重要的意义。介绍了故障的特点和几种诊断方法，并比较了基于粒子群优化的小波神经网络,基于相关分析与小波变换,基于小波包和BP神经网络和基于小波分析等故障诊断方法的优缺点，并提出了齿轮故障诊断的难点和发展方向。 关键字齿轮故障诊断诊断方法分析比较发展
目录 第一章齿轮故障诊断发展及故障特点..................... 错误!未定义书签。齿轮故障诊断的发展................................... 错误!未定义书签。 1. 2齿轮故障形式与震动特征 ........................... 错误!未定义书签。第二章齿轮传动故障诊断的方法......................... 错误!未定义书签。 2. 1高阶谱分析........................................ 错误!未定义书签。 参数化双谱估计的原理 .............................. 错误!未定义书签。 试验装置与信号获取 ................................ 错误!未定义书签。 故障诊断 ......................................... 错误!未定义书签。 应用双谱分析识别齿轮故障 ........................ 错误!未定义书签。基于边频分析的齿轮故障诊断............................ 错误!未定义书签。 分析原理 .......................................... 错误!未定义书签。 铣床振动测试 ...................................... 错误!未定义书签。 边频带分析 ...................................... 错误!未定义书签。 故障诊断 ........................................ 错误!未定义书签。 2. 3时域分析.......................................... 错误!未定义书签。
机械故障诊断—齿轮故障诊断及分析 [摘要]本文介绍了齿轮的几种典型故障的特征及诊断方法。在齿轮故障诊断过程中，应用振动诊断方法可以解决齿轮的绝大部分问题。 引言 随着科学技术的不断进步，机械设备向着高性能、高效率、高柔性化和高可靠性的方向发展。齿轮由于具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，是改变转速和传递动力的最常用的传动部件，是传动机械设备的一个重要组成部分，也是易于故障发生的一个部件，其运行状态对整机的工作性能会有很大的影响。 在机械设备运转过程中，齿轮传动系统通过主、从动齿轮的相互啮合传递运动和能量，这个过程将产生一定形式的机械振动。而诸如磨损、点蚀、制造误差、装配误差等齿轮和齿轮传动系统的各种缺陷和故障必然引起机械振动状态发生变化。因此，在齿轮传动系统的所测振动信号中，包含有它的健康状态信息或故障与无故障信息，我们通过监测和分析振动信号自然就可以诊断齿轮和齿轮传动系统的故障。 一、关于齿轮工作过程中引起振动的振源 在齿轮的传动啮合过程中，影响齿轮产生振动的原因很多，有大周期的误差也有小周期的误差。产生大周期振动的因素主要是齿轮加工过程中的运动偏心和几何偏心以及安装中的对中不良；产生小周期振动的因素主要有齿轮加工中的主轴回转误差，啮合刚度的变化，齿轮啮入、啮出冲击，以及在运行过程中产生的断齿、齿根疲劳裂纹、齿面磨损、点蚀剥落、严重胶合等等。其中啮合刚度的周期性变化是齿轮系统振动的重要激振源之一。它的周期性变化主要由以下两个原因所致：一是随着啮合点位臵的变化，参加啮合的单一齿轮的刚度发生了变化；二是参加啮合的齿数在变化。 如图1所示，在啮合开始时(A点)，主动轮齿1在齿根处啮合，弹性变形较小；被动齿轮2在齿顶处啮合，弹性变形大，而在啮合终止时(D点)，情况则相 反。设齿副I的啮合刚度为k 1，齿副П的啮合刚度为k 2 ，则总的啮合刚度为k=k 1 +k 2 。 由图1可以看出总的啮合刚度随着从单啮合区到双啮合区而作周期性的变化。 图1 直齿轮啮合刚度变化图
齿轮的故障诊断 一、齿轮的常见故障 齿轮是最常用的机械传动零件，齿轮故障也是转动设备常见的故障。据有关资料统计，齿轮故障占旋转机械故障的10.3%。齿轮故障可划分为两大类，一类是轴承损伤、不平衡、不对中、齿轮偏心、轴弯曲等，另一类是齿轮本身（即轮齿）在传动过程中形成的故障。在齿轮箱的各零件中，齿轮本身的故障比例最大，据统计其故障率达60%以上。齿轮本身的常见故障形式有以下几种。 1. 断齿 断齿是最常见的齿轮故障，轮齿的折断一般发生在齿根，因为齿根处的弯曲应力最大，而且是应力集中之源。 断齿有三种情况： （1）疲劳断齿由于轮齿根部在载荷作用下所产生的弯曲应力为脉动循环交变应力，以及在齿根圆角、加工刀痕、材料缺陷等应力集中源的复合作用下，会产生疲劳裂纹。裂纹逐步蔓延扩展，最终导致轮齿发生疲劳断齿。 （2）过载断齿对于由铸铁或高硬度合金钢等脆性材料制成的齿轮，由于严重过载或受到冲击载荷作用，会使齿根危险截面上的应力超过极限值而发生突然断齿。 （3）局部断齿当齿面加工精度较低、或齿轮检修安装质量较差时，沿齿面接触线会产生一端接触、另一端不接触的偏载现象。偏载使局部接触的轮齿齿根处应力明显增大，超过极限值而发生局部断齿。局部断齿总是发生在轮齿的端部。 2. 点蚀 点蚀是闭式齿轮传动常见的损坏形式，一般多出现在靠近节线的齿根表面上，发生的原因是齿面脉动循环接触应力超过了材料的极限应力。 在齿面处的脉动循环变化的接触应力超过了材料的极限应力时，齿面上就会产生疲劳裂纹。裂纹在啮合时闭合而促使裂纹缝隙中的油压增高，从而又加速了裂纹的扩展。如此循环变化，最终使齿面表层金属一小块一小块地剥落下来而形成麻坑，即点蚀。 点蚀有两种情况： （1）初始点蚀（亦称为收敛性点蚀）通常只发生在软齿面（HB＜350）上，点蚀出现后，不再继续发展，甚至反而消失。原因是微凸起处逐渐变平，从而扩大了接触区，接触应力随之降低。 （2）扩展性点蚀发生在硬齿面（HB＞350）上，点蚀出现后，因为齿面脆性大，凹坑的边缘不会被碾平，而是继续碎裂下去，直到齿面完全损坏。 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。 当硬齿面齿轮热处理不当时，沿表面硬化层和芯部的交界层处，齿面有时会成片剥落，
风电齿轮箱的故障分析和维护 风力发电机组由叶片、增速齿轮箱、控制系统、发电机、塔架等组成。其中增速齿轮箱作为其传动系统起到动力传输的作用，使叶片的转速通过增速齿轮箱增速，使其转速达到发电机的额定转速，以供发电机能正常发电。因此增速齿轮箱设计及制造相当关键。同时风力发电机组增速齿轮箱由于其使用条件的限制，要求体积小，重量轻，性能优良，运行可靠，故障率低。 随着风电行业的发展，更多更大功率的机组投入商业化运营，因而其维修费用更高。虽然世界上著明的齿轮箱制造企业，如德国的Renk公司，Fland公司，Eickhoof公司以及一些中小企业在这方面都作了研究，并且有的企业也付出了很大的代价，但目前世界风电行业所用增速齿轮箱仍然事故较多。因此，采用先进技术，分析其失败的原因，总结和吸收以往开发其它项目齿轮箱成功的经验，研制高技术性能，高可靠性和良好的可维修性的增速齿轮箱是风力发电机组的关键技术保障。 一、风电齿轮箱故障分析 （一）、齿轮传动的故障原因分析 齿轮传动是机械设备中设备中最为常用的传动方式之一。风电齿轮箱运行状态的正常与否直接关系到整台机组的工作状况。据有关资料统计，齿轮箱发生故障有40％的原因是由于设计、制造、装配及原材料等因素引起的，即是由制造单位设计制造引起的；另有43％的原因是由于用户维护不及时和操作不当引起的；还有17％的原因是由于相邻条件（如电机、联轴节等）的故障或缺陷引起的。当然，风电齿轮箱故障原因是否有这比例关系，还要经过统计得出。由此可见，为了确保风电齿轮箱安全、正常地运行，提高齿轮传动的可靠性，一方面需要改进设计、提高加工制造精度以及改善装配质量，另一方面则必须提高运行管理和维护水平，对齿轮传动装置进行状态监测和故障诊断。 (二).齿轮箱中主要故障及其原因分析 据统计,齿轮箱中其次是轴承，占20％；再者是轴，占10％。最后是箱体和紧固件。由此可见，在齿轮箱中齿轮本身的故障所占比重大。说明在齿轮传动系统中齿轮本身的制造、装配质量及其运行维护水平是关键问题。齿轮在机械加工
第六章齿轮常见故障与诊断 齿轮传动由于结构紧凑、传动比精确等的优点，成为机械设备中常用的传动方式。现代机械对齿轮的要求日益提高，即要求齿轮能在高速、重载、特殊介质等恶劣环境条件下工作，又要求齿轮传动具有高平稳性、高可靠性等良好的工作性能，使得影响齿轮正常工作的因素愈来愈多，而齿轮工作不正常又是诱发机器故障的重要因素，因此，对齿轮故障诊断技术的应用也是非常重要的课题。 第一节齿轮故障的常见形式与原因 一、齿轮故障的常见形式 齿轮由于结构形式、材料与热处理、操作运行环境与条件等因素不同，发生故障的形式也不同，常见的齿轮故障有以下几类形式。 1.齿面磨损 润滑油不足或油质不清洁会造成齿面磨粒磨损，使齿廓改变，侧隙加大，以至由于齿轮过度减薄导致断齿。一般情况下，只有在润滑油中夹杂有磨粒时，才会在运行中引起齿面磨粒磨损。 2.齿面胶合和擦伤 对于重栽和高速齿轮的传动，齿面工作区温度很高，一旦润滑条件不良，齿面间的油膜便会消失，一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，在齿面上形成垂直于节线的划痕状胶合。新齿轮未经磨合便投入使用时，常在某一局部产生这种现象，使齿轮擦伤。 3.齿面接触疲劳 齿轮在实际啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生脉动载荷。载荷和脉动力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的剪应力，当这种剪应力超过齿轮材料的疲劳极限时，接触表面将产生疲劳裂纹，随着裂纹的扩展，最终使齿面剥落小片金属，在齿面上形成小坑，称之为点蚀。当“点蚀”扩大成片时，形成齿面上金属块剥落。此外，材质不均匀或局部擦伤，也容易在某一齿上首先出现接触疲劳，产生剥落。 4.弯曲疲劳与断齿 在运行过程中承受载荷的轮齿，如同悬臂梁，其根部受到脉冲循环的弯曲应力作用最大，当这种周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展，当剩余部分无法承受传动载荷时就会发生断齿现象。齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质不均匀也可能会引起断齿。断齿和点蚀是齿轮故障的主要形式。
齿轮常见故障信号特征与精密诊断 齿轮故障比较复杂，上节所述的几种信号分析处理方法针对齿轮故障诊断是非常有效的，但在实际工作中，通常是先利用常规的时域分析、频谱方法对齿轮故障做出诊断，这种诊断结果有时就是精密诊断结果，有时还需要利用上节所述的分析处理方法进一步对故障进行甄别和确认，最终得出精密诊断结果。 一、正常齿轮的时域特征与频域特征 没有缺陷的正常齿轮，其振动主要是由于齿轮自身的刚度等引起的。 (1)时域特征 正常齿轮由于刚度的影响，其波形为周期性的衰减波形。其低频信号具有近似正弦波的啮合波形，如图1所示。 (2)频域特征 正常齿轮的信号反映在功率上，有啮合频率及其谐波分量，即有nf c（n＝1,2,…），且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小；同时，在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波mf r（m＝1，2，…），其频谱如图2所示。 图1 正常齿轮的低频振动波形 图2 正常齿轮的频波 二、故障情况下振动信号的时域特征与频域特征 1.均匀磨损
齿轮均匀磨损是指由于齿轮的材料、润滑等方面的原因或者长期在高负荷下工作造成大部分齿面磨损。 (1)时域特征 齿轮发生均匀磨损时，导致齿侧间隙增大，通常会使其正弦波式的啮合波形遭到破坏，图3是齿轮发生磨损后引起的高频及低频振动。 图3 磨损齿轮的高频振动(a)和低频振动(b) (2)频域特征 齿面均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量nf c（n＝1，2，…）在频谱图上的位置保持不变，但其幅值大小发生改变，而且高次谐波幅值相对增大较多。分析时，要分析三个以上谐波的幅值变化才能从频谱上检测出这种特征。图4所示反映了磨损后齿轮的啮合频率及谐波值的变化。 随着磨损的加剧，还有可能产生1/k（k=2，3 ，4 ，…）的分数谐波，有时在升降还会出现如图5所示的呈非线性振动的跳跃现象。 2.齿轮偏心 齿轮偏心是指齿轮的中心与旋转轴的中心不重合，这种故障往往是由于加工造成的。 (1)时域特征 当一对互相啮合的齿轮中有一个齿轮存在偏心时，其振动波形由于偏心的影响被调制，产生调幅振动，图6为齿轮有偏心时的振动波形。
齿轮故障分析及诊断方法的比较 [摘要]这里对齿轮故障机理进行了分析，揭示了齿轮振动信号的故障特征。对时域分析法、频域分析法、频谱包络分析法、时延相关解调法、小波滤波分析法等故障诊断方法进行了分析比较。 [关键词] 故障诊断时域分析频域分析小波分析 一、齿轮故障机理及其振动主要特征 齿轮箱是各类机械的变速传递部件。造成齿轮箱故障的原因，主要是由于设计不当，制造不良和维护操作不善引起的。常见的齿轮失效形式有四种:即断裂、磨料磨损、粘附磨损或擦伤、以及疲劳剥落。 1．断裂和磨料磨损失效。齿轮承受载荷，如同悬臂梁，其根部的弯曲应力最大。由于过载，特别是冲击载荷，会引起整个齿与其相应部分断裂。当周期性的应力过高时，也会引起疲劳断裂。当轮齿工作面间有金属微粒、金属氧化物或其他磨料存在时，会引起磨料磨损。 2．齿面引起粘附磨损或擦伤失效。这种擦伤是两个啮合的齿面在相对滑动时油膜破裂。在摩擦和表面压力的作用下产生高温，使接触区内的金属局部熔焊继之以撕裂的现象。在齿面的滑动方向上可以看到粗糙的、高低不平的条纹，严重时可以看到表面层熔化的迹象。一般，润滑油粘度过低、转速过低、运行温度过高、齿面上单位面积载荷过大、相对滑动速度过高、以及接触面积过小，均会使油膜易于破裂而造成齿面擦伤。 3．齿面剥落失效。当齿面的接触应力超过材料允许的疲劳极限时，在表面层开始产生微细的裂纹，继之由小块剥落扩大造成挣开剥落，当剥落的面积不断增大时，齿面上剩余的有效工作面积无法再继续承担外部载荷，从而使整个齿产生断裂。 4．齿面疲劳裂纹失效。齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。因此齿面的疲劳裂纹是由于两种应力综合作用的结果。在滚动中，齿面接触区内的正压力使表面层深处产生剪应力，当此剪应力最大值超过材料的强度极限时，开始出现裂纹。另一方面，齿面的相对滑动，又会使表面产生拉应力。 齿轮箱装置在运行中与其运行状态有关的征兆由温度、噪声、振动、润滑油中磨损物的含量及形态、齿轮传动轴的扭转振动和扭矩、齿轮齿根应力分布等构成。基于振动信号分析的机械监测诊断技术，是齿轮诊断的主要方法。 与齿轮故障引起的振动有以下两个主要特征:
齿轮故障诊断的几种具体方法，经验总结 齿轮在运行中如果发生故障就会影响到真个设备的运行状态,要如何来发现和诊断齿轮故障呢?有四种方法——时域平均法、边频带分析、倒频谱分析、Hilbert解调法，下面我们就来了解一下。 这是齿轮时域故障诊断的一种有效的分析方法。该方法能从混有干扰噪声的信号中提取出周期性的信号。因为随机信号的不相关性，经多次叠加平均后便趋于零，而其中确定的周期分量仍被保留下来。 时域平均法要拾取两个信号：一个是齿轮箱的加速度信号，另一个是转轴回转一个周期的时标信号。时标信号就经过扩展或压缩运算，使原来的周期T转换为T’，相当于被检齿轮转过一整转的周期。这时加速度测过来的信号以周期T’截断叠加，然后进行平均。这种平均过程实质上是在所摄取的原始信号中消除其他噪声的干扰，提取有效信号的过程。最后，再经过光滑滤波，得到被检齿轮的有效信号。 边频带成分包含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，都会阻碍边频带分析，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。 由于边频带具有不稳定性，在实际工作环境中，尤其是几种故障并存时，边频带错综复杂，其变化规律难以用具体情况描述，但边频带的总体水平是随着故障的出现而上升的。 对于有数对齿轮啮合的齿轮箱振动的频谱图中，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，如偏心齿轮，除了影响载荷的稳定性而导致调频振动以外，实际上还会造成不同程度的转矩的波动，同时产生调频现象，结果出现不对称的边频带，这时要对它进行分析研究，最好的方法是使用倒频谱分析。 倒频谱分析将功率谱中的谐波族变换为到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，可以检测出功率谱图中难以辨别的周期性，从而便于分析故障。 倒频谱的另一个优点是对于传感器的测点或信号传输途径不敏感，对幅值调制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
齿轮故障诊断常用信号分析处理方法 振动和噪声信号是齿轮故障特征信息的载体，目前能够通过各种信号传感器、放大器及其他测量仪器，很方便地测量出齿轮箱的振动和噪声信号，通过各种分析和处理，提取其故障特 征信息，从而诊断出齿轮的故障。 以振动与噪声为故障信息载体来进行齿轮的精密诊断，目前常用的信号分析处理方法 有以下几种： (1)时域分析方法，包括时域波形、调幅解调、相位解调等； (2)频域分析，包括功率谱、细化谱； (3)倒频谱分析； (4)时频域分析方法，包括短时FFT，维格纳分布，小波分析等； (5)瞬态信号分析方法，包括瀑布图等。 上述各种信号分述处理方法前面均已介绍，在此仅针对齿轮振动的特点介绍其中最常 用的几种分析方法。 一、频率细化分析技术 由于齿轮的振动频谱图包含着丰富的信息，不同的齿轮故障具有不同的振动特征，其 相应的谱线会发生特定的变化。 由于齿轮故障在频谱图上反映出的边频带比较多，因此进行频谱分析时必须有足够的频率分辨率。当边频带的间隔（故障频率）小于分辨率时，就分析不出齿轮的故障，此时可采用频率细化分析技术提高分辨率。以某齿轮变速箱的频谱图［见图1(a)］为例，从图中可几以看出，在所分析的0 ~ 2kHz频率范围内，有1~4阶的啮合频率的谱线，还可较清晰地看出有间隔为25Hz的边频带，而在两边频带间似乎还有其他的谱线，但限于频率分辨率已不能清晰分辨。利用频谱细化分析技术，对其中900～1 100Hz的频段进行细化分析，其细化频谱如图1 (b)所示。由细化谱中可清晰地看出边频带的真实结构，两边频带的间隔为8. 3Hz，它是由于转动频率为8.3Hz的小齿轮轴不平衡引起的振动分量对啮合频率调制的结果。本例表明，用振动频谱的边频带进行齿轮不平衡一类的故障诊断时，必须要有足够的频率分辨率，否则会造成误诊或漏诊，影响诊断结果的准确性。 二、倒频谱分析 对于同时有多对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图，由于每对齿轮啮合都将产生边频带，几个边频带交叉分布在一起，仅进行频率细化分析有时还无法看清频谱结构，还需要进一步做倒频谱分析。倒频谱能较好地检测出功率谱上的周期成分，通常在功率谱上无法对边频的总体水平作出定量估计，而倒频谱对边频成分具有“概括”能力，能较明显地显示出功率谱上的周期成分，将原来谱上成族的边频带谱线简化为单根谱线，便于观察，而齿轮发生故障时的振动频谱具有的边频带一般都具有等间隔（故障频率）的结构，利用倒频谱这个优点，可以检测出功率谱中难以辨识的周期性信号。
齿轮的故障诊断 齿轮的故障诊断 一、齿轮的常见故障 齿轮是最常用的机械传动零件，齿轮故障也是转动设备常见的故障。据有关资料统计，齿轮故障占旋转机械故障的10.3%。齿轮故障可划分为两大类，一类是轴承损伤、不平衡、不对中、齿轮偏心、轴弯曲等，另一类是齿轮本身（即轮齿）在传动过程中形成的故障。在齿轮箱的各零件中，齿轮本身的故障比例最大，据统计其故障率达60%以上。齿轮本身的常 见故障形式有以下几种。 1. 断齿 断齿是最常见的齿轮故障，轮齿的折断一般发生在齿根，因为齿根处的弯曲应力最大，而 且是应力集中之源。 断齿有三种情况：①疲劳断齿由于轮齿根部在载荷作用下所产生的弯曲应力为脉动循环交变应力，以及在齿根圆角、加工刀痕、材料缺陷等应力集中源的复合作用下，会产生疲劳裂纹。裂纹逐步蔓延扩展，最终导致轮齿发生疲劳断齿。②过载断齿对于由铸铁或高硬度合金钢等脆性材料制成的齿轮，由于严重过载或受到冲击载荷作用，会使齿根危险截面上的应力超过极限值而发生突然断齿。③局部断齿当齿面加工精度较低、或齿轮检修安装质量较差时，沿齿面接触线会产生一端接触、另一端不接触的偏载现象。偏载使局部接触的轮齿齿根处应力明显增大，超过极限值而发生局部断齿。局部断齿总是发生 在轮齿的端部。 2. 点蚀 点蚀是闭式齿轮传动常见的损坏形式，一般多出现在靠近节线的齿根表面上，发生的原因是齿面脉动循环接触应力超过了材料的极限应力。 在齿面处的脉动循环变化的接触应力超过了材料的极限应力时，齿面上就会产生疲劳裂纹。裂纹在啮合时闭合而促使裂纹缝隙中的油压增高，从而又加速了裂纹的扩展。如此循环变化，最终使齿面表层金属一小块一小块地剥落下来而形成麻坑，即点蚀。 点蚀有两种情况：①初始点蚀（亦称为收敛性点蚀）通常只发生在软齿面（HB＜350）上，点蚀出现后，不再继续发展，甚至反而消失。原因是微凸起处逐渐变平，从而扩大了接触区，接触应力随之降低。②扩展性点蚀发生在硬齿面（HB＞350）上，点蚀出现后，因为齿面脆性大，凹坑的边缘不会被碾平，而是继续碎裂下去，直到齿面完全损坏。 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。 当硬齿面齿轮热处理不当时，沿表面硬化层和芯部的交界层处，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起的。齿面不平、润滑不良等也是造成齿面磨损的原因。此外，不对中、联轴器磨损以及扭转共振等，会在齿轮
信号处理方法诊断齿轮故障 振动和噪声信号是齿轮故障特征信息的载体，目前能够通过各种信号传感器、放大器及其他测量仪器，很方便地测量出齿轮箱的振动和噪声信号，通过各种分析和处理，提取其故障特征信息，从而诊断出齿轮的故障。 以振动与噪声为故障信息载体来进行齿轮的精密诊断，目前常用的信号分析处理方法有以下几种： (1)时域分析方法，包括时域波形、调幅解调、相位解调等； (2)频域分析，包括功率谱、细化谱； (3)倒频谱分析； (4)时频域分析方法，包括短时FFT，维格纳分布，小波分析等； (5)瞬态信号分析方法，包括瀑布图等。 上述各种信号分述处理方法前面均已介绍，在此仅针对齿轮振动的特点介绍其中最常用的几种分析方法。 一、频率细化分析技术 由于齿轮的振动频谱图包含着丰富的信息，不同的齿轮故障具有不同的振动特征，其相应的谱线会发生特定的变化。 由于齿轮故障在频谱图上反映出的边频带比较多，因此进行频谱分析时必须有足够的频率分辨率。当边频带的间隔（故障频率）小于分辨率时，就分析不出齿轮的故障，此时可采用频率细化分析技术提高分辨率。以某齿轮变速箱的频谱图［见图1(a)］为例，从图中可几以看出，在所分析的0 ~ 2kHz频率范围内，有1~4阶的啮合频率的谱线，还可较清晰地看出有间隔为25Hz的边频带，而在两边频带间似乎还有其他的谱线，但限于频率分辨率已不能清晰分辨。利用频谱细化分析技术，对其中900～1 100Hz的频段进行细化分析，其细化频谱如图1 (b)所示。由细化谱中可清晰地看出边频带的真实结构，两边频带的间隔为8. 3Hz，它是由于转动频率为8.3Hz的小齿轮轴不平衡引起的振动分量对啮合频率调制的结果。本例表明，用振动频谱的边频带进行齿轮不平衡一类的故障诊断时，必须要有足够的频率分辨率，否则会造成误诊或漏诊，影响诊断结果的准确性。 二、倒频谱分析 对于同时有多对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图，由于每对齿轮啮合都将产生边频带，几个边频带交叉分布在一起，仅进行频率细化分析有时还无法看清频谱结构，还需要进一步做倒频谱分析。倒频谱能较好地检测出功率谱上的周期成分，通常在功率谱上无法对边频的总体水平作出定量估计，而倒频谱对边频成分具有“概括”能力，能较明显地显示出功率谱上的周期成分，将原来谱上成族的边频带谱线简化为单根谱线，便于观察，而齿轮发生故障时的振动频谱具有的边频带一般都具有等间隔（故障频率）的结构，利用倒频谱这个优点，可以检测出功率谱中难以辨识的周期性信号。 图1 齿轮振动信号的频谱分析 图2 (a)是某齿轮箱振动信号的频谱，频率为0 ~20kHz ,谱线数4000其中包含啮合频率（4 . 3kHz）及其三阶谐频成分。由于频率分辨率太低(50Hz )，频谱上没有分解出
齿轮故障分析与改进
摘要：介绍齿轮的几种常见故障的特征以及处理分析。在齿轮故障诊断过程中，利用振动和噪声可以解决变速箱中大部分问题。有时还可以综合应用温度、失效情况等辅助手段来进行诊断分析。进一步提高齿轮故障诊断的准确性和可靠性。作者：张炳琨 关键词：齿轮故障 1前言 齿轮传动在各机械设备中应用较为广泛，大多数齿轮零件都是用来传递运动和动力的。齿轮在工作时一般都承受较大的扭矩和径向载荷。在加工前应对齿轮零件的结构、功能、技术要求、定位基准和热处理等方面进行分析。齿轮在工作过程中往往会产生噪声和振动。根据噪声和振动来诊断齿轮是否失效，从实际工作中及资料统计来看，用噪声和振动来诊断齿轮是否失效约占60%以上。因此，齿轮箱的故障诊断通常利用此方法进行分析。齿轮装入齿轮箱内，齿轮啮合是质量的关键。齿轮的啮合质量主要表现在齿侧间隙和一定的接触面积及正确的接触位置。此外，箱体孔的加工位置精度、形状精度及相互位置精度等都有着密切的关系。就齿轮常见故障进行简单的分析和处理。 2齿轮常见故障分析 齿轮在运转时,由于齿轮制造误差、装配不当或操作维护不善,会发生各种各样的的齿轮失效。失效形式又随着齿轮材料、热处理、运转状态等因素的不同而不同。常见的齿轮传动故障形式有以下几种。 2.1轮齿折断 这是齿轮中较常见的问题。轮齿折断后齿轮箱会有很大的冲击振动和噪声。轮齿折断一般发生在齿根部分。因为齿根处的弯曲应力最大，且有应力集中。就原因而论：受较大的过载或冲击会发生突然断齿；齿轮工作时间较长后，受多次重复弯曲作用轮齿根部发生疲劳，产生裂缝，并逐渐扩大而引起的疲劳折断。2.2轮齿点蚀 轮齿在工作时长时间产生较大的接触应力，当接触应力和重复次数超过一定限度时，轮齿的表面就会产生细微的疲劳裂纹，慢慢渗入润滑油，在经过啮合齿轮的挤压，很快裂纹就会扩展，表面有麻点或小块金属脱落这样继续工作下去，造成工作不平稳和噪声加大，久而久之使齿轮失效。 2.3齿面磨损 齿轮在工作中，齿面都会产生一定的磨损，如润滑较好或闭式传动，齿面磨损相对较慢；润滑不好或开式传动中的齿轮，齿面磨损很快。磨损后的轮齿变形、齿侧间隙增大，容易产生轮齿折断现象，传动的平稳性和扭曲强度明显降低。2.4轮齿塑性变形 齿轮在超载工作时，齿面的压力过大，在力的作用下，使齿面的金属产生塑性流动，失去了原来的齿形当产生塑性变形时，齿面的金属将沿着磨檫力的方向流动。过载工作是产生塑性变形的重要原因。 2.5齿面胶合。 热胶合和冷胶合是齿面胶合的两种常见形式。热胶合主要是指在齿轮较高的传动下,啮合的两齿面的实际接触的部分由于金属熔化而粘结在了一起,粘着的金属随齿面的运动而撕落。冷胶合是指在齿轮较低的传动速度下,在较高的局部压力下,两啮合齿轮表面膜被刺破,因为金属的直接接触而导致齿面粘合。 3齿轮故障的改进
、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法 一、齿轮啮合频率的机理 由齿轮传动理论可知，渐开线齿廓齿轮在节点附近为单齿啮合，而在节线的两边为双齿 啮合，啮合区的大小则由重叠系数&决定。因此，每对轮齿在啮合过程中承受的载荷是变化的，从而引起齿轮的振动，另外，一对轮齿在啮合过程中两齿面的相对滑动速度和摩擦力均 在节点处改变方向，引起齿轮的振动?这两者形成了啮合频率fz及其谐波Nfz，其计算式为 nZ f z 60 式中Z 齿轮的齿数；n轴的转速，「/min 。 nZ 60 式中N —自然数，1 , 2 , 3 ,……。N=1称为基波，即啮合频率；N = 2 , 3 ,……时，称为二次，三次…谐波。 啮合频率fz及其谐波Nfz的频谱特点: ①初始状态，啮合颇率的幅值最高，各次谐波的幅值依次减小（图1的实线部分）; ②随着齿轮磨损的增加，渐开线齿廓逐渐受到破坏，使齿轮振动加剧，此时啮合频率及其各 次谐波的幅值逐渐增大，而且各次谐波幅值的增加比啮合频率快得多（图中虚线所示）; ③磨损严重时，二次谐波幅值超过啮合频率幅值。
由频谱图上啮合频率及其谐波幅值的增量可判断出齿轮的磨损程度。 啮合频率分析： （1 ）负载和啮合刚度的周期性变化 负载和啮合刚度的变化可用两点来说明： 一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一 齿轮的刚度发生了变化， 二是参加啮合的齿数在变化。 如渐开线直齿轮， 在节点附近是单齿 啮合，在节线两侧某部位开始至齿顶、齿根区段为双齿啮合。显然，在双齿啮合时，整个齿 轮的载荷由两个齿分担， 故此时齿轮的啮合刚度就较大； 同理单齿啮合时，载荷由一个齿承 担，此时齿轮的啮合刚度较小。 从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合， 齿轮的负 载和啮合刚度就变化一次， 所以齿轮的负载和啮合刚度周期性变化的频率与齿轮旋转频率成 整数倍关系。 （2 ）节线冲击的周期性变化 齿轮在啮合过程中，轮齿表面既有相对滚动， 又有相对滑动。主动轮带动从动轮旋转时， 主动轮上的啮合点从齿根移向齿顶， 啮合半径逐渐增大， 速度渐次增高；而从动轮上的啮合 点是由齿顶移向齿根， 啮合半径逐渐减小， 速度渐次降低。两轮齿齿面在啮合点的速度差异 就形成了主动轮和从动轮的相对滑动。 在主动轮上，齿根和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； 在节点处，因为两轮上的啮合点速度相等，相对滑 动速度为零。因此，摩擦力在节点处改变了方向，形成节线冲击。由以上分析可知，从一个 轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合， 发生两次节点冲击， 所以节线冲击发生的频率与 齿轮旋转频率成整数倍关系。A 图1啮合频率及其谐波 图2严重磨损时的啮合频率及其二次谐波