齿轮箱故障振动诊断(演示)

振动与冲击第!"卷第#期$%&’()*%+,-.’)/-%()(012%34,567!"(57#!""! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!8齿轮箱典型故障振动特征与诊断策略"丁康朱小勇陈亚华（汕头大学机械电子工程系，汕头989":#）（重庆大学机械工程学院，重庆;""";;）摘要准确地提取各种典型故障的特征是进行齿轮箱故障诊断的关键。

通过大量的实验，对齿轮箱中的齿形误差、齿轮均匀磨损、箱体共振、轴轻度弯曲、断齿、轴不平衡、轴严重弯曲、轴向窜动、轴承疲劳剥落和点蚀等九种典型故障进行分析，总结其振动信号的时频域特征，并在此基础上提出采用基于建档案的两时域（原始时域和包络时域）三频域（频谱、细化谱、解调谱）的诊断方法，为齿轮箱智能诊断系统的研制打下良好的基础。

关键词：齿轮箱，故障诊断，特征提取，信号分析中图分类号：/<!":"引言随着现代工业的发展，齿轮已成为现代工业中最关键的零件之一，齿轮箱由于传动比固定，传动力矩大，结构紧凑，因此在各种机器中得到了广泛的应用，成为各类机器的变速传动部件。

据日本新日铁会社的统计［8］，齿轮故障约占机器总故障次数的8"7#=左右。

据统计，在齿轮箱失效零件中，齿轮本身的失效比重最大约占:"=，可见齿轮传动是诱发机器故障的重要部位。

因此，进行齿轮箱故障诊断研究有着重要的意义。

齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时会产生振动，若发生故障，其振动信号的能量分布就会发生变化，振动信号是齿轮箱故障特征的载体。

在齿轮箱典型故障机理研究和特征提取方面，由于齿轮箱的结构复杂，工作环境一般比较恶劣，各种干扰较大，涉及问题较多，国内外学者虽然取得了一定的成绩［9］，但对于齿轮和轴的故障机理研究仍然不够深入，需要进一步的完善和研究。

齿轮箱装置是柴油机将动力传递至螺旋桨的重要纽带。

振动是评定齿轮箱装置运转质量的主要指标，也决定了齿轮箱装置的质量。

本文针对某船用齿轮箱装置在实际试验时出现振动超标的情况，通过理论分析和试验验证定位引起振动超标的原因，并在此基础上探索预防和减小振动的措施。

一、齿轮箱装置试验方案被试齿轮箱形式为双输入、单输出。

通过该齿轮箱装置将两台柴油机动力传递到桨轴上。

按设计工况布置试验方案，如图1所示。

图1 试验布置采用两台拖动电机，通过扭矩仪后联接齿轮箱输入部分; 齿轮箱输出部分则通过一台陪试箱将转速转换至输入转速值后，通过扭矩仪联接后端加载电机，实现对齿轮箱装置的加载功能。

按设计要求，在齿轮箱装置的安装面上布置测点并安装振动传感器，以测量加载过程中各点的振动情况。

测点分布如图2所示。

图2 测点布置二、试验结果及分析齿轮箱装置在功率为2 ×1000kW、输入转速分别为480r/min和600r/min的工况下，机脚处测点平均加速度的总振级值分别为114.86 dB( 要求值为≤115dB) 和122.66 dB( 要求值为≤120dB) 。

可见该齿轮箱装置振动性能未达标。

分析振动数值并结合以往经验，列出导致振动超标的潜在因素如下:(1) 输入轴系线速度较高，达到28m/s，轴系动平衡精度等级设计不合理;(2) 齿轮箱装置与安装基座、安装基座与槽铁之间联接扭力不达标，或联接螺母有松动情况;(3) 齿轮箱装置冷、热态间温差与预计不一致，导致台架对中数据计算有偏差;(4) 箱体外部管路附件支撑不牢固，运转时发生抖动，导致齿轮箱装置整体振动增大。

三、解决措施根据原因分析，拟定以下解决方案:(1) 对输入轴轴系重新做动平衡试验，将动平衡精度等级从原先的G6.3 提升至G2.5;(2) 复查联接处紧固件扭力值;(3) 重新计算齿轮箱装置温升后的轴线偏移量，并在冷态对中时进行相应补偿;(4) 对外部油管及泵阀等油路部件支撑做加固。

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。

齿轮箱中齿轮故障的振动分析与诊断摘要：齿轮箱常见的失效类型为齿轮箱，所以定期监控其工作状况，以减少故障率，提供预测型的检修计划。

应用结果显示，该技术能够对变速箱进行有效的判断，并能正确地判断出变速箱的故障部位和严重性，从而为船员制定相应的检修计划，降低无用维护费用，防止机械和机械的非计划停运。

关键词：风力发电机组；齿轮箱；故障诊断引言：在回转机构中，最常见的是齿轮，它的工作状态对整个机器的工作情况有很大的影响。

齿面磨损、表面接触疲劳、齿面塑性、齿面弯曲和齿面折断等是常见的失效类型。

一、齿轮箱故障诊断的意义在风力发电机组中，齿轮箱作为重要传动设备，为风能转化为电能提供源源不断的动力，发挥着十分重要的功能。

风力发电机组中的齿轮箱，不仅体积、质量较大，而且结构十分复杂，这也导致在发电机组运转过程中，齿轮箱容易发生各种故障，进而使发电机组的运行受到较大影响，甚至蒙受重大损失。

近年来，陆续爆发出多起因为齿轮箱故障而导致风力发电机组停运的实践，不仅让发电机组受到极大影响，而且带来重大经济损失。

所以说，对风力发电机组齿轮箱实施有效的故障诊断措施，从而尽发现问题，解决问题，保证其稳定性，不仅具有极大的经济意义，而且有很强的社会意义[1]。

传统的齿轮箱故障诊断主要是通过人工方式实现的，通过人工巡检加定期维护的方式，排除齿轮箱故障。

然而，这种模式，一方面带有很强的滞后性，通常都是齿轮箱发生故障以后，并且对发电机组造成影响之后，才能够去被动的应对，依然无法完全避免损失；另一方面，齿轮箱结构复杂，人工方式诊断故障，不仅准确率不高，而且耗费大量的时间和人力。

因此，通过对齿轮箱实施在线监控，并通过监控数据对齿轮箱实施故障诊断，一旦发现异常立刻予以维护、维修，只有这样，才能够真正有效的预防齿轮箱故障，将隐患消除，从而最大程度降低对风力发电机组的影响。

二、齿轮箱故障诊断机理实现齿轮箱的故障诊断，首先必须了解齿轮箱的故障机理，以此为基础选择合适的诊断技术，才能有有效保障故障诊断的及时性与准确性。

齿轮箱专用振动信号分析方法齿轮箱振动信号的特点是频率成分复杂，存在大量的调制现象，并且齿轮箱（特别是行星齿轮箱）内部的故障信号传递路径长，冲击脉冲比较弱，易受其他信号干扰，被幅值大的转动轴振动信号掩盖，基本的频谱分析有时效果不理想，需要根据结构特点，采用一些专用的分析方法一、多轴系阶比跟踪技术计算阶比跟踪技术（Computed Order Tracking）对齿轮箱分析非常适用，特别是变速齿轮箱的低速轴分析，由于转速低，测量5-10个转动周期需要耗时很长，加上转速变动，如果不做阶比跟踪采集，得到的振动信号直接做FFT，频谱存在非常严重的“模糊”现象（谱线相互重叠，不清晰，不便于故障识别和分析）。

图1：阶比跟踪采样图2：普通频谱分析图3：计算阶比跟踪分析图4：计算阶比跟踪分析局部放大（啮合频率和边带明显）齿轮箱类设备因为有多个齿轮轴，采用多轴系阶比跟踪分析，很多时候分析结果非常直观，直接从不同转轴的阶比跟踪采样波形就能得到故障信息。

图5：中间轴故障图6：输出轴故障二、齿轮箱振动分析Circular图技术下面三张图分别是一个齿轮箱输入轴（高速）、中间轴、输出轴（低速）的Circular图，三个轴的转速比是1:3:5。

可以直观的看到输出轴存在故障。

图7：输入轴振动Circular图图8：中间轴振动Circular图图9：输出轴振动Circular图下图是一个行星齿轮箱的齿圈故障时的振动Circular图。

该行星齿轮箱有三个行星轮。

图10：齿圈有1个断齿时的Circular图三、阶比包络谱技术包络分析对于齿轮箱及其内部的滚动轴承故障分析和故障定位非常有效，包络分析可以有效提取齿轮箱、轴承部件存在缺陷时的高频冲击脉冲信号，但是如果齿轮箱转速不稳定，存在转速变动，这种冲击信号的周期也是随转速变动的，直接进行包络分析效果不好。

采用阶比包络分析技术可以消除转速波动的影响，得到非常清晰的诊断图谱。

图11：频谱分析图12：普通包络分析图13：阶比包络分析四、阶比边带能量比技术齿轮箱振动信号频谱最基本的特征是啮合频率和转轴边带信号。

第 44 卷第 2 期2024 年 4 月振动、测试与诊断Vol. 44 No. 2Apr.2024 Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis多工况直升机附件齿轮箱振动故障诊断∗万安平1，龚志鹏1，王景霖2，单添敏2，何家波1（1.浙大城市学院机械系杭州，310015）（2.故障诊断与健康管理技术航空科技重点实验室上海，201601）摘要针对直升机附件齿轮箱在有限多工况条件下故障特征提取难度大、识别准确率低等问题，提出一种结合变分模态分解（variational mode decomposition，简称VMD）与多尺度卷积神经网络（multi⁃scale convolutional neural netwo，简称MCNN）的故障诊断方法。

首先，对直升机附件齿轮箱进行地面实验和信号采集，对原始信号进行滤波、降噪等预处理；其次，利用VMD将信号分解为若干个固有模态（intrinsic mode functions，简称IMF），依据齿轮副频率特性对分解模态进行重构与归一化，增强微弱的高频故障特征；最后，将重构信号的每个分量视作不同尺度，经多尺度卷积神经网络进行多尺度特征提取并融合，由指数归一化分类器给出识别的故障类别。

实验结果表明，所提方法能够有效增强信号故障特征，挖掘多工况条件下信号的差异性与同一性，在直升机附件齿轮箱振动故障诊断中平均准确率为97.25%。

关键词变分模态分解；多尺度卷积网络；振动故障诊断；附件齿轮箱中图分类号V240.2；V232引言附件齿轮箱（accessary gear box，简称AGB）是直升机起动系统、润滑系统、燃料系统和液压系统等附属系统的动力传输装置，其经过一对与径向传动轴连接的锥齿轮从航空发动机的主轴转子获取动力［1⁃2］。

由于轻量化要求，齿轮箱齿轮腹板厚度变薄，重量减轻，在复杂的内外激励下容易产生机械振动，这不仅会产生系统噪声、降低齿轮副的啮合精度与可靠性，而且会使整个传动系统失效，导致严重的系统破坏［3］。

齿轮箱振动简易诊断的方法由于齿轮箱结构复杂，频率成分多，齿轮箱简易振动诊断方法一般应具备时域分析和频谱分析两种测试处理和分析手段，并在长期定时定点检测的基础上进行。

齿轮箱简易诊断方法一般由振动测试参数和简易诊断仪器选择、结构分析、测点选择、测试时间间隔选择、建立特征参数档案、判断标准选择和制定、定时或调整时间间隔进行振动测试、趋势分析、仪器定期标定九个部分组成。

齿轮箱简易诊断一般以箱体振动速度的测量作为首要选择的参数，振动速度的均方根值就是振动烈度，是检测中的重要指标，可配置手持式振动仪进行测试，也可以配置传感器为振动加速度的手持式振动仪进行测试，但测试效果不如采用振动速度传感器好。

因齿轮箱结构复杂，传递途径多，所以有条件的情况下可以采用对振动速度或加速度进行频谱分析作为检测参数，配置带简易频谱分析的数据采集器和相应的离线振动分析软件系统进行分析。

数据采集器可以代替便携式测振仪进行定期巡检，又具有简易频谱分析的功能，是齿轮箱故障诊断较好的简易诊断仪器。

振动烈度：必备，测量振动速度的均方根值，配置手持式振动仪进行测试。

根据相应的判别标准制定相应的警告界限值和故障界限值。

振动速度或加速度的频谱分析：有条件的情况下选配，测量振动速度或加速度的幅值谱，配置带简易频谱分析和检测的数据采集器和相应的离线振动分析软件系统进行测试分析。

根据相应的判别标准和特征频率等制定相应的频谱窄带警告界限值和故障界限值。

首先要对齿轮箱的结构进行认真细致的分析，重点是分析轴承座的部位，并分析哪些轴和齿轮是高速重载，以帮助确定测点的布置；分析电动机的转速和各传动链齿轮的齿数、传动比，以帮助确定各轴的转频、啮合频率；分析各轴承座等滚动轴承的型号，以帮助确定各滚动轴承的通过频率。

轴承座附近是天然的最佳测点。

齿轮箱中轴或轴承发生故障，其振动信号经过齿轮、轴和轴承传递到轴承座，再通过箱体传递到测点位置，振动信号在传递过程中幅值要衰减，高频成分幅值衰减比低频成分快得多。