齿轮故障分析
一、齿轮失效机理：
1.制造和装配不善造成的，如齿形误差、轮齿与内孔不同心，各部分的轴线不对中，大型齿轮的不平衡等；
2.齿轮在长期运行中形成的，由于轮齿表面承受的载荷很大，两啮合齿轮之间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，从而产生了力的脉动，在长期运行中导致齿面发生点蚀、胶合、磨损、疲劳、剥落、塑性流动及齿根裂纹，甚至断齿等失效现象。
齿轮的第一类失效主要引起不平衡和啮合不良，前者使振动加剧，后者将诱发齿轮的第二类失效。第二类失效主要是指啮合齿面上的损伤，这些损伤会造成运转时齿面间的撞击，从而产生具有一定频率特征的振动的声音；齿面产生这些损伤时，剥离的金属微粒必然进入齿轮箱的润滑油内，不同类型的损伤其微粒的形貌特征、化学成分、数量多少等方面都有所区别。
二、齿轮脱啮振动机理
脱啮振动产生的基本原因是惯性作用。惯性作用仅反映了脱啮现象产生动因，但不能说明产生脱啮振动齿轮副的内在因素。侧隙是产生脱啮的基本条件（内因），如果没有侧隙也就不可能产生脱啮。由于惯性力和脱啮位移效应产生静态脱啮，然后撞击、振动和共振等。产生动态脱啮影响静态脱啮的因素有：啮合刚度、有效齿形误差、额定载荷、等效从动轮系质量、脱啮时间以及转速n 。
齿轮在传动过程中存在着撞击、振动、共振及耦合共振等，由于上述原因产生动态脱啮。脱啮振动越严重，齿轮噪声越大。
啮合冲击：齿轮啮合存在间隙与误差，存在啮合刚度变化，在传动过程中不可避免的存在脱啮，即“脱啮—接触—分离—接触”的过程，从而产生了“撞击”称之为啮合撞击。冲击力F大小取决于脱啮位移量h 。
导致齿轮剧烈振动的内在因素是齿轮啮合刚度，支承扭转刚度和等效转动惯量。反映了动态耦合特性，属参数激励；啮合刚度变化和相对运动误差变化是产生调制的根源，为传动误差效应。根据动力学特性分析，说明动态脱啮特征首先是导致共振，其次是产生调制波，随着刚度变化及运动误差变化加剧其基本频率边频增加。
当齿轮副中有一个齿轮轴线与轴不重合时，往往会产生以啮合频率fm为载波频率，以故障齿轮转频fc为调制频率的调幅现象。调幅作用使信号总能量增加，这部分能量的大小恰恰反映了齿轮故障的程度，而调制边带的距离fc则表明了故障产生的部位。
三、常用齿轮故障分析方法
1.幅值调制分析：
调制在数学上可分为幅值调制、频率调制和相位调制。幅值调制是由于节线冲击，啮合冲击等忽大忽小而造成的。比较典型的例子是齿轮偏心。使两齿轮中心发生周期性的变化，因而节线冲击、啮合冲击随之产生周期变化。幅值调制从数学上看，在时域上相当于两个信号相乘，在频域上相当于两个信号相卷积，两个信号中，频率相对
较高的称为载波，相对较低的称为调制波。
2.利用包络技术进行诊断
通常齿轮的固有频率fe = 1∽10KHz,属于高频振动，而一般齿轮的啮合频率和转频都在低频段。故所设定的包络带域应不含fm、fr、仅含fe 。经过检波和共振解调可显示齿轮共振频率的激励频率，即故障频率。
3.振动频率分析
齿轮在运行过程产生的振动是比较复杂的，由于齿轮所受的激励不同，使齿轮产生不同类型的振动。因此、振动频率也有所差别，其主要有以下各种类型：
1)齿轮的啮合过程中由于周节误差、齿形误差或均匀磨损等都会使齿与齿轮之间发生撞击，撞击的频率就是它的啮合频率。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受迫振动，频率范围一般在几百到几千赫内。
2)由于齿轮啮合过程中齿轮发生弹性变形，使刚刚进入啮合频率齿轮发生撞击，因而产生沿着啮合线方向作用的脉动力，于是也会产生以啮合频率为频率的振动。对于齿廓为渐开线的齿轮，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，所以产生的强迫振动与上述第一种情况不同，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。
3)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。
4)齿与齿之间的撞击是一种瞬态激励，使齿轮产生衰减自由振动，振动频率就是齿轮的固有频率，固有频率通常在1－10千赫内。
5)因齿轮、轴、轴承等元件不同心、不对称、材料不均匀等原因产生的偏心、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100赫内）及其谐波。
6)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。
7)啮合频率及其各次谐波的分析：
齿轮运转时会产生齿轮的啮合振动，其啮合频率是齿轮振动中最为突出的成分，它是齿轮磨损的一个灵敏度标志。当齿轮均匀磨损后，在频谱图上啮合频率及其各次谐波的幅值都会上升，值得注意的是，啮合频率的各次谐波的幅值比基波的幅值上升得快。齿轮运转时，齿面上的点蚀、剥落等损伤也会在啮合频率及其各次谐波成分中表现出来。
齿轮的振动频率基本上可归纳为三类：轴的转动频率及其谐波、齿轮的啮合频率及其谐波、齿轮自身的各阶固有频率。齿轮实际的振动往往是上述各类振动的某种组合。不同状态下其时域和频域的图形均有明显的区别。不过这些振动曲线都是经过低通滤波后得到的，也就是说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，而滤去了高频的衰减自由振动。实际上，齿轮的自由振动经由轴、轴承传到齿轮箱体时，犹如通过一个机械低通滤波器，因此在轴承座等处测得的振动信号，一般只包含转动频率与啮合频率及其谐波。
4.相位调制分析
在齿轮传递系统中，齿轮根部裂纹，轴的裂纹和联轴节的松动将削弱轴系的抗扭刚度，并反映为相位调制量。
区别不同类的故障应分析不同类故障的特征。对于裂纹齿轮，它最突出的特点是相位调制的局部性；而扭振和刚度变化对相位的调制的影响则体现在旋转频率分量和高次谐波上。
由联轴器松动引起的轴系扭振变化反映在相位调制信息的旋转
频率分量上。
另外、有一些干扰对相位调制量有影响，如外界的冲击，润滑油的杂质，滚动轴承滚动体的旋转等等。这些因素常常带有随机性或与轴的旋转非完全同步，通过时域同步平均处理，一般可以排除这些干扰，提高可靠性。
在多级齿轮传动中，一旦形成齿根裂纹后，产生的相位调制信息会沿传动系统传递并扩散，因此在同一测点可获得多个故障源的信息，这给故障诊断带来了方便。如果被测轴上的齿轮是完好的，则上级或下级齿轮的裂纹故障信息可以在一根轴上测到。
根据裂纹故障的传递特性，测点对不同位置的传递特性，测点对不同位置的故障源的敏感程度不同。当故障发生在测点的上一级齿轮时，测点振动的相位调制先是滞后，然后再恢复。另一种情况是故障发生在测点的下一级齿轮，测点振动的相位调制是超前，然后再恢复。
在应用解析信号提取相位调制量时，可利用参考信号的间距确定中心频率f。；
