齿轮故障诊断

齿轮在此周期撞击力的激励下产生了以啮合频 率为振动频率的强迫振动 频率范围一般在几百到几千赫兹

(1) 齿轮的振动类型

第二，由于齿轮啮合过程中齿轮发生弹性变形， 使刚刚进入啮合的齿轮发生撞击，因而产生沿着 啮合线方向的脉动力，于是也会产生以啮合频率 为频率的振动。 对于渐开线齿轮，在节点附近为单齿啮合，而 在节点两侧为双齿啮合，故其刚度是非简谐的 周期函数，所产生的强迫振动与前述第一种情 况不同 不仅有以啮合频率为频率的基频振动，而且还 有啮合频率的高次谐波振动。
齿廓的的振动Fra Baidu bibliotek点
•对于渐开线齿轮，在节点附近为单齿啮合，而在节点两 侧为双齿啮合，故其刚度是非简谐的周期函数， •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
齿轮故障的常见形式
既要求齿轮能在高速、重载、特殊介质的恶劣 环境条件下工作 又要求齿轮装置具有高平稳性、高可靠性和结 构紧凑的良好的工作性能 由此使得齿轮发生故障的因素越来越多。 而齿轮异常又是诱发机械故障的重要因素。 齿轮由于结构型式、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。
齿轮故障还可分为局部故障和分布故障。局部 故障集中在一个或几个齿上，而分布故障则在齿轮 各个轮齿上都有体现。
齿轮故障的原因
产生上述齿轮故障的原因较多，但从大量故障 的分析统计结果来看，主要原因有以下几个方面 。

制造误差 装配不良 润滑不良 超载 操作失误
齿轮故障的原因

制造误差

第六，由于齿面的局部损伤而产生的激励，其相 应的强迫振动频率等于损伤的齿数乘以轴的转动 频率。
(1) 齿轮的振动类型
综上所述，齿轮的振动频率基本上可归为三类：即 轴的转动频率及其谐频，齿轮的啮合频率及其谐频， 齿轮自身的各阶固有频率。 而齿轮的实际振动往往是上述各类振动的某种组合， 齿轮几种常见工作状态下振动的时间历程曲线和相 应的幅频谱图。从图中看到，不同状态下其时域和 频域图形均有明显的区别。但这些振动曲线都是经 过低通滤波后得到的，它只显示出其中频率较低的 转动频率和啮合频率及它们的谐频，滤去了高频的 自由衰减振动。实际上，齿轮的自由振动经由轴、 轴承传动齿轮箱体时，高频冲击振动已衰减，犹如 通过一个机械低通滤波器，因此在轴承座等处测的 振动信号，一般只包含转动频率与啮合频率及其谐
(2) 振动信号的调制原理

频率调制
齿轮载荷不均匀、齿距不均匀及故障造成的载荷波动， 除了对振动幅值产生影响外，同时也必然产生扭矩波动， 使齿轮转速产生波动。这种波动表现在振动上即为频率调 制（也可以认为是相位调制）。

频率调制波的频谱也是在载频谱线的两侧产生等间隔的边频带，边 频带的间隔就是调制信号(往往是与齿轮故障有关的信号)的频率。
齿轮故障诊断
齿轮异常的基本形式 齿轮振动频率及频谱特点 齿轮故障分析方法
齿轮的基本概念




据史料记载，远在公元前400~200年的中国古代就 巳开始使用齿轮，在我国山西出土的青铜齿轮是 迄今巳发现的最古老齿轮，作为反映古代科学技 术成就的指南车就是以齿轮机构为核心的机械装 置。 17世纪末，人们才开始研究，能正确传递运动的 轮齿形状。 18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日 益广泛；先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮， 一直到20世纪初，渐开线齿轮已在应用中占了优 势。
外齿轮各部分名称及符号：
齿轮圆周上轮 齿的数目称为 齿数,用z表示。
基圆：形成渐开线的发生线作纯滚动的圆
1.啮（nie)合过程
一对具有渐开线齿廓齿轮的 啮合传动，是依靠主动齿轮的齿 廓推动从动齿轮的齿廓来实现的。 图中： B1为啮合终止点 B2为啮合起始点 B1B2为实际啮合线段 N1N2为理论啮合线段 N1、N2为极限啮合点 B1 B2
齿轮振动信号调制特点

齿轮振动时，由于各种因素的影响往往既有以啮合频率为基频 的振动，又有它的高阶谐频分量；而轴的转动频率也常常有高 阶谐频分量。 由此可见，齿轮振动的边频带分布非常复杂，如果齿轮箱中同 时有几对齿轮啮合，其边频带往往重叠一起，很难直接从频谱 图中识别特征频率。

时域中的幅值调制（相 乘）在频域中反映为频 移，即原载频的谱线的 位置移动了fo，而且由 调制前一条谱线fm变为 两条谱线（fm－fo，fm＋ fo），分布在原谱线fm的 两侧，形成边频带。
(a)载波 (c)调制波
(b)载波频谱 (d)调制波频谱
(e)调幅信号 (f)调幅信号频谱
齿轮振动频谱的特点



2. 齿轮振动频谱的特点
(2) 振动信号的调制原理
齿轮振动信号既有调幅又有调频，这两种 调制在频谱中均表现为啮合频率及其谐波的两 侧有边频带，各边频带的间隔即是调制信号的 频率。
2. 齿轮振动频谱的特点
(2) 振动信号的调制原理

幅值调制
原因：由于齿面载荷波动对振幅的影响而造成。
齿轮的偏心使齿轮啮合时一边紧一边松，从而产生载 荷波动，使振幅按此规律周期性地变化。 齿轮的加工误差（例如节距不匀）及齿轮故障使齿轮 在啮合中产生短暂的“加载”和“卸载”效应，也会产生 幅值调制。
3. 齿面接触疲劳点蚀
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”扩大连成 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。

幅值调制从数学上看相当于在时域中两个信号乘积， 而在频域上相当与两个信号的卷积。

载波，频率较高－啮合频率fm 调制信号，低频－回转频率fr

幅值调制从数学上看，相当于两个信号在时域 上相乘；而在频域上，相当于两个信号的卷积。 这两个信号一个称为载波，其频率相对来说较 高；另一个称为调制波，其频率相对于载波频 率来说较低。在齿轮信号中，啮合频率成分通 常是载波成分，齿轮轴旋转频率成分通常是调 制波成分。
齿轮故障的原因

润滑不良
对于高速重载齿轮，润滑不良会导致齿面局部过热， 造成色变、胶合等故障。 原因：油路堵塞、喷油孔堵塞外，润滑油中进水、 润滑油变质、油温过高等

超载
对于工作负荷不平稳的齿轮驱动装置（例如矿石破 碎机、采掘机等），经常会出现过载现象，容易造成轮 齿过载断裂，或者长期过载导致大量轮齿根部疲劳裂纹、 断裂。
单个齿轮的固有频率是指齿轮轴向振动的 固有频率。 单组齿啮合时齿轮的固有频率：齿轮啮合 时的固有频率实际是指齿轮轴系扭转振动的固 有频率。 振动系统由啮合齿轮和传动轴组成，齿轮 轴系的扭振包括轴的扭振和齿轮的弹性振动。
2. 齿轮振动频谱的特点
(1) 齿轮振动的边频带谱

齿轮处于正常或异常状态下，齿 的啮合对会发生冲击啮合振动 （两种状态下振动水平是有差异 的）其振动波形表现出振幅受到 调制的特点，既调幅又调频。 齿轮振动的频谱非常复杂，除了有明显啮合频率①和啮 合频率的高次谐波②、③、④外还有许多按一定规律分 布的小谱线，这就是齿轮振动中的边频带。 它是由几种动载同时作用产生几种振动叠加产生的调制。 通常，载频为啮合频率及高次谐波，而轴的转频为调制 频率。 齿轮振动的边频带体现出载频或调制信号的频率，对于 分析齿轮的故障将十分有用。

对于齿轮传动，任何导致产生幅值调制的因素也同时会导 致频率调制。两种调制总是同时存在的。对于质量较小的 齿轮副，频率调制现象尤为突出 。
齿轮振动信号调制特点
齿轮振动信号的频率调制和幅值调制的共同点在于：①载 波频率相等；②边带频率对应相等；③边带对称于载波频率。 实际齿轮系统中调幅和调频效应总是同时存在的，所以， 频谱上的边频成分为两种调制的叠加。 虽然这两种调制中的任何一种单独作用时所产生的边频都 是对称于载波频率的，但两者叠加时，由于边频成分具有不同 的相位，所以是向量相加。叠加后有的边频幅值增加了（相位 相同），有的反而下降了（相位相反），这就破坏了原有的对 称性。
(2) 齿轮各类振动频率的计算
以啮合频率进行振动的特点


振动频率随齿轮的转速变化； 由于非线性的影响，往往有啮合频率的高阶谐 频振动； 随着转速升高，振动能量增大，噪声增强； 当啮合频率接近或等于齿轮的固有频率时，齿 轮发生共振形成强烈振动。
(2) 齿轮各类振动频率的计算
齿轮的固有频率

操作失误
操作失误通常包括缺油、超载、长期超速等，都会 造成齿轮损伤、损坏。
齿轮振动频率及频谱特点
1. 齿轮的振动频率 (1) 齿轮的振动类型 齿轮在运行过程中产生的振动是比较复杂 的，由于齿轮所受的激励不同，从而使齿轮产 生的振动类型也不同。
(1) 齿轮的振动类型

第一，齿轮啮合过程中，由于周节误差、齿形误 差或者均匀磨损等都会使齿与齿之间发生撞击， 撞击的频率就是啮合频率。
(1) 齿轮的振动类型
图中不同状态的时域和频域均 有明显的区别。 振动曲线都是经过低通滤波后 得到的，它只显示出其中频率较 低的转动频率和啮合频率及谐频， 滤去了高频的自由衰减振动（固 有频率）。 实际上，齿轮的自由振动经由 轴、轴承传到齿轮箱体时，高频 冲击振动已衰减，犹如通过一个 机械低通滤波器，因此在轴承座 等处测的振动信号，一般只包含 转动频率与啮合频率及其谐频。
(1) 齿轮的振动类型

第三，齿与齿之间的摩擦在一定条件下会诱发 自激振动，主要与齿面加工质量及润滑条件有 关
自激振动的频率接近齿轮的固有频率。

第四，齿与齿之间撞击是一种瞬态激励，它使 齿轮产生衰减自由振动
振动频率就是齿轮的固有频率，通常固有频率 在1-10kHz内。
(1) 齿轮的振动类型

第五，齿轮、轴、轴承等元件由于不同心、不对 称、材料不均匀等均会产生偏心、不平衡，其离 心惯性力使齿轮轴系统产生强迫振动， 振动的频率等于轴的转动频率（一般在100Hz 以内）及其谐频；
齿轮故障的常见形式
2. 齿面胶合和擦伤
对于重载和高速齿轮的传动，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。
齿轮故障的常见形式
齿轮故障的 常见形式

齿面磨损 齿面胶合和擦伤 齿面接触疲劳点蚀 齿根弯曲疲劳断齿

齿轮的各种损伤发生概率：齿 的断裂41%，齿面疲劳31%， 齿面磨损10%，齿面划痕10%， 其他故障如塑性变形、化学腐 蚀、异物嵌入等8%。
齿轮故障的常见形式
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 30μm磨粒时，才会在运行中引起齿面磨粒磨 损。
齿轮故障的常见形式
4.齿根弯曲疲劳断齿
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。
齿轮制造误差主要有偏心、齿距偏差和齿形误差等。 偏心是指齿轮（一般为旋转体）的几何中心和旋转中心 不重合，齿距偏差是指齿轮的实际齿距与公称齿距有较 大误差，而齿形误差是指渐开线齿廓有误差。

装配不良
齿轮装配不当会造成工作状态劣化。当一对互相啮合 的齿轮轴不平行时，会在齿宽方向只有一端接触，或者出现 齿轮的直线性偏差等，使齿轮所承受的载荷在齿宽方向不均 匀，不能平稳地传递动扭矩，这种情况称为“一端接触”， 会使齿的局部承受过大的载荷，有可能造成断齿。
各种状态齿轮的振动（低频部分）
fr－转动频率 fm－啮合频率
(2) 齿轮各类振动频率的计算

齿轮及轴的转动频率 fr：
fr =N/60Hz，N为齿轮及轴的转速（r/min）


齿轮的啮合频率 fm：
对于定轴转动的齿轮有: fm＝Zi*N/60 式中Zi为第i个齿轮的齿数，N为第i个齿轮的转速 （r/min）。由此可知，一对啮合齿轮的啮合频率是相同