基于倒频谱法在齿轮箱故障诊断中的应用
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３Ｈ ０ ｚ与 轴 的转 频 １ ５ ／０ 约 为 ２ Ｈｚ 比较 吻合 ， 说 明 ７ ０６ （ ９ ） 这
［］ 王凯， ２ 张永 祥 ． 轮裂 纹故 障 的双 谱 分析 ［ ］ 械强 度 ，０ ６ 齿 Ｊ． 机 ２０
（ ：４ — ４ ３）３ ６ ３ ８
［ ］ 屈梁生 ， ３ 何正 嘉． 机械故 障诊断学 ［ ． Ｍ］ 上海： 上海科学技术 出版
边 如图 ４ 示 ， 所 时域 同步平 均 是 一种 去 噪 的方 法 ， 在旋 转 机 频率 ， 频特征 和对齿 轮 的故障进行 快速诊 断 。 ［ 考文献 ］ 参 械 中得 到 了非 常广 泛 的运 用 ，然 后 对 时域 同步 平均 后 的
数 据进 行傅 里 叶变换 ， 图 ５所 示 。最 后进 行 的是倒 频 谱 如 分 析 ， 图 ６所 示 。该 试 验 是从 齿 轮 的正 常 工况 开 始 ， 如 直
社 ，９ ６ １８．
［ ］ Ｂ ｄ ｏ ｉ Ｅ， ｕｌ ｔＦ Ｄ ｎｅｅＪ ｗ ａ ｐｉａｉｎ ｆｔｅｒａ ４ ａ ａ ｕ Ｍ Ｇ ｉｅ ， ａ ｉｒ ． ｐ ｌ ｔ ｓｏ ｅｌ ｌ Ｎｅ ｃ ｏ ｈ
ｃ ｐｓｒ ｍ ｏ ｇ ａ ｉ ｎ ｌ ｉ ｃ ｕ ｉ ｇ ｄｅ ｉ ｉｉ ｎ ｏ ｏ ｕｓ ｆ ｕ ｔ ｅ ｔｕ ｔ ｅ ｒ ｓ ｇ ａ ｓ ｎ ｌ ｄ ｎ ｆｎ ｔｏ ｆ ａ ｒ ｂ ｔ ａ ｌ
ｉｄｃ ｔｒ Ｊ． ｃ ａ ｉａ ｙｔｍｓａ ｄＳｇ ａ Ｐｏ ｅｓ ｇ２ ０ ｎ ｉａｏ ｌＪ Ｍｅｈ ｎｃ ｌｓｓｅ ｎ ｉｎ ｌ ｒｃ ｓｉ ，０ ４ ｎ
（ ８ ：０ １ １ ４ ． １ ）１ ３ － ０ ６
动 轮 为整 体 齿 轮 轴 ， 齿 数 为 ２ 是 ０的减 速斜 齿 轮 ， 动 轮 被
本文研究的齿 轮副为传动 比 １３ ：． ５的齿轮传动副 ， 主 ５ 结 论 齿轮箱 振动 频谱 图中 ， 由多对齿 轮 啮合所 产生 以轴 的
单 齿数 为 ７ ， 轮 啮合 频率 为 ５ ３ ｚ ０齿 ８ Ｈ 。在输 出扭矩 为 １０ 旋 转频 率为 间 隔的边 频带 相互 交织 在 一起 ， 利用 频率 功 ０％ 率 谱来 观察 这种 复杂 变 频带 的结构 有 一定 难度 ， 就需 要 这 的负 荷条 件下 ， 运行 约 ｌＯ ， Ｏ ｈ 之后 将 负荷 提高 ３ ０ 直 到 ０ ％， 利 用倒频谱 分析 。倒 频谱 能够从 复杂 的边频 中识 别 出主要 齿轮 发生 破损 结束 。
究对 象 。试 验 台及 个 别设 备如 图 １ 图 ３所示 。 ～
图４
（） ａ 正常齿 轮的傅里 叶变换 （ 破损齿轮 的傅里 叶变换 ｂ） 图 ５
一
（） ｂ 破损齿轮倒频谱 分析
（） ａ 正常齿轮的倒频谱分 析
ｌ
图６
现几处断齿 ， 明倒频谱 分析 方法 对齿轮的故障诊断有效。 说
制造 业信 总 化
仿 鼻 ， 耀 Ｉ ＡＤ Ｃ ＭＩ ＡＥ ＣＡ 毽 Ｃ Ｉ Ａ Ｃ Ｉ ＰＰ
称之为为倒频率。 值大时 ， 表示在频谱图上 的快速波动 和密集谐频 ， 称为高倒频率 ， 反之称为低倒频率 。
３ 齿轮 运行 试 验
本 实 验采 用 二级 斜 齿 齿轮 传 动 装置 （ 既能 增 速 ， 它 又
能 减速 ） 进行 。此 装置 的变 速箱 是采 用一 套输 入 功率 为 上 ３ ０马力 ，７ ０ ｍｉ ｌ ５ ｄ ｎ的交 流 电机 来 驱动 ，扭 矩 为 ７ ５马 力 ，
１５ ｒ ｉ ０ ｍｎ的交流 电机所应 用 。该实验 传动装置也有一个 隔 ７ ／
（） 常齿轮的时域同步平均 ａ正
［］ 丁康 ， 巍华 ， 小勇ｌ 轮及齿轮箱 故障诊断实用技术 ［ ． １ 李 朱 齿 Ｍ］ 北 京 ： 械工 业 出版 社 ，０ ５ 机 ２ ０．
到出现 破损 结束 。 比较 两者 的通 过 Ｆ Ｔ 理后 ， ５ ｂ 在 Ｆ 处 图 （） 频率为 ５３ ｚ ， ８ Ｈ 时 幅值 有 明显 的加 大 ， 是 因为此 时 的齿 这 轮 出现 故 障所致 。 齿 轮 的啮合 频 率 ＝ １ ５ ／０ × ２ ／０） ７ ＝ ８ Ｈ ， （ ７ ０６ ） （ ０７ ｘ ０ ５ ３ ｚ 在 啮合频 率 边上 还 有很 多频 率 的 幅值 也发 生 增 大 ，这 些就 是 成簇 的边频 带 。由于边 频 带 的存在 ， 以断定 故 障的存 可 在 ， 是单 从 图 ５不 能确定 是何 种 故 障 。从 图 ６ｂ 中 ， 但 （ ） 得 峰 值 较 大 的频 率 分 别 约 为 ４ Ｈ 、０ ｚ１Ｈ 、Ｈ ，其 中 ５ ｚ３ Ｈ 、８ ｚ９ ｚ
（ ） 损 齿 轮 的 时域 同步 平 均 ｂ破
振， 隔开 了装置与地面一些距离 ， 防止振动传输 到地面上
来 ，轴利 用 刚性 和柔 性联 轴 器连 接 。建 立基 于 Ｌ ｂ Ｉ Ｗ ａＶ Ｅ 的虚 拟仪 器 平 台数 据采 集 系 统 ， 采样 频 率 为 ２ ｋ ｚ每 隔 ０Ｈ ， １ｍ ｎ ０ ｉ 采样 一 次 ， 每次 采样 １ｓ运用研 华 Ｕ Ｂ ４ ｌ 采集 ０， Ｓ 一７ １ 卡 ， 采集 到 的信号 存放 在 硬盘 里 。 将 齿轮 径 向传感 器 （ Ａ Ｃ — Ｙ 一 １采集 的信 号对 齿 轮 破损 最 为敏 感 ， 以它 为研 Ｄ １８ ） １ 故
４ 比较 清楚 地 区分 边频 谱 中的周 期 成分， 倒频谱 能够将 原来 谱上 的成 族 的边 频带 简化 成简单 明 了 ， 于 观 察 的单 根谱 线 ， 易 这样 有 利 于分 析 齿 轮 的啮合
在 Ｍ ＴＡ Ａ Ｌ Ｂ中 ， 用采 集 到 的大量 的齿 轮振 动数 据 ， 调 编写 程 序 ， 行 如 下 处理 ： 进 首先 进 行 时域 同步 平 均 处 理 ，
［］ 王凯， ２ 张永 祥 ． 轮裂 纹故 障 的双 谱 分析 ［ ］ 械强 度 ，０ ６ 齿 Ｊ． 机 ２０
（ ：４ — ４ ３）３ ６ ３ ８
［ ］ 屈梁生 ， ３ 何正 嘉． 机械故 障诊断学 ［ ． Ｍ］ 上海： 上海科学技术 出版
边 如图 ４ 示 ， 所 时域 同步平 均 是 一种 去 噪 的方 法 ， 在旋 转 机 频率 ， 频特征 和对齿 轮 的故障进行 快速诊 断 。 ［ 考文献 ］ 参 械 中得 到 了非 常广 泛 的运 用 ，然 后 对 时域 同步 平均 后 的
数 据进 行傅 里 叶变换 ， 图 ５所 示 。最 后进 行 的是倒 频 谱 如 分 析 ， 图 ６所 示 。该 试 验 是从 齿 轮 的正 常 工况 开 始 ， 如 直
社 ，９ ６ １８．
［ ］ Ｂ ｄ ｏ ｉ Ｅ， ｕｌ ｔＦ Ｄ ｎｅｅＪ ｗ ａ ｐｉａｉｎ ｆｔｅｒａ ４ ａ ａ ｕ Ｍ Ｇ ｉｅ ， ａ ｉｒ ． ｐ ｌ ｔ ｓｏ ｅｌ ｌ Ｎｅ ｃ ｏ ｈ
ｃ ｐｓｒ ｍ ｏ ｇ ａ ｉ ｎ ｌ ｉ ｃ ｕ ｉ ｇ ｄｅ ｉ ｉｉ ｎ ｏ ｏ ｕｓ ｆ ｕ ｔ ｅ ｔｕ ｔ ｅ ｒ ｓ ｇ ａ ｓ ｎ ｌ ｄ ｎ ｆｎ ｔｏ ｆ ａ ｒ ｂ ｔ ａ ｌ
ｉｄｃ ｔｒ Ｊ． ｃ ａ ｉａ ｙｔｍｓａ ｄＳｇ ａ Ｐｏ ｅｓ ｇ２ ０ ｎ ｉａｏ ｌＪ Ｍｅｈ ｎｃ ｌｓｓｅ ｎ ｉｎ ｌ ｒｃ ｓｉ ，０ ４ ｎ
（ ８ ：０ １ １ ４ ． １ ）１ ３ － ０ ６
动 轮 为整 体 齿 轮 轴 ， 齿 数 为 ２ 是 ０的减 速斜 齿 轮 ， 动 轮 被
本文研究的齿 轮副为传动 比 １３ ：． ５的齿轮传动副 ， 主 ５ 结 论 齿轮箱 振动 频谱 图中 ， 由多对齿 轮 啮合所 产生 以轴 的
单 齿数 为 ７ ， 轮 啮合 频率 为 ５ ３ ｚ ０齿 ８ Ｈ 。在输 出扭矩 为 １０ 旋 转频 率为 间 隔的边 频带 相互 交织 在 一起 ， 利用 频率 功 ０％ 率 谱来 观察 这种 复杂 变 频带 的结构 有 一定 难度 ， 就需 要 这 的负 荷条 件下 ， 运行 约 ｌＯ ， Ｏ ｈ 之后 将 负荷 提高 ３ ０ 直 到 ０ ％， 利 用倒频谱 分析 。倒 频谱 能够从 复杂 的边频 中识 别 出主要 齿轮 发生 破损 结束 。
究对 象 。试 验 台及 个 别设 备如 图 １ 图 ３所示 。 ～
图４
（） ａ 正常齿 轮的傅里 叶变换 （ 破损齿轮 的傅里 叶变换 ｂ） 图 ５
一
（） ｂ 破损齿轮倒频谱 分析
（） ａ 正常齿轮的倒频谱分 析
ｌ
图６
现几处断齿 ， 明倒频谱 分析 方法 对齿轮的故障诊断有效。 说
制造 业信 总 化
仿 鼻 ， 耀 Ｉ ＡＤ Ｃ ＭＩ ＡＥ ＣＡ 毽 Ｃ Ｉ Ａ Ｃ Ｉ ＰＰ
称之为为倒频率。 值大时 ， 表示在频谱图上 的快速波动 和密集谐频 ， 称为高倒频率 ， 反之称为低倒频率 。
３ 齿轮 运行 试 验
本 实 验采 用 二级 斜 齿 齿轮 传 动 装置 （ 既能 增 速 ， 它 又
能 减速 ） 进行 。此 装置 的变 速箱 是采 用一 套输 入 功率 为 上 ３ ０马力 ，７ ０ ｍｉ ｌ ５ ｄ ｎ的交 流 电机 来 驱动 ，扭 矩 为 ７ ５马 力 ，
１５ ｒ ｉ ０ ｍｎ的交流 电机所应 用 。该实验 传动装置也有一个 隔 ７ ／
（） 常齿轮的时域同步平均 ａ正
［］ 丁康 ， 巍华 ， 小勇ｌ 轮及齿轮箱 故障诊断实用技术 ［ ． １ 李 朱 齿 Ｍ］ 北 京 ： 械工 业 出版 社 ，０ ５ 机 ２ ０．
到出现 破损 结束 。 比较 两者 的通 过 Ｆ Ｔ 理后 ， ５ ｂ 在 Ｆ 处 图 （） 频率为 ５３ ｚ ， ８ Ｈ 时 幅值 有 明显 的加 大 ， 是 因为此 时 的齿 这 轮 出现 故 障所致 。 齿 轮 的啮合 频 率 ＝ １ ５ ／０ × ２ ／０） ７ ＝ ８ Ｈ ， （ ７ ０６ ） （ ０７ ｘ ０ ５ ３ ｚ 在 啮合频 率 边上 还 有很 多频 率 的 幅值 也发 生 增 大 ，这 些就 是 成簇 的边频 带 。由于边 频 带 的存在 ， 以断定 故 障的存 可 在 ， 是单 从 图 ５不 能确定 是何 种 故 障 。从 图 ６ｂ 中 ， 但 （ ） 得 峰 值 较 大 的频 率 分 别 约 为 ４ Ｈ 、０ ｚ１Ｈ 、Ｈ ，其 中 ５ ｚ３ Ｈ 、８ ｚ９ ｚ
（ ） 损 齿 轮 的 时域 同步 平 均 ｂ破
振， 隔开 了装置与地面一些距离 ， 防止振动传输 到地面上
来 ，轴利 用 刚性 和柔 性联 轴 器连 接 。建 立基 于 Ｌ ｂ Ｉ Ｗ ａＶ Ｅ 的虚 拟仪 器 平 台数 据采 集 系 统 ， 采样 频 率 为 ２ ｋ ｚ每 隔 ０Ｈ ， １ｍ ｎ ０ ｉ 采样 一 次 ， 每次 采样 １ｓ运用研 华 Ｕ Ｂ ４ ｌ 采集 ０， Ｓ 一７ １ 卡 ， 采集 到 的信号 存放 在 硬盘 里 。 将 齿轮 径 向传感 器 （ Ａ Ｃ — Ｙ 一 １采集 的信 号对 齿 轮 破损 最 为敏 感 ， 以它 为研 Ｄ １８ ） １ 故
４ 比较 清楚 地 区分 边频 谱 中的周 期 成分， 倒频谱 能够将 原来 谱上 的成 族 的边 频带 简化 成简单 明 了 ， 于 观 察 的单 根谱 线 ， 易 这样 有 利 于分 析 齿 轮 的啮合
在 Ｍ ＴＡ Ａ Ｌ Ｂ中 ， 用采 集 到 的大量 的齿 轮振 动数 据 ， 调 编写 程 序 ， 行 如 下 处理 ： 进 首先 进 行 时域 同步 平 均 处 理 ，
