齿轮故障诊断

一、概述• 齿轮传动是常用的一种传动方式• 在旋转机械中其故障约占 10%

• 有各种分析方法来诊断故障• 也有各种诊断仪器来帮助诊断故障• 新技术还在发展中

二、齿轮加工、装配及安装质量对齿轮传动的影响

•齿轮制造中的质量问题

•装配的质量问题

•安装中的质量问题

三、常见的齿轮失效型式

• 齿面磨损• 齿面点蚀与剥落• 齿根裂纹及断齿• 齿面胶合

四、齿轮传动中的振动信息• 啮合频率及其各次谐波• 隐含成分• 啮合频率及其它一些高频成分两侧的，由于故障调制效应产生的边频带

• 旋转轴工作频率及其低次谐频。这是由于某种附加冲击脉冲而引起的冲击振动

• 齿轮、轴等零件的谐振频率• 交叉调制成分

. 波谐次各其及率频合啮

1

两齿轮啮合时产生了振动，该振动频率称为啮合频率，以 fm表示

2. 隐含成分• 该频率成分有如下两个

特点：• （ 1 ） . 它不受载荷变化

的影响；• （ 2 ） . 当齿轮运转一段

时间后，由于齿轮均匀磨损，啮合频率及各次谐波的振动分量逐渐增加，而隐含成分及其各次谐波却逐渐下降，如图 6 ，表示了一个典型的齿轮箱的频谱。

3.由调制效应而产生的边频带

1 、局部缺陷：例如一个轮齿上的局部缺陷就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。如图 8 所示。

2 、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。如图 9 所示。

边带现象• 调频效应是由于齿距周期性变化、速度变化及不对中引

起的。事实上，一个齿轮上的载荷发生波动就会引起速度的波动，所以，常常在调幅的同时也必然会产生频率调制效应，调频的结果，同样引出一簇边频带，其间距的函义与调幅时相同。图 10 （ a ）为由于齿距周期性变化而产生的调频信号。图 10 （ a ）为其频谱图，可以看出：啮合频率 fm 两侧有一簇变频带，其谱线的间隔即故障 特征频率 fc ，它等于齿距一个变化周期的倒数，即 fc=1/tc

齿轮振动信号的齿轮共振调制• 有故障就有调制出现• 实例：某增速机实测• 啮合频率 fm=1200Hz

（齿轮固有频率同）• 故障为轴频 fo

• 拆检：齿轮普遍轮齿节线附近有严重剥落

• 附加注释： 1200Hz 之所以有这么高幅值是由于该频率与低速轴齿轮固有频率相同，是啮合频率激发了该齿轮共振

附加注释 :

• 1200Hz 之所以幅值高是因为该频率与低速轴齿轮固有频率相同 .

• 是固有频率激发了该齿轮共振 .

激励能量对不同调制振动的影响

1 、由于轴弯曲和齿轮本身存在的缺陷和故障均可产生调制现象；

2 、调制的载波频率有三种： a) 啮合频率及其高次谐波；

b) 齿轮谐振频率； c) 箱体谐振频率。

激励能量对不同调制振动的影响

• 3 、不同激励能量有不同的调制振动：• a) 故障较轻，如轻微的轴弯曲或面积小、数量

少的齿面点蚀——啮合频率为载频，轴频为调制频率；

• b) 故障较严重、激振能量较大时——齿轮本身的谐振频率为载波频率；

• c) 故障非常严重、激励能量非常大时——箱体固有频率为载波频率。

4. 附加脉冲

5. 齿轮、轴等零件的谐振频率在很多情况下，齿轮或齿轮箱在承载运行中，由于其它激振力而引起了齿轮、轴或轴承内、外圈滚动体等零件的谐振。在频谱图上出现某些高峰值，也不对应某些特征频率，则这些频率可能是某零件的谐振频率，因此需在做谱分析前，通过计算 *）获得其谐振频率数值，结合频谱才能做出准确判断。

6.交叉调制成分在齿轮箱振动的频谱中还会出现一些其它的成分，这些频率成分大都是由上述的基本成分互相调制而成的，它表现为一些频率的和频及差额。它们并不独立，只有那些基本成分改变时才会有所改变，一般不用考虑和分析它。知道这些成分的存在及其含义，有利于我们去观察和分析齿轮的信号，取其特征，舍去一般。

五、齿轮故障诊断技术

1 、时域波形法

2 、时域参数分析法

3 、频谱分析法由于时域信号受各种因素影响较大，波行复杂，难以清

晰地判别。因此，对齿轮故障的判断较多地采用频谱分析法。

4 、细化分析

5 、倒频谱分析法

6 、瞬间频率波动分析

7 、共振解调分析法

图 25 是某变速箱一档被动齿轮断齿后的共振解调频谱图，其啮合频率 5HZ ，也出现了谐波群，并在其低频处，背景能量较高，这也表示了断齿后缺齿处冲击能量较大。

§T—5 对概率密度函数的进一步描述

一、

许多无量纲指标与 p(x)密切联系着。由于对 p(x) 的定量化引出了歪度指标 Skewness ，及峭度指标 Kurtosis ，为了更好地理解这两指标，这里再深入分析 p(x) 的性质。

2

2

2

)(

0 2

1]lim[

1lim)(

xx

x

x

Te

T

Txp

1 、 和 σ 为分布函数。 故常态分布曲线由 和 σ 就可决定，

σ 值意味着偏离平均值 的大小值， σ值越大偏离值越大。

2 、常态分布函数 μ3=0 即常态分布的偏倚系数为 0 。

3 、常态分布函数 四阶矩 μ4/σ4 =3 故常态分布的峰突系数为 3 。

xxx

补充一、 a) σ 值越小则 p(x) 值越大，因而 p(x)减小很快，

即曲线陡；

b)反之， σ愈大， p(x)减小缓慢，曲线平坦；

c)

T

Tdtxtx

T 0

2])([1

lim

若分布曲线是单峰且对称，即全正态分布则三者合一。若偏倚不大，则三者关系如上图，

偏倚系数

Cs>0 为正偏 Cs<0 为负偏 歪度 σ 为负责，意味着偏离正态。 䃳

dxxp )(3

3

33

三阶中心矩

SC

补充二、a) 中位数 x2—把概率分布划分为两个相等部分 , 即划分面积相等两部分，随机变量大于或小于中位数的概率各等于 1/2 。

b) 平均数 x3— 表示分布重心。c)众数 x1— 表示高峰所在的数。

图 T—18 平均数、中位数和众数的相对位置

补充三、 称峰凸系数， CE>3 则有较凸峰，凸峰改变。

图 T—19 凸峰图

44

EC

dxxp )(4

4

例 1 、某电机对产品的概率密度函数检测

图 T—20 某种电动机振动信号的幅值概率密度函数

例 2 、英国钢铁公司应用其研制的峭度仪监测滚动轴承的实例

实验时间 总共 84Hrs 。在 72 小时时，峭度系数已达到 6 ，已发生疲劳破坏。到 84 小时时，到超过 320 。而 RMS 值及峰值在 74 小时无明显，在 84 小时时也还很小。

如图 T—21 轴承疲劳试验过程

例 3 、 Cs>0 及 Cs<0 的图形。 CE>3 及 CE>3 的图形。

歪度波形

峭度波形

歪度计算式：

峭度计算式：

41

4

42 }1

)({

1rms

N

ii

N

31

3

31 }1

)({

1rms

N

ii

N

    

例 4．丰田书上例。图 T—231 、较正常，有冲击。偏倚不大，峭度 <3 平均值 =0.0019 有效值 =.0587785

歪 度 =－ .0257 峭 度 =＋ .0278814

  2 、正偏倚，峰凸度大。图 T—24时域有明显周期，且周期大小有变化。 平均值 =－ 0.009

有效值 =.0684331 歪 度 =2.4553 峭 度 =19.5389

3 、明显冲击图 T—25

平均值 =0.0205

有效值 =0.27898

歪 度 =－ .7792

峭 度 =17.5894

 

三、实例介绍：

• 、某厂一台 C523立车发生了半年强烈异常振动，伴有严重噪声。根据实测电机转速为 1000r/min时各种转频及啮合频率：

• 各轴转频及啮合频率（ C523立车传动箱）• 轴序号 传动 转速 (r/min) 转频 (Hz) 啮合频率 (Hz)

• Ⅰ 213/475 595.8 9.90 327.7• Ⅱ 33/39 504.1 8.40 294.1• Ⅲ 35/35 504.1 8.40 151.2• Ⅳ 18/44 206.2 3.44 123.7• Ⅴ 36/24 309.3 5.16 92.8• Ⅵ 18/44 126.5 2.11 52.7• Ⅶ 25/32 98.9 1.76 37.6• Ⅷ 23/154 14.8 0.29 37.9

实例二

• 某厂一 C6132车床噪声大 . 即使在较低

转速挡 250rpm 时仍有噪声 .

• 从时域信号看有冲击信号• 从解调谱中看冲击频率为 3.47Hz 及其谐波等于Ⅳ轴轴频，可能有不平衡（可能性小）或轴弯曲（可能性大）

•Ⅳ轴上齿轮啮合频率的高次谐波•开箱检查：Ⅳ轴产生弯曲，齿轮轮齿磨损严重。

分析：

四川江津水泥厂• 球磨机齿轮箱振动极大• 开式齿轮传动的啮合频率为 52.5Hz

• 电机转速为 750rpm/min,12.5Hz

D

球磨机传动结构

图

减速箱体测试的频谱

图

减速箱输出轴处测点频谱

图

球磨机联轴结处轴承座

测点频谱图

开式齿轮支撑轴承出测试频谱

图