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---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------齿轮的故障诊断(推荐）齿轮的故障诊断齿轮的故障诊断齿轮的故障诊断一、齿轮的常见故障一、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。
1 / 18③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。
齿轮故障诊断知识专题总结
一、齿轮故障类型
注：统计资料表明，上述四类故障占齿轮故障的92%左右，为经典多发故障。
二、常用的齿轮故障分析方法
对齿轮故障进行分析的常用方法：
1、细化谱分析法：增加频谱中某些有限频段上的分辨能力；
2、倒频谱分析法：是功率谱对数的逆功率谱，是对频谱图上周期性频率结构成分的能量做了又一次集中，在功率的对数转化时给低幅值分量有较高的加权，而对高幅值分量以较低的加权，从而突出了小信号周期。
3、时域同步平均分析法：保留和齿轮故障有关的周期信号，去除其他非周期成分和噪声的干扰，提高信噪比。
这三种方法在诊断齿轮故障时非常有效，在我们设计在线状态监测系统时，要在齿轮箱故障分析模块中一定要加入这三个分析方法。
三、齿轮故障对照表
综上所示，对齿轮箱进行故障分析时，在时域和频域上要着重观察以下内容：
1、各齿轮副的啮合频率及其谐波；
2、各齿轮副的啮合频率及其谐波的边频带；
3、各齿轮副主动轮与从动轮之间的转频差；
4、周期为两齿轮齿数的最小公倍数除以其中任一齿轮每秒钟转过的齿数的脉
冲信号；
5、时域信号上幅值上下两端包络线的对称性。
齿轮常见故障及产生原因齿轮是一种常用的传动元件，广泛应用于机械设备中。
但是，在使用过程中，齿轮常常会出现各种故障。
以下是一些常见的齿轮故障及其产生原因：1. 齿面疲劳断裂：齿面疲劳断裂是齿轮最常见的故障之一。
它是由于齿轮长期受到循环加载引起的。
较高的载荷、较大的冲击载荷、不均匀的载荷和设计缺陷都可能导致齿面疲劳断裂。
2. 齿面磨损：齿面磨损是齿轮另一个常见故障。
它通常是由于齿轮表面间的相对滑动引起的。
摩擦、磨粒和润滑不良都可能导致齿面磨损。
3. 齿面点蚀：齿面点蚀是齿轮表面局部点状损伤的一种形式。
它通常是由于齿轮表面间的高压、低速滑动引起的。
缺乏润滑、振动和不均匀的载荷分布都可能导致齿面点蚀。
4. 齿面碎裂：齿面碎裂是齿轮表面局部断裂的一种形式。
它通常是由于齿轮受到突然冲击负荷引起的。
过载、异常载荷和设计缺陷都可能导致齿面碎裂。
5. 齿轮齿条指向不准确：齿轮齿条指向不准确会导致齿轮配合不良，进而引起噪音和故障。
这可能是由于加工误差、装配不当或磨损引起的。
6. 齿轮错位：齿轮错位指的是齿轮轴线偏离正常位置，导致齿轮啮合不良。
这通常是由于轴承松动、装配不当或齿轮轴向负荷不均匀引起的。
7. 齿轮轴瓦损坏：齿轮轴瓦损坏通常是由于齿轮轴向瓦表面不匹配、油膜破裂或载荷过大引起的。
瓦表面的磨损和磨损粒子的产生会进一步加剧齿轮轴瓦的损坏。
8. 齿轮变形：齿轮变形可能是由于材料强度不足、过载和高温引起的。
长时间的运行、过载和高温会导致齿轮变形，进而影响齿轮的啮合和传动性能。
总而言之，齿轮常见的故障包括齿面疲劳断裂、齿面磨损、齿面点蚀、齿面碎裂、齿轮齿条指向不准确、齿轮错位、齿轮轴瓦损坏和齿轮变形。
这些故障的产生原因是多种多样的，包括载荷过大、冲击负荷、设计缺陷、装配不当、润滑不良和材料强度不足等等。
因此，在设计、制造、装配和维护齿轮时，需要注意这些故障的产生原因，以保证齿轮的正常运行和使用寿命。
论述齿轮故障诊断常用的方法及其优缺点齿轮是一种常用的传动元件，广泛应用于机械设备中。
传动系统中齿轮的故障对设备的运行造成严重影响，因此及早发现并进行故障诊断十分重要。
目前常用的齿轮故障诊断方法包括声发射技术、振动分析技术、热像技术和油液分析技术等。
声发射技术是一种将振动信号转化为声音信号进行故障诊断的方法。
通过设备表面安装传感器，实时监测设备的声音信号，并通过分析频谱、振幅等参数判断齿轮的故障情况。
声发射技术具有实时性强、便于实施的优点，能够及时发现齿轮故障并进行修复。
然而，该方法需要设备运行时进行监测，容易受到环境噪声的干扰，准确度还受到传感器安装位置的影响。
振动分析技术是一种通过监测设备振动信号进行故障诊断的方法。
通过安装加速度传感器等设备来实时监测设备的振动情况，并通过分析振动信号的频谱、时间域参数等来判断齿轮的故障情况。
振动分析技术具有灵敏度高、准确度好的优点，可以有效诊断齿轮故障。
但是，该方法需要专业的设备和人员进行操作，成本较高并且需要较长的时间进行数据采集和分析。
热像技术是一种通过监测设备表面温度分布进行故障诊断的方法。
通过红外热像仪等设备进行拍摄和分析设备表面的热图，判断设备是否存在异常温度分布，从而判断齿轮的故障情况。
热像技术具有快速、直观的优点，可以实时监测设备的热情况，识别齿轮的故障。
然而，热像技术容易受到环境温度的干扰，而且只能发现故障的存在，无法提供具体故障原因。
油液分析技术是一种通过监测设备工作油液中的杂质、磨粒等物质进行故障诊断的方法。
通过采集设备工作油液样本，并通过分析油液中的化学成分、颗粒物大小等参数来判断齿轮的磨损情况。
油液分析技术具有精确度高、可以提前预警的优点，能够实时监测设备的磨损状态。
但是，该方法需要专业设备和人员进行操作，需要对样本进行准确采集和分析。
综上所述，齿轮故障诊断的常用方法包括声发射技术、振动分析技术、热像技术和油液分析技术等。
每种方法都有其独特的优点和局限性。
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：齿轮箱失效原因及比重表由此可见，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：齿轮箱失效零件及由此可见，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。
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。
二、 齿轮故障的原因产生上述齿轮故障的原因很多，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：包括偏心、齿距偏差和齿形误差等装配不良：会造成齿轮所承受的载荷在齿宽方向不均匀，使齿的局部承受过大载荷，有可能造成断齿。
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。
导致润滑不良的原因是多方面的，除了油路堵塞外，润滑油中进水、润滑油变质、油温过高等都会造成齿面润滑不良。
超载：对于工作负荷不平稳的齿轮驱动装置，经常会出现过载现象，如果没有适当的保护措施，就会造成轮齿过载断裂，或者长期过载导致大量轮齿根部疲劳裂纹、断裂。
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。
第二节 齿轮故障信号成分分析一、 齿轮的啮合频率从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的啮合刚度就变化一次，由此可以算出齿轮的啮合周期和啮合频率。
总的来说，齿轮的啮合刚度变化规律取决于齿轮的重合系数和齿轮的类型，直齿轮的刚度变化较为陡峭，而斜齿轮或人字齿轮刚度变化较为平缓。
若齿轮副主动轮转速为1n 、齿数为1z ；从动轮转速为2n 、齿数为2z ，则齿轮啮合刚度的变化频率（即啮合频率）为2211z f z f f c ==无论齿轮处于正常或异常状态下，这一振动成分总是存在的，但两种状态下振动水平是有差异的。
因此，根据齿轮振动信号啮合频率分量进行故障诊断是可行的，但由于齿轮信号比较复杂，故障对振动信号的影响也是多方面的，特别是由于幅值调制和频率调制的作用，齿轮振动频谱上通常总是存在众多的边频带结构，给利用振动信号进行故障诊断带来了一定的困难。
二、 幅值调制与频率调制齿轮振动信号的调制现象中包含有很多故障信息，所以研究信号调制对齿轮故障诊断是非常重要的。
从频域看，信号调制的1. 幅值调制幅值调制是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响而造成的。
比较典型的例子是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。
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，如图6.1所示。
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。
图6.1：单一频率的幅值调制若()()φπ+=t f A t x m m 2sin 为齿轮啮合振动信号，()t f B t a c π2cos 1+=为齿轮轴的转频振动信号，则调幅后的振动信号为()()()φππ++=t f t f B A t x m c 2sin 2cos 1式中A —为振幅；B —为幅值调频指数；m f —载波频率；c f —调制频率。
上述调制信号在频域可表示为()()()()c m c m m f f f AB f f f AB f f A f x +-+--+-=δδδ2121 由此可见，调制后的信号中，除原来的啮合频率分量外，增加了一对分量()c m f f +和()c m f f -。
它们是以m f 为中心，以c f 为间距对称分布两侧，所以称为边频带。
幅值调制典型的例子为齿轮缺陷，下图分别为齿轮集中缺陷和分布缺陷的频域谱图。
图6.2集中缺陷齿轮上的局部缺陷相当于齿轮每转一周产生一个脉冲激励，齿轮的啮合频率被一个短的周期脉冲所调制，在频谱中表现为在啮合频率两侧有大量的边频带，其幅值较低，且分布均匀而平坦。
图6.3分布缺陷均布缺陷是指比较均匀分布的缺陷，它相当于时域包络线较宽的脉冲。
因此，它在频域中表现为在啮合频率两边产生了一簇幅值较高、起伏较大、分布较窄的边频带。
2. 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。
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，两种调制总是存在的，对于质量较小的齿轮副，频率调制现象尤为突出。
频率调制即使在载波信号和调制信号均为单一频率成分的情况下，也会形成很多边频成分。
若载波信号为()ϕπ+t f A m 2sin ，调制信号为()t f c πβ2sin ，则频率调制后的信号为()()[]ϕπβπ++=t f t f A t f c m 2sin 2sin式中A —振幅；m f —载波频率；c f —调制频率；β—调制指数；ϕ—初相角。
上式可以用贝塞尔函数展开，得到调频信号的特性：调频的振动信号包含有无限多个频率分量，并以啮合频率m f 为中心，以调制频率c f 为间隔形成无限多对的调制边带。
图6.4：频率调制及边带对于齿轮振动信号而言，频率调制的原因是由于齿轮啮合刚度函数由于齿轮加工误差和故障的影响而产生了相位变化，这种相位变化会由于齿轮的旋转而具有周期性。
因此在齿轮信号频率调制中，载波函数和调制函数均为一般周期函数，均包含基频及其各阶倍频成分。
调制结果是在各阶啮合频率两侧形成一系列边频带。
边频的间隔为齿轮轴的旋转频率c f ，边频族的形状主要取决于调制指数 。
3. 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：载波频率相等；边带频率对应相等，边带对称于载波频率。
在实际的齿轮系统中，调幅效应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，有的反而下降了，这就破环了原有的对称性。
边频具有不稳定性，幅值调制和频率调制的相对相位关系会受随机因素影响而变化，所以在同样的调制指数下，变频带的形状会有所改变，但其总体水平不变。
4. 齿轮振动信号的共振调制在上面的介绍中，提到的载波频率为齿轮的啮合频率。
随着齿轮故障的恶化，振动会逐步加剧，齿轮甚至箱体的自身固有频率会被激发，成为调制过程中的载波频率，因此载波频率和激振能量相关，具体如下：1)故障较轻，激励能量不是很大时，载波频率为啮合频率。
2) 故障较严重，激励能量较大时，载波频率为齿轮的共振频率。
3)故障非常严重，激励能量非常大时，载波频率为箱体的共振频率。
三、齿轮振动的其它成分齿轮振动信号中除了存在啮合频率、边频成分外，还存在其它振动成分，为了有效地识别齿轮故障，需要对这些成分加以识别和区分。
1.附加脉冲齿轮信号的调制产生的信号大体上都是对称于零电平的，但是由于附加脉冲的影响，实际上测到的信号不一定对称于零线。
附加脉冲是直接叠加在齿轮的常规振动，而不是以调制的形式出现，在时域上比较容易区分，见图6.5。
图6.5 将齿轮箱振动信号分解出附加脉冲a—总信号；b—附加部分；c—调频部分在频域上，附加脉冲和调制效应也很容易区分。
调制在谱上产生一系列边频成分，这些边频以啮合频率及其谐频为中心，而附加脉冲是齿轮旋转频率的低次谐波。
2.隐含谱线隐含谱线是功率铺上的一种频率分量，产生的原因是由于加工过程中带来周期性缺陷，滚齿机工作台的分度涡轮蜗杆及齿轮的误差。
隐含谱线具有如下特点。
1)隐含谱线一般对应于某个分度涡轮的整齿数，因此，必然表现为一个特定回转频率的谐波。
2)隐含谱线是由几何误差产生的，齿轮工作在和对它影响很小，随着齿轮的跑合和磨损会逐渐降低。
第三节齿轮振动信号分析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，常用的信号处理方法有时域分析方法、频域分析、倒频谱分析等。
一、时域统计特征及无量纲参数1.时域统计指标时域统计指标根据量纲和无量纲分为两个部分，一部分是常用的有量纲特征值，包括最大值、最小值、峰峰值、均值、均方值和方差；另一部分称为无量纲的特征分析值，包括方根幅值、平均幅值、均方幅值、峭度、波形指标、峰值指标、脉冲指标和裕度指标。
在齿轮箱的状态检测和故障诊断中，要特别注意这两部分指标的综合运用，有量纲的特征值一般随着齿轮箱的不同而改变，不同种类和大小的齿轮箱测量得到的有量纲特征值是没有可比性的，甚至同种类和大小的齿轮箱在不同工况下测量得到的有量纲特征值也不能直接进行对比。
但是无量纲特征值则在上述情况下具有可比性。
有量纲的统计特征值进行振幅分析时，得到的结果不但与机电设备的状态有关，而且与机器的运行参数（如转速、载荷等）有关，所以在设备故障诊断进行比较时，必须保证运行参数基本一致和测点一致。
