故障诊断PPT第7讲齿轮

1、第5章 齿轮故障振动监测与诊断.齿轮失效形式及其原因齿轮失效形式及其原因.齿轮振动机理齿轮振动机理.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法机械故障诊断学Anhui University of Technology 齿轮常见失效形式及其原因：齿轮常见失效形式及其原因：、齿轮制造误差：、齿轮制造误差：偏心（齿轮中心与轴中心、齿轮本身、主从动轮等）、周节误差偏心（齿轮中心与轴中心、齿轮本身、主从动轮等）、周节误差（齿间距）、齿形误差（齿廓）等（齿间距）、齿形误差（齿廓）等、齿轮装配不当：、齿轮装配不当：轮轴不同心、两轴不平行、不对中、不平衡轮轴不同心、两轴不平行、不对中、不平衡、齿轮损伤、齿轮损伤磨料磨损：杂

2、质等磨料磨损：杂质等粘附磨损：油膜被擦破后，在摩擦和压力下，啮合金属局部焊合又被撕裂粘附磨损：油膜被擦破后，在摩擦和压力下，啮合金属局部焊合又被撕裂疲劳剥落：材料疲劳引起。齿轮根部滚动方向与相对滑动方向相反，表面疲劳剥落：材料疲劳引起。齿轮根部滚动方向与相对滑动方向相反，表面受拉应力，疲劳剥落最易发生在齿轮根部近节圆处。受拉应力，疲劳剥落最易发生在齿轮根部近节圆处。断齿：疲劳（疲劳断齿）、重载、磨损、冲击等引起。断齿：疲劳（疲劳断齿）、重载、磨损、冲击等引起。 .齿轮失效形式及其原因齿轮失效形式及其原因齿轮的失效而造成齿轮箱故障所占比重最大（齿轮的失效而造成齿轮箱故障所占比重最大（60%）提高

3、齿轮箱运行的可靠性：提高齿轮箱运行的可靠性：一方面改进设计、制造和装配质量一方面改进设计、制造和装配质量一方面提高运行维护水平，对齿轮箱作状态监测，进行故障诊断一方面提高运行维护水平，对齿轮箱作状态监测，进行故障诊断一、齿轮箱的失效形式一、齿轮箱的失效形式 二、齿轮的异常现象二、齿轮的异常现象Anhui University of Technology.齿轮振动机理齿轮振动机理一、一、 齿轮动力学分析齿轮动力学分析1、振动系统、振动系统齿轮的质量、弹簧（轮齿）构成一个振动系统。实际上，齿轮的质量、弹簧（轮齿）构成一个振动系统。实际上，振动系统由轴、齿轮和轴上其它零件构成，由于齿的刚度远大于振动

4、系统由轴、齿轮和轴上其它零件构成，由于齿的刚度远大于轴的刚度，所以考虑齿轮引起的振动时，忽略轴及其零件的惯性轴的刚度，所以考虑齿轮引起的振动时，忽略轴及其零件的惯性载荷。载荷。3211232、弹簧刚度变化规律、弹簧刚度变化规律当齿受力时，可把齿看成悬臂梁，受弯曲应力、剪应力、径向压应力。当齿受力时，可把齿看成悬臂梁，受弯曲应力、剪应力、径向压应力。齿挠度：齿挠度：齿面法线方向挠度齿面法线方向挠度根部挠度根部挠度接触应力产生的变形接触应力产生的变形弹簧刚度：弹簧刚度： 1K212/ )()()(riTTtExtKxcxMr Anhui University of Technology.齿轮振动机

5、理齿轮振动机理 对于渐开线齿轮，节线附近为单齿啮合，节线两侧至顶、根为双齿啮合，对于渐开线齿轮，节线附近为单齿啮合，节线两侧至顶、根为双齿啮合，在啮合过程中，载荷分配发生周期性变化，引起齿形发生变化。在啮合过程中，载荷分配发生周期性变化，引起齿形发生变化。由于轴、轴承座的变形及齿向误差的影响，这一振动将同时引发径向和由于轴、轴承座的变形及齿向误差的影响，这一振动将同时引发径向和轴向振动。轴向振动。 周期性矩形波可分解为许多正弦波之和，正弦波中有基频即啮合频周期性矩形波可分解为许多正弦波之和，正弦波中有基频即啮合频率、及其高次谐波，齿轮误差也含有基频分量，齿轮的振动源就是以该基率、及其高次谐波，

6、齿轮误差也含有基频分量，齿轮的振动源就是以该基频波及其高次谐波组成的谱。频波及其高次谐波组成的谱。 直齿轮对啮合齿的弹簧刚度变化斜齿轮对啮合齿的弹簧刚度变化直齿轮对啮合齿的弹簧刚度变化斜齿轮对啮合齿的弹簧刚度变化Anhui University of Technology.齿轮振动机理齿轮振动机理3、齿轮固有频率齿轮固有频率mkfc21固有频率只与齿轮本身有关，一般在1KHZ至10KHZ高频。、振源、振源主要振源：传动误差，即一对齿轮付在恒定传递扭矩主要振源：传动误差，即一对齿轮付在恒定传递扭矩时，输出轴实际角位置与理论位置之差值，主要取决于制时，输出轴实际角位置与理论位置之差值，主要取决于制

7、造安装精度。造安装精度。另外，轴、轴承、轴承座等的变形也会引起振动，要另外，轴、轴承、轴承座等的变形也会引起振动，要加以区分。加以区分。Anhui University of Technology.齿轮振动机理齿轮振动机理60/zn60/znzfzff22112211z二、 幅值调制和频率调制幅值调制和频率调制一对齿轮副啮合，其啮合振动为频率n1、n2为大小齿轮的转速为大小齿轮的转速；、为大小齿轮的齿数为大小齿轮的齿数。齿轮所发生的振动中，包括有与齿轮所发生的振动中，包括有与齿轮的啮合频率（旋转频率）有关齿轮的啮合频率（旋转频率）有关的低频振动和与固有频率相关的高的低频振动和与固有频率相关的高

8、频振动，故障振动频率对这两个频频振动，故障振动频率对这两个频率进行调制。率进行调制。 )(21)(21)()()2sin()2cos1 ()(zcczcczfffABfffABffAfXtftfBAtX 边频以载波频边频以载波频率为中心，在其率为中心，在其两侧分布。幅值两侧分布。幅值调制中总能量增调制中总能量增加，频率调制中加，频率调制中总能量保持不变。总能量保持不变。 频率调制的频率调制的频谱图中，以啮频谱图中，以啮合频率为中心，合频率为中心，以调制频率为间以调制频率为间隔形成无限多对隔形成无限多对调制边频带。调制边频带。 单独情况下，单独情况下，边频对称于载波边频对称于载波频率，两种情况频

9、率，两种情况同时作用，边频同时作用，边频就不一定对称与就不一定对称与载波频率。载波频率。 齿轮不平衡、对中不良和机械松动等产生的齿轮不平衡、对中不良和机械松动等产生的附加脉冲信号附加脉冲信号是直是直接叠加在齿轮的常规振动上，是齿轮旋转频率的地磁谐波。接叠加在齿轮的常规振动上，是齿轮旋转频率的地磁谐波。 隐含谱线隐含谱线是加工过程中产生的齿轮零件的周期性缺陷，对应于是加工过程中产生的齿轮零件的周期性缺陷，对应于滚齿机工作台分度涡轮的啮合频率，来源于分度涡轮、蜗杆及齿滚齿机工作台分度涡轮的啮合频率，来源于分度涡轮、蜗杆及齿轮的误差。轮的误差。 （1）隐含谱线一般对应于某个分度涡轮的整齿数，表现为一

10、）隐含谱线一般对应于某个分度涡轮的整齿数，表现为一个特定的回转频率的谐波。个特定的回转频率的谐波。 （2）隐含谱线是由几何误差产生的，齿轮工作载荷对它的影）隐含谱线是由几何误差产生的，齿轮工作载荷对它的影响很小，随着齿轮的跑合和磨损它会逐渐降低。响很小，随着齿轮的跑合和磨损它会逐渐降低。 齿轮测量所得的信号中必然包含轴承振动的成分，轴承常规齿轮测量所得的信号中必然包含轴承振动的成分，轴承常规振动的水平一般要小于齿轮振动一个数量级。滑动轴承工作在低振动的水平一般要小于齿轮振动一个数量级。滑动轴承工作在低频段，滚动轴承的振动的特征频率范围比较宽，起诊断不宜在齿频段，滚动轴承的振动的特征频率范围比较

11、宽，起诊断不宜在齿轮振动频率范围内进行。轮振动频率范围内进行。三、三、 齿轮诊断中其它成分齿轮诊断中其它成分.齿轮振动机理齿轮振动机理Anhui University of TechnologyAnhui University of Technology.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法Anhui University of Technology.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法一、频域分析一、频域分析、频谱边带分析频谱边带分析齿轮的振动信号及其频谱不仅包含啮合频率及其各高次谐波，还包括由于齿轮的振动信号及其频谱不仅包含啮合频率及其各高次谐波，还包括由于调制效应而产生的边频带以及其他成分。调制效应而产

12、生的边频带以及其他成分。齿轮的许多缺陷是以边带的形式呈现出来的，它实际上是以产生的故障频齿轮的许多缺陷是以边带的形式呈现出来的，它实际上是以产生的故障频率作为调制信号对某一较高频率如啮合频率进行调制的结果。率作为调制信号对某一较高频率如啮合频率进行调制的结果。（1）幅值调制幅值调制条件：转速恒定，且齿距完全相等条件：转速恒定，且齿距完全相等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造成的。齿轮的偏心、是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响造成的。齿轮的偏心、加工误差（节距不均）、载荷变化、齿轮故障等（这些缺陷的频率与齿轮加工误差（节距不均）、载荷变化、齿轮故障等（这些缺陷的频率与齿轮的旋转

13、频率有关），使振幅在啮合中由于短暂的加卸载而规律地周期性变的旋转频率有关），使振幅在啮合中由于短暂的加卸载而规律地周期性变化。化。Anhui University of Technology.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法高频部分是载波高频部分是载波（一般为啮合频率成分）相对较低频率成分称为较低频率成分称为调制波调制波，本图为齿轮局部缺陷，调制结果是频谱图上调制结果是频谱图上（两信号卷积）在啮合（两信号卷积）在啮合频率及其高次谐波分量频率及其高次谐波分量两恻产生两恻产生一系列边频带。边频带的谱线间距为调边频带的谱线间距为调制信号的特征频率。在制信号的特征频率。在有些情况下，找到了调有些情况下，找

14、到了调制频率即找到了相应的制频率即找到了相应的故障类型。故障类型。Anhui University of Technology.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法图（图（a）为齿轮局部缺陷）为齿轮局部缺陷,在啮合频率及其高次谐波分量两恻产生一在啮合频率及其高次谐波分量两恻产生一系列幅值较低、分布均匀而平坦的边频带。系列幅值较低、分布均匀而平坦的边频带。 图（图（b）调制波为轮齿均布缺陷，边频带高而窄。）调制波为轮齿均布缺陷，边频带高而窄。Anhui University of Technology.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法0f02 f03 f04 f05 f 此时频谱上的变化也可用调幅来解释，调

15、制频率等于载波频率，此时频谱上的变化也可用调幅来解释，调制频率等于载波频率， （齿轮啮合频率），边频成分刚好叠加到各阶啮合成分上去了，（齿轮啮合频率），边频成分刚好叠加到各阶啮合成分上去了，似乎看不到边频了。似乎看不到边频了。 齿轮磨损时齿轮磨损时Anhui University of Technology.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法（2）频率调制频率调制 各种原因产生的载荷波动 振动幅值产生影响外，同时扭矩波动 齿轮转速产生波动，这种波动表现在振动上即频率调制频率调制。频率调制的根源在于齿轮啮合刚度函数由于齿轮加工误差频率调制的根源在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

16、位变化。和故障的影响而产生了相位变化。两种调制总是同时存在的两种调制总是同时存在的，调频的结果也是产生边频带，只调频的结果也是产生边频带，只是它不对称于载波（啮合频率）频率及其高次谐波分量。是它不对称于载波（啮合频率）频率及其高次谐波分量。 齿轮诊断信号中除了啮合频率、边频成分外，还有其他如附加脉冲、隐含鬼线、轴承振动等成分 为故障频率。Anhui University of Technology.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法（3）频谱边带分析频谱边带分析齿轮传动中许多缺陷都是以边频的形式表现出来的。 c0nff cf一族频率为的边频带，00nff 如齿轮偏心、齿距周期变化、载荷波动缺陷，即齿

17、轮转一圈产生一次变化，则缺陷频率与齿轮转速一致，产生一族边频带。 齿面剥落、裂纹及断齿产生它应有的周期脉冲，频谱中产生脉冲频率外，还会在啮合频率两边产生一族边频带。 由于局部缺陷与均匀缺陷引起的脉冲宽度不一样，边带形式和幅值也会有所不同。5.3.3边频带分析边频带分析5.3.35.3.3边频带分析边频带分析边频带成分中包含有丰富的齿轮故障信息，在频谱分析时必须具有足够高的频率分辨率，必要时应对感兴趣的频段进行频率细化分析。1.当边频带间隔为旋转频率时，可能与齿轮偏心、齿距周期变化及载荷的波动有关。2.齿轮的点蚀和齿轮的剥落、齿根裂纹形成边频带如图a、b所示。Anhui University o

18、f Technology.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法2、齿轮的倒频谱分析、齿轮的倒频谱分析 倒频谱的信号一部分取决于信号的传递路径，频率较低，另一部分取决于倒频谱的信号一部分取决于信号的传递路径，频率较低，另一部分取决于信号源，频率较高，两者非常容易区分。在功率谱中（得不到对称的边频带）信号源，频率较高，两者非常容易区分。在功率谱中（得不到对称的边频带）模糊不清的边频带信息在倒谱中一目了然（成族的边频谱线简化为便于观察的模糊不清的边频带信息在倒谱中一目了然（成族的边频谱线简化为便于观察的单根谱线，位置代表功率谱中的相应谱族的频率间隔时间）。另外其倒谱不受单根谱线，位置代表功率谱中的相应谱族的

19、频率间隔时间）。另外其倒谱不受调幅与调频相位差的影响，能较好地检测出功率谱上的周期成分。调幅与调频相位差的影响，能较好地检测出功率谱上的周期成分。例：右图中a是功率谱，频率020kz，其中包含啮合频率（4.3kz）及其三次谐波，谱上没有分解出边频带。 传递途径对信号的影响表现在低频段。.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法图图b是是2000线细分功率谱，线细分功率谱，3.513.5kz,含前三阶啮合谐波，含前三阶啮合谐波，但不含轴旋转频率的低阶谐波。但不含轴旋转频率的低阶谐波。可以看到有很多边频带，但难可以看到有很多边频带，但难以观察。以观察。 图图c经高分辨率信号分析仪处经高分辨率信号分析仪处理，可

20、见很多边频，但仍然理，可见很多边频，但仍然不是很清楚。不是很清楚。.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法图图d是图是图b功率谱功率谱的倒谱，清楚地的倒谱，清楚地表明了对应于两表明了对应于两轴旋转频率轴旋转频率（85hz、50hz）的两个分量，却的两个分量，却在图在图c上都难以分上都难以分辨出来。辨出来。.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法 图中为两个传感器在不同位置测量得到的信号，由于传递路径不同，图中为两个传感器在不同位置测量得到的信号，由于传递路径不同，两个信号不同，由于倒频谱中的信号源特征和传递途径的效应可以分开，两个信号不同，由于倒频谱中的信号源特征和传递途径的效应可以

21、分开，因此两个信号的到频谱在代表齿轮的特征频率的分量上几乎完全相同。因此两个信号的到频谱在代表齿轮的特征频率的分量上几乎完全相同。Anhui University of Technology.齿轮故障诊断法齿轮故障诊断法二、二、 时域分析（同期时间平均技术）时域分析（同期时间平均技术）同期时间平均即前文所述同期时间平均即前文所述相干检波相干检波。以感兴趣的齿轮旋转。以感兴趣的齿轮旋转周期为时标信号来作时域平均，该旋转频率及其谐波分量周期为时标信号来作时域平均，该旋转频率及其谐波分量保留，而其他噪声逐渐消失，比较明显的故障可从时域波保留，而其他噪声逐渐消失，比较明显的故障可从时域波形上反映出来。形上反映出来。时域平均对滚动轴承诊断基本无用，因为滚动轴承特征频时域平均对滚动轴承诊断基本无用，因为滚动轴承