机械故障诊断—第六章齿轮故障诊断

1、 齿轮由于结构型式、材料与热处理、操作运行环境与条件等因素不同，发生齿轮由于结构型式、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。故障的形式也不同，常见的齿轮故障有以下几类形式。 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。会在运行中引起齿面磨粒磨损。 对于重载和高速齿轮的传动，齿面工

2、作区温度很高，一旦润滑条件不良，齿对于重载和高速齿轮的传动，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。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。部产生这种现象，使齿轮擦伤。 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

3、反，从而产生脉动载荷。载荷和脉动力的作用使齿轮表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。当齿面上形成小坑，称之为点蚀。当“点蚀点蚀”扩大连成片时，形成齿面上金属块剥扩大连成片时，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

4、劳，产生落。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。剥落。 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，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中严重的冲击、

5、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。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，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。而分布故障则在齿轮各个轮齿上都有体现。 产生上述齿轮故障的原因较多，但从大量故障的分析统计结果来看，主要产生上述齿轮故障的原因较多，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：原因有以下几个方面： 齿轮制造误差主要有偏心、齿距偏差和齿形误差等。齿轮制造误差主要有偏心、齿距偏差和齿形误差等。 偏心是指齿轮偏心是指齿轮(一般为旋转体

6、一般为旋转体)的几何中心和旋转中心不重合，如图的几何中心和旋转中心不重合，如图 6.16.1 中的中的 小轮。齿距偏差是指齿轮的实际齿距与公称齿距有较大误差小轮。齿距偏差是指齿轮的实际齿距与公称齿距有较大误差, ,如图如图 6.16.1中的大齿中的大齿 轮。而齿形误差是指渐开线齿廓有误差，如图轮。而齿形误差是指渐开线齿廓有误差，如图6.2所示。所示。 图 6.1 齿轮偏心和齿距误差 O 一小齿轮中心；O2一小齿轮旋转中心 图 6.2 齿形误差 齿轮装配不当会造成工作状态劣化。如图齿轮装配不当会造成工作状态劣化。如图6.3(a) 所示所示, ,当一对互当一对互 相啮合的齿轮轴不平行时，会在齿宽方

7、向只有一端接触，或者出现齿相啮合的齿轮轴不平行时，会在齿宽方向只有一端接触，或者出现齿 轮的直线性偏差等，使齿轮所承受的载荷在齿宽方向不均匀，不能平轮的直线性偏差等，使齿轮所承受的载荷在齿宽方向不均匀，不能平 稳地传递动扭矩，如图稳地传递动扭矩，如图6.3 (b) 所示。这种情况称为所示。这种情况称为“一端接触一端接触”，会，会 使齿的局部承受过大的载荷，有可能造成断齿。使齿的局部承受过大的载荷，有可能造成断齿。 图6.3两齿轮轴不平行导致的啮合不良 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、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

8、是多方面的，除了油路堵塞、喷油胶合等故障。导致润滑不良的原因是多方面的，除了油路堵塞、喷油 孔堵塞外，润滑油中进水、润滑油变质、油温过高等都会造成齿面润孔堵塞外，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。滑不良。 对于工作负荷不平稳的齿轮驱动装置对于工作负荷不平稳的齿轮驱动装置(例如矿石破碎机、采掘机例如矿石破碎机、采掘机等等) ， 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，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。或者长期过载导致大量轮齿根部疲劳裂纹、断裂。 操作失误通常包括缺油、

9、超载、长期超速等，都会造成齿轮损伤、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。损坏。 如图如图6.4所示为齿轮副的力学模型，其中齿轮具有一定的质量，轮齿可所示为齿轮副的力学模型，其中齿轮具有一定的质量，轮齿可看看 作是弹簧，所作是弹簧，所以若以一对齿轮作为研究对象，则该齿轮副可以看作一个振动系统。以若以一对齿轮作为研究对象，则该齿轮副可以看作一个振动系统。 图 6.4 齿轮副力学模型 其振动方程为其振动方程为 212 / )()()(riTTtExtkxcxmr- -= =- -+ + + + (2) 取对数具有解卷积的作用,便于分离和提取目标信 号。并且倒谱还能区别出因

10、调制而引起的功率谱中 的周期分量,诊断出调制源。对信号传播小,在功率谱 中不明显的信号,在倒谱中可以很清楚地显示出来。 对于同时有多对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图， 由于每对齿轮啮合都将产生边频带，几个边频带交叉 分布在一起，仅进行频率细化分析有时还无法看清频 谱结构，还需要进一步做倒频谱分析。倒频谱能较好 地检测出功率谱上的周期成分，通常在功率谱上无法 对边频的总体水平作出定量估计，而倒频谱对边频成 分具有“概括”能力，能较明显地显示出功率谱上的 周期成分，将原来谱上成族的边频带谱线简化为单根 谱线，便于观察，而齿轮发生故障时的振动频谱具有 的边频带一般都具有等间隔(故障频率)的结构，利用 倒

11、频谱这个优点，可以检测出功率谱中难以辨识的周 期性信号。 图6.15(a)是某齿轮箱振动信号的频谱，频率为0 20kHz，谱线数400。中包含啮合频率(4.3kHz)及其三 阶谐频成分。由于频率分辨率太低(50Hz)，频谱上没 有分解出边频带，图(b)是对图(a)中的3.513.5kHz频 段内细化至2000谱线的频谱。谱中包含前三阶啮合频 率的谐频，但不包含齿轮旋转频率的低阶谱波。由于 分辨率较高(5Hz)，可以看到很多边频成分，但仍很难 分辨出它们的周期。将图(b)中7.59.5kHz频率展开作 横向放大，得到图(c)，可以看到以旋转频率为间隔的 边频带。图(d)是由图(b)而得到倒频谱。

12、倒频谱上清楚 地表明了对应于两个齿轮旋转频率(85H和50Hz)的两个 倒频分量A1(11.8ms)和B1(20.0ms)，而在功率谱上却 难以分辨出来。 图 6.15 用倒频谱分析齿轮箱振动信号中的边频带 l 一啮合频率；2，3 一高次谐波；AlA5一周期为 11.8ms 谐波；BlB3一 周期为 20ms 谐波 倒频谱的另一个主要优点是受信号传递路径影响较小，这一优点对于故障识 别极为有用。 图 6.16 是两个传感器在齿轮箱上不同测点的分析结果。可以看到，由于传 递路径不同，二者的功率谱也不相同。但在倒频谱上，由于信号源的振动效应和 传递途径的效应分离开来，代表齿轮振动特征的倒频率分量几

13、乎完全相同，只是 低倒频率段存在由于传递函数差异而产生的影响。由此可见，在进行倒频谱分析 时，可以不必考虑信号测取时的衰减和标定系数所带来的影响。 图 6.16 故障信息在功率谱和倒频谱中明显性比较 如前所述，在齿轮箱的振动中，调频和调幅的同时存在及两种调制在相位上 的变化使边频具有不稳定性，这种不稳定性给在功率谱上识别边频造成不利影 响。而在倒频谱上，代表齿轮调制程度的幅值不受相位变化的影响，这也是倒频 谱分析的优点之一。 三、瀑布图分析法三、瀑布图分析法 除了倒频谱分析方法外，前述瀑布图分析方法也可以在齿轮箱故障诊 断中应用。改变齿轮箱输入轴的转速并作出相应的振动功率谱，就可以得 到瀑布图

14、。在瀑布图上，可以清楚地观察到，有些谱峰的位置随输入轴转 速的变化而偏移，它们一般属于齿轮强迫振动的频率；而有些谱峰的位置 始终不变，不随输入轴转速的变化而改变，这种谱峰就属于由共振所引起 的，这种共振可能是齿轮传动系统共振，也可能是箱体共振，绘制瀑布图 一般需要有20以上的转速变化。 四、时域同步平均法四、时域同步平均法 从齿轮振动中取出啮合频率成分，将它同齿轮轴的旋转频率同步相加、 平均，这种方法叫时域同步平均法。这种方法对诊断齿轮局部异常并确定 其位置非常有效。因为异常啮合时，冲击振动的振幅要比其他齿的大，所 以曲线上幅值最大的峰值位置即是异常齿的位置。其分析原理如图6.17所 示。 同

15、期时域平均需要保证按特定整周期截取信号。对齿轮信号的特定周 期，总是取齿轮的旋转周期。通常的做法是，在测取齿轮箱振动加速度的 同时，记录一个转速同步脉冲信号。 图6.17同期时域平均法 在作信号的时域平均时，以此脉冲信号来触发A/D转换器，从而保证按齿 轮轴的旋转周期截取信号，且每段样本的起点对应于转轴的某一特定转角。 随着平均次数的增加，齿轮旋转频率及其各阶倍频成分保留，而其他噪声 部分相互抵消趋于消失，由此可以得到仅与被检齿轮振动有关的信号。 经过时域平均后，比较明显的故障可以从时域波形上反映出来，如图 6.18(a)所示。图(a)是正常齿轮的时域平均信号，信号由均匀的啮合频率分量 组成，

16、没有明显的高次谐波；图6.18(b)是齿轮安装对中不良的情形，信号的啮合频率 分量受到幅值调制，但调制频率较低， 只包含转频及其低阶谐频；图6.18(c)是 齿轮的齿面严重磨损的情况，啮合频率 分量严重偏离正弦信号的形状，故其频 谱上必然出现较大的高次谐波分量，由 于是均匀磨损，振动的幅值在一转内没 有大的起伏；图6.18(d)为齿轮有局部剥 落或断齿时的典型信号，振动的幅值在 某一位置有突跳现象。一般来讲，观察 时域平均后的齿轮振动波形对于识别故 障类型是很有帮助，即使一时难以得出 明确的结论，对后续分析和判断也可以 提供极具参考价值的信息。 图6.18齿轮在各种状态下的时域平均信号 第五节

17、第五节 齿轮常见故障信号特征与精密诊断齿轮常见故障信号特征与精密诊断 前面已经提及，齿轮故障比较复杂，上节所述的几种信号分析处理方法针对 齿轮故障诊断是非常有效的，但在实际工作中，通常是先利用常规的时域分析、 频谱方法对齿轮故障做出诊断，这种诊断结果有时就是精密诊断结果，有时还需 要利用上节所述的分析处理方法进一步对故障进行甄别和确认，最终得出精密诊 断结果。 一、正常齿轮的时域特征与频域特征一、正常齿轮的时域特征与频域特征 没有缺陷的正常齿轮，其振动主要是由于齿轮自身的刚度等引起的。 (1)时域特征 正常齿轮由于刚度的影响，其波形为周期性的衰减波形。其低频信号具有近似正 弦波的啮合波形，如图

18、6. 19 所示。 图 6. 19 正常齿轮的低频振动波形 (2)频域特征 正常齿轮的信号反映在功率上，有啮合频率及其谐波分量，即有nfc (n=1， 2，)，且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小；同时，在低频处有齿轮 轴旋转频率及其高次谐波mfr (m=1，2，)，其频谱如图6. 20 所示。 图 6. 20 正常齿轮的频谱 二、故障情况下振动信号的时域特征与频域特征二、故障情况下振动信号的时域特征与频域特征 1均匀磨损均匀磨损 齿轮均匀磨损是指由于齿轮的材料、润滑等方面的原因或者长期在高负荷下 工作造成大部分齿面磨损。 (1)时域特征 齿轮发生均匀磨损时，导致齿侧间隙增大，通常会使其正

19、弦波式的啮合波形 遭到破坏，图 6. 21 是齿轮发生磨损后引起的高频及低频振动。 图 6. 21 磨损齿轮的高频振动(a)和低频振动(b) (2)频域特征 齿面均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量 nfc (n=1，2，)在频谱图上的位 置保持不变，但其幅值大小发生改变，而且高次谐波幅值相对增大较多。分析时， 要分析三个以上谐波的幅值变化才能从频谱上检测出这种特征。图 6. 22 所示反 映了磨损后齿轮的啮合频率及谐波值的变化。 图 6.22 均匀磨损时的频谱 随着磨损的加剧，还有可能产生 k 1 ( k =2，3，4，)的分数谐波，有时在升 降速时还会出现如图 6. 23 所示的呈非线性振动的

20、跳跃现象。 图 6.23 振幅跳跃现象 2齿轮偏心齿轮偏心 齿轮偏心是指齿轮的中心与旋转轴的中心不重合，这种故障往往是由于加工 造成的。 (1)时域特征 当一对互相啮合的齿轮中有一个齿轮存在偏心时，其振动波形由于偏心的影 响被调制，产生调幅振动，图6.24 为齿轮有偏心时的振动波形。 图6.24偏心齿轮的振动时域波形 (2)频域特征 齿轮存在偏心时，其频谱结构将在两个方面有所反映：一是以齿轮的旋转频 率为特征的附加脉冲幅值增大；二是以齿轮一转为周期的载荷波动，从而导致调 幅现象，这时的调制频率为齿轮的回转频率，比所调制的啮合频率要小得多。图 6.25 为具有偏心的齿轮的典型频谱的特征。 图6. 25 齿轮偏心的频谱 3齿轮不同轴齿轮不同轴 齿轮不同轴故障是指由于齿轮和轴装配不当造成的齿轮和轴不同轴。不同轴 故障会使齿轮产生局部接触，导致部分轮齿承受较大的负荷。 (1)时域特征 当齿轮出现不同轴或不对中时，其振动的时域信号具有明显的调幅现象。如 图 6.26 所示为其低频振动信号呈现明显的调幅现象。 图6. 26同轴齿轮波形 (2)频域特征 具有不同轴故障的齿轮，由于其振幅调制作用，会在频谱上产生以各阶啮合 频率 nfc (n=1，2，)为中心，以故障齿轮的旋转频率 fr为间隔的一阶边频族， 即 nfcfr (n=1，2，)。同时，故