★第8章 齿轮箱状态监测与故障诊断技术
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齿轮箱
状态监测与故障诊断技术
￭ 齿轮箱常见故障
￭ 齿轮箱故障的特征频率与边频带
￭ 齿轮箱振动信号分析诊断方法
￭ 齿轮箱故障的噪声诊断
齿轮箱状态监测与故障诊断技术
￭ 齿轮箱常见故障
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，常会发生损伤等故障，常见有四类：
（1）齿的断裂 有疲劳断裂和过负荷断裂两种
疲劳断裂：通常先从受力侧齿根产生龟裂、逐渐向
齿端发展而致折断;
过负荷断裂：由于转速急剧变化、轴系共振、轴承破
损、轴弯曲等原因，使齿轮产生不正常的一端接触，
载荷集中到齿面一端引起.
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（2）齿的磨损 由于金属微粒、污物、尘埃和沙粒等进入
齿轮而导致材料磨损、齿面局部熔焊随之又撕裂的现象
（3）齿面疲劳 由于齿面接触应力超过材料允许的疲劳极
限。表面层先产生细微裂纹，然后小块剥落，直至整个
齿断裂
（4）齿面塑性变形 如压碎、趋皱
齿轮箱状态监测与故障诊断技术
齿轮箱失效原因及失效比重
失效原因 失效比重(%)
齿轮箱缺陷 设计 12
40 装配 9
制造 8
材料 7
修理 4
运行缺陷 维护 24 43 操作 19
相邻部件(电动机、联轴器等)缺陷 17
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齿轮箱的失效零件及失效比重
失 效 零 件 失 效 比 重（%）
齿 轮 60
轴 承 19
轴 10
箱 体 7
紧 固 件 3
油 封 1
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轮齿损伤形式
类别 项目 形式 原因
齿面损伤 齿面磨损 正常磨损、磨粒磨损、干 涉磨损、刮伤、槽痕 啮合初期、异物侵入、参 数设计不合理、安装误差 润滑不良等
粘着撕伤 局部压力过高、法向压力 较大、滑动速度过高等
齿面疲劳 早期点蚀、扩展性点蚀、剥落 齿面局部凸起、接触应力过高、内应力过大等
齿面塑性变形 压痕、碾击塑变、波纹、隆起 异物混入、过载、啮合不良、润滑不充分等
烧 伤 局部温度过高
轮齿折断 轮齿裂纹 屑料毛坯裂纹、硬化处理 裂纹、磨削型裂纹疲劳裂 纹 材料、毛坯和热处理缺陷 交变应力的作用等
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类别 项目 形式 原因
轮齿折断 过载折断 严重超载
疲劳折断 各种因素产生的疲劳裂纹、变应力作用等
组合损伤 腐蚀磨损 化学腐蚀磨损、激振腐蚀磨损 润滑油中含杂质、齿面间压力过高、存在微振等
轮齿塑性变形 润滑失常
严重磨损断齿 存在磨损、点蚀、剥落等各种损伤
气 蚀 瞬时冲击力、局部高温
电 蚀 存在漏电流 轮齿损伤形式 齿轮箱状态监测与故障诊断技术
齿轮装置故障检测参数的有效性
部位 故障大类 损伤名称 振动 噪声 扭矩 油液 温度 光学
齿 轮 轮 齿 断裂 超载断裂 疲劳断裂 冲击断裂 √ √ √ ○ ○ ○ √ √ √ × × × △ △ △ △ △ △
磨损 磨料磨损 刮痕 腐蚀磨损 侵蚀 剥落 √ √ √ √ √ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ △ △ △ △ △ × × × × ×
塑性
变形 波痕 碾击变形 锤击变形 √ √ √ ○ ○ ○ √ √ √ ○ ○ ○ × × × × × ×
齿面
疲劳 凹痕 凹孔 压伤 √ √ √ ○ ○ ○ ○ ○ ○ √ √ √ △ △ △ × × × 齿轮箱状态监测与故障诊断技术
部位 故障大类 损伤名称 振动 噪声 扭矩 油液 温度 光学
齿轮 轮齿 烧伤 烧伤 √ ○ ○ ○ ○ ○
组合
损伤 咬人异物
气蚀
电蚀 √ √ √ △ △ △ ○ ○ ○ ○ ○ ○ △ △ △ × × ×
旋转 机构 不平衡 不对中 松动 √ √ √ ○ ○ ○ △ △ △ × × × × × × × × ×
润滑 系统 温度升高 严重漏油 油质劣化 × × × × × × × × × × × √ √ △ ○ × × ×
注：√——最有效 ○——尚有效 △——有可能 ×——不适用 齿轮装置故障检测参数的有效性
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2、齿轮箱故障的特征频率与边频带
在生产条件下很难直接检测某一个齿轮的故障信
号，一般是在轴承箱体有关部位测量。当齿轮旋转时，
无论齿轮发生了异常与否，齿的啮合都会发生冲击啮
合振动，其振动波形表现出振幅受到调制的特点,
甚至既调幅又调频。
各类故障在频域中的表现如下：
1）当齿轮均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量保持不
变，但幅值大小改变，高次谐波幅值增大较多；
2）调幅现象。它是由于齿面载荷波动对幅值的影响造
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成的，调幅的一个原因是齿轮偏心，此时的调制频率为
齿轮的回转频率。当在齿轮上有一个齿存在局部缺陷时，
相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲的长度
等于齿的啮合周期
3）调频现象。在实际情况中，同样的齿面压力的波动，
在产生调幅现象的同时，也会引起频率调制现象，其结
果是在谱上得到一个调幅与调频综合形成的边频带。齿
轮存在偏心时，由于齿面载荷变化引起调幅现象的同时，
又由于齿轮转速的不均匀而引起调频现象。
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4）附加脉冲。实际测得的信号不一定对称于零线，可
将信号分解为两部分：即调幅部分和附加脉冲部分。附
加脉冲是回转频率的低次谐波。平衡不良、对中不良和
机械松动等，均是回转频率的低次谐波振源，但不一定
与齿轮缺陷直接有关。附加脉冲的影响一般不会超出低
频段，即在啮合频率以下；
5）隐含谱线。是功率谱上的一个频率分量，产生的原
因为加工过程给一个齿轮所带来的周期性缺陷。
随机振动时历曲线
齿轮箱状态监测与故障诊断技术
齿轮频谱上边频带的形成
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0()(1cos)sin()mxtAmtt
000()sin()sin[()]sin[()]22mmmAmAxtAttt
齿轮箱状态监测与故障诊断技术
局部缺陷：相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的
调制，脉冲长度等于齿轮的旋转周期。由此形成的
边频带数量多且均匀。
分布缺陷：由于分布缺陷所产生的幅值调制较为
平缓，由此形成的边频带比较高而且窄。并且，齿
轮上的缺陷分布越均匀，频谱上的边频带就越高、
越集中。
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齿轮振动特征频率的计算
齿轮及轴的转动频率
齿轮的啮合频率
有固定齿圈的行星轮系，啮合频率为
-任一参考齿轮的齿数;
- 参考齿轮的转数；
- 转臂的回转速度，当与参考齿轮转向相反
时取正号，否则就取负号。 ()60rnfHz
()60mnfzHz
()()60rrcmznnfHz
rz
rn
cn
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3、齿轮箱振动信号分析诊断方法
齿轮箱传动系统振动的频谱分析法和转子、滚动轴承
的频谱分析在原理上是一致的。
齿轮的制造与安装误差、剥落、裂纹等故障会直接成
为振动的激励源－－齿轮轴的回转为周期表现为回转
频率对啮合频率及其倍频的调制，在谱图上形成以啮合频率为中心、两个等间隔分布的边频带。
由于调频和调幅的共同作用，最后形成的频谱表现为以啮合频率及其各次谐波为中心的一系列边频带群。
边频带反映了故障源信息，边频带的间隔反映了故障源的频率，幅值的变化表示故障程度。
￭ 齿轮故障诊断实质上是对边频带的识别
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用于齿轮箱振动信号的分析方法有：
￭ 倒谱分析法
￭ 希尔伯特包络分析法
￭ 时频分析法
￭ 时域模型法
￭ 时域平均法
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齿轮箱不同部件故障的振动特征
部
件 失效类型 振 动 频 率 振幅特征 振动方向 其它
转
子 失 衡 随 增大,
有峰值 径 向 受悬臂式载荷时有轴向振动
轴 弯 曲 随 增大 径向最大
截面扁平 同上 径向
联
轴
器 对中不良 变化不定 轴向较大 齿 轮 联 轴 节振 动 特 征 与齿轮相同,但
时有峰值 配合松 同 上 径 向
不 良 同 上 径 向 rf
rfrnff
rf2rrrfff，及n
2rf
2rrrfff，及n
2rrrfff/n，及n
rfrnff
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部
件 失效类型 振 动 频 率 振幅特征 振动方向 其它
齿
轮 齿面损伤 损伤齿数 随 增大 径 向 磨 损 严 重 时出 现 高 阶 振动 ,
的振动 能 量 明 显增
大 断 齿 断齿数 同 上 径 向
滚
动
轴
承
内圈剥落 变化不定 径向 轴承的高频
振动(10-60）KHz不易传给其它部位 外圈剥落 同上 径向
钢球剥落 同上 径向 齿轮箱不同部件故障的振动特征
rfrf
,rsffrf
0.5(1cos)rdnZfD
0.5(1cos)rdnZfD
22[1()cos]rddnfDD
