齿轮箱中齿轮故障的振动分析与诊断 张尊建

齿轮故障的振动诊断及案例分析齿轮故障的振动诊断及案例分析振动案例齿轮传动的常见故障有齿断裂，齿磨损，齿面疲劳，点蚀( 剥落) 和齿轮安装不当。

由结构和工作时受力条件决定，齿轮传动的振动信号较为复杂，故障诊断需同时进行时域与频域分析。

齿轮工作过程中的故障信号频率基本表现为两部分，一为啮合频率及其谐波（高频部分) 构成的载波信号；二为低频成分的幅值和相位变化所构成的调制信号。

1、啮合频率及其谐波当轮齿进入或脱离啮合时，载荷和刚度均突然增大或减小，形成啮合冲击。

齿轮啮合频率为F m=f1·z1=f2·z2当齿轮出现故障时，将引起啮合频率及其各次谐波幅值的变化。

2、幅值调制和频率调制所构成的边频带（1）幅值调制，幅值调制相当于两个信号在时域上相乘，假定载波信号为 g(t ) 调制信号为e(t) 则调制后的时域总信号为X(t)=g(t)·e(t)将上式转换到频域上, 则为X(f)=g(f)·e(f)通常幅度调制的调制频率为旋转频率。

（2）频率调制，齿轮的转速波动，若载波信号为Asin(2∏f m t+Φ0)，调制信号为βsin2∏f m t；频率调制可表示为X(t)=Asin[2∏f m t+βsin(2∏f r t)+ Φ0] 频率调制不仅产生围绕啮合频率f m的一族边频带，而且在相位信号中产生一个正弦波，通常频率调制的频率为分度不均匀齿轮的转频，实际上，齿轮故障中调幅与调频现象可能同时存在，因而在频谱上得到调幅与调频综合影响下形成的边频带。

3、由齿轮转频的低次谐波构成的附加脉冲齿轮的低频故障不平衡, 不对中等也会对齿轮振动时域波形产生影响，但不会在齿轮频率两侧产生边频带4、由齿轮加工误差形成的隐含成分该成分的振动通常由加工机床分度齿轮误差造成，它对齿轮的整体运行影响很小。

以下是一个齿轮故障的案例分析。

1、某采油平台原油外输泵 '螺杆泵) 传动齿轮局部断齿（1）设备形式及参数% 电机驱动直联双螺杆泵，螺杆之间以同步齿轮传动，齿轮齿数 Z=67，电机转速 ,n=995r/min（16.57HZ）（2）故障现象泵的非驱动端（同步齿轮安装在此侧) 振动速度值增加，图 1图2是时域波形及频谱图。

浅析齿轮故障振动诊断技术7-3 齿轮故障振动诊断技术7.3.1 概述齿轮传动在机械设备中应用很广，齿轮损伤是导致设备故障的重要原因，据统计在齿轮箱中齿轮损坏的百分比最大，约占60%。

同时齿轮损伤造成的后果也十分严重，因此开展齿轮状态监测与故障诊断具有重大的实际意义。

一、齿轮常见故障传动齿轮常见的故障按产生的原因划分有下列几种。

（1）齿面磨料磨损润滑油不清洁、磨损产物与外部的硬颗粒侵入接触齿面都会在齿面滑动方向产生彼此独立的划痕，使齿廓改变，侧隙增大，甚至使齿厚过度减薄，导致断齿。

（2）齿面粘着磨损重载、高速传动齿轮的齿面工作区温度很高，如润滑不好，齿面间油膜破坏，一个齿面上的金属会熔焊在另一个齿面上，在齿面滑动方向可看到高低不平的沟槽，使齿轮不能正常工作。

（3）齿面疲劳磨损疲劳磨损是由于材料疲劳引起，当齿面的接触应力超过材料同意的疲劳极限时，在表面层将产生疲劳裂纹，裂纹逐步扩展，就要使齿面金属小块断裂脱落，形成点蚀。

严重时点蚀扩大连成一片，形成整块金属剥落，使齿轮不能正常工作，甚至使轮齿折断。

（4）轮齿断裂轮齿如同悬臂梁，根部应力最大，且有应力集中，在变载荷作用下应力值超过疲劳极限时，根部要产生疲劳裂纹，裂纹逐步扩大就要产生疲劳断裂。

轮齿工作时由于严重过载或者速度急剧变化受到冲击载荷作用，齿根危险截面的应力值超过极限就要产生过载断裂。

传动齿轮的常见故障按分布特征划分有下列两种。

（1）分布故障齿轮损伤分布在所有轮齿的齿面上，如磨料磨损等。

（2）局部故障齿轮损伤只在一个或者几个轮齿上，如剥落、断齿等。

二、齿轮监测诊断方法监测诊断齿轮工作状态的方法大体分两大类：第一类是采集运行中的动态信息（通常是振动或者噪声）根据它们的变化进行诊断；第二类是对润滑油进行分析，根据油中磨损产物的状况进行诊断。

在这里只介绍根据振动信号监测诊断齿轮状态的方法。

齿轮振动监测时，由于实际上的种种困难，通常都把传感器布置在齿轮箱的轴承盖上或者轴承座邻近刚性好的部位，因此传感器的输出不仅有被监测齿轮特定周期的振动信息，还有许多其它齿轮等零件的周期振动信息与随机振动信息，而且被监测齿轮的振动信息由于传递环节多，缺失还很大（特别是高频成分）。

齿轮传动系统的故障诊断与分析张某某（某某大学机电工程学院，湖南长沙，410083）摘要：齿轮是机械设备中常用的部件,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。

本文简要介绍了齿轮故障的发展历史，齿轮故障诊断形式与方法，齿轮故障特征提取以及齿轮传动系统的分析模型和求解方法。

关键词：齿轮传动；故障诊断；分析Analysis and fault diagnosis of gear transmission systemZhangmoumou（College of mechanical engineering of moumou University；Changsha Hunan；410083）Abstract：Gear is the common parts of the mechanical equipment，one of the most common way of gear transmission is mechanical transmission. In many cases, the gear fault is the main cause of equipment failure. So it is very important to diagnose the faults of gear. This paper briefly introduces the development history of gear fault, fault diagnosis of gear form and method, analysis model and the solving method of gear fault feature extraction and the gear transmission system.Key words：gear transmission；fault diagnosis；analysis0引言对齿轮传动系统进行诊断是自故障诊断技术问世以来一直受到人们普遍重视的课题之一,在各类机械设备中,齿轮传动是最主要的传动方式,齿轮传动系统的运行状态往往直接影响到机械设备是否正常工作。

机械监测与诊断技术论文齿轮震动故障诊断与分析学院：机械与动力学院姓名：**学号：**********2015年11月4号齿轮振动故障诊断与分析一．齿轮典型故障介绍(1)磨损磨损包括磨粒磨损、腐蚀磨损和冲击磨损，磨粒磨损是常见的磨损形式，一般是由于齿的工作表面进入了金属微粒、尘埃和沙粒等所引起的齿面擦伤或者齿面材料脱落，是润滑不好的开式传动齿轮的主要故障类型。

齿轮磨损后，齿的厚度变薄，齿廓变形，侧隙变大，会造成齿轮动载荷增大，不仅会使振动和噪音加大，而且很可能导致断齿。

磨损故障大概占齿轮常见故障比例的10%。

(2)点蚀点蚀是减速箱等闭式齿轮传动系统中极其普遍的故障类型，约占齿轮常见故障比例的31%。

齿轮受啮合过程产生的循环交变应力会在表面产生微小疲劳裂纹，啮合时润滑油进入该裂纹中后被封口并受挤压产生高压，从而扩大了裂纹，最终导致齿轮表面金属的脱落形成麻点状小坑，这就是点蚀。

在齿轮表面硬度低于350HBS的闭式齿轮上，点蚀现象尤为常见。

点蚀的出现会加大齿轮表面的局部接触应力，导致点蚀现象的恶化，进而加剧齿轮啮合时的噪声、降低齿轮传动的精度。

(3)断齿断齿在齿轮故障类型中是最容易发生的，占齿轮常见故障比例的41%。

断齿故障有过载断齿、疲劳断齿和缺陷断齿三种，这里面又以疲劳断齿最为常见，它是由于齿轮工作受到周期性载荷，弯曲应力超过弯曲疲劳极限而在齿根处产生疲劳裂纹，裂纹渐渐扩大，当载荷的循环次数达到一定值时，就会致使轮齿折断。

断齿是所有齿轮故障中最严重的类型，经常会导致停工停产。

(4)胶合齿轮润滑良好时齿面间会保持一层润滑油膜作用，但是当载荷较大、齿面间压力大、工作转速高、工作表面温度较高时，润滑油膜被破坏，使金属齿面直接接触，相接触的金属材料在高温高压作用下发生粘着，相粘连的齿面由于相对滑动而被撕裂，在相对滑动方向形成划痕。

齿面的胶合故障，会加剧齿面的磨损程度和速度，从而使齿轮更加快速地失效。

这种故障类型占齿轮常见故障比例的10%。

风电齿轮箱中齿轮的故障诊断风电齿轮箱的故障中有很大一部分故障来自于齿轮，齿轮运行环境较为简单，长时间超载，润滑不良，轴承或齿轮的错误安装，以及齿轮本身啮合不良等缘由都会导致齿轮故障，寿命减短。

振动检测是目前检测风电齿轮箱故障最全面最有效的检测方式，只要运用合适的振动检测仪器采集数据加以分析就能推断出齿轮的运行状况，对故障部件准时进行修理更换以确保设备的正常运行，甚至在故障早期就加以预防，延长部件寿命。

下面介绍一下齿轮的主要故障形式及振动表现：齿轮磨损：齿轮磨损时其啮合频率的边频带幅值会明显增大，严峻时会消失齿轮的固有频率，并有转频调制。

齿轮负荷大：一般状况下负载高时，会消失很高的啮合频率及其谐频。

齿轮游隙或偏心：齿轮啮合频率及其谐波被转频调制，消失固有频率振动。

齿轮不对中：齿轮不对中时一般会产生齿轮啮频率的高次谐波，且一倍频幅值较低而二倍三倍较高。

齿轮断齿或裂纹：齿轮消失断齿等严峻损坏时会在该齿轮转速频率和固有频率处产生较高振动，且时域上会有明显的冲击。

图为齿轮不平衡或游隙典型频谱振动数据采集之后，依据齿轮齿数和转速等数据可以计算出齿轮的啮合频率，加上时域或频谱中的特征可以对齿轮箱的故障进行诊断。

然而，实际应用中，由于齿轮箱中有多组齿轮和轴承，转速也并非一成不变，频谱分析往往有各种频率消失，有些频率非常接近，辨认比较困难。

这时我们需要依据测点位置结合振幅大小分析，针对每个齿轮箱，在其工作状态良好的状况下，采集得到基准的频谱，在状态监测和故障诊断中通过与基准频谱进行对比，来发觉问题。

对于轴承部位测量,假如各部位振动都很大,一般可能是齿轮问题,假如个别轴承部位振动大可能是轴承问题。

图为该齿轮拆开之后的照片，多个断齿，与诊断结果全都。

齿轮振动故障症状特征分析与解决处理方法
（图文并茂详解）
一、正常状态频谱：
1、正常状态频谱显示1X和2X转速频率和齿轮啮合频率GMF。

2、齿轮啮合频率GMF通常伴有旋转转速频率边带。

3、所有的振动尖峰的幅值都较低，没有自振频率。

二、齿载荷的影响症状特征：
1、齿轮啮合频率往往对载荷很敏感。

2、高幅值的齿轮啮合频率GMF未必说明齿轮有故障。

3、每次分析都应该在最大载荷下进行。

三、齿磨损症状特征：
1、激起自振频率同时伴有磨损齿轮的1X转速频率的边带说明齿磨损。

2、边带是比齿轮啮合频率GMF更好的磨损指示。

3、当齿轮的齿磨损时齿轮啮合频率的幅值可能不变。

四、齿轮偏心和侧隙游移症状特征：
1、齿轮啮合频率GMF两侧较高幅值的边带说明，齿轮偏心侧隙游移和齿轮轴不平行。

2、有故障的齿轮将调制边带。

3、不正常的侧隙游移通常将激起齿轮自振频率振动。

五、齿轮不对中症状特征：
1、齿轮不对中总是激起二阶或更高阶的齿轮啮合频率的谐波频率，并伴有旋转转速频率边带。

2、齿轮啮合频率基频(1XGMF)的幅值较小，而2X和3X齿轮啮合频率的幅值较高。

3、为了捕捉至少2XGMF频率，设置足够高的最高分析频率很重要。

六、断齿或裂齿症状特征：
1、断齿或裂齿将产生该齿轮的1X转速频率的高幅值的振动。

2、它将激起自振频率振动，并且在其两侧伴有旋转转速基频边带。

3、利用时域波形最佳指示断齿或裂齿故障。

4、两个脉冲之间的时间间隔就是1X转速的倒数。

七、齿磨损症状特征：摆动的齿轮的振动是低频振动，经常忽略它。

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。