齿轮故障监测与诊断 20121010

1、廖与禾西安交通大学 机械工程学院 诊断所2012年10月1 1 引言引言2 2 齿轮箱常见的故障形式及特征齿轮箱常见的故障形式及特征3 3 齿轮箱振动机理分析齿轮箱振动机理分析4 4 齿轮振动信号的特征齿轮振动信号的特征5 5 齿轮故障诊断信号处理方法齿轮故障诊断信号处理方法6 6 齿轮箱故障诊断实例分析齿轮箱故障诊断实例分析主要内容主要内容1.1 概述概述 齿轮是依靠齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。齿轮通过与其它齿状机械零件传动，实现改变转速与扭矩、改变运动方向和改变运动形式等功能。 齿轮传动装置是机械设备中必不可少的连接和传递动力的通用零部件。 齿轮失效是诱发设备故障的重要因素。一、引言一

2、、引言1.2 齿轮故障诊断的发展与现状齿轮故障诊断的发展与现状 齿轮箱故障诊断技术是当前国内外热门的研究课题之一。 20世纪70年代初出现一些简单的齿轮箱故障诊断技术，仅限于测量分析一些简单的振动参数，例如：振动峰值、均方根值等，通过观察这些参数的变化来掌握齿轮的运行状态。 20世纪70年代末到80年代中期，齿轮箱故障诊断的频域分析方法发展很快。1.2 齿轮故障诊断的发展与现状齿轮故障诊断的发展与现状 随着计算机技术、电子技术、测试技术的发展，齿轮箱故障诊断技术吸收了大量现代科技成果，可以根据振动、噪声、温度、油样等多种信息实施故障诊断，由此形成日渐成熟的齿轮箱振动诊断技术、噪声诊断技术、温度

3、监测技术及油样分析技术。 在信号处理技术方面，非平稳信号处理技术及人工智能方法也逐步应用于齿轮箱故障当中。各个学科的相互交叉融合，使得齿轮箱故障诊断技术已发展成为集数学、物理、力学、计算机与微电子技术，信息处理技术、人工智能等各个专业理论与技术于一体的新兴学科。1.2 齿轮故障诊断的发展与现状齿轮故障诊断的发展与现状1 1 引言引言2 2 齿轮箱常见的故障形式及特征齿轮箱常见的故障形式及特征3 3 齿轮箱振动机理分析齿轮箱振动机理分析4 4 齿轮振动信号的特征齿轮振动信号的特征5 5 齿轮故障诊断信号处理方法齿轮故障诊断信号处理方法6 6 齿轮箱故障诊断实例分析齿轮箱故障诊断实例分析主要内容主

4、要内容2.1 2.1 齿面磨损齿面磨损 成因及故障演化路径：成因及故障演化路径：齿轮工作中由于齿轮工作中由于硬质磨粒长期的作用，导致齿面金属在硬质磨粒长期的作用，导致齿面金属在滑擦作用下脱落，齿面变薄。滑擦作用下脱落，齿面变薄。1）磨料磨损）磨料磨损二、齿轮箱常见的故障形式及特征二、齿轮箱常见的故障形式及特征成因：成因：一般当润滑油粘度低、高温时会一般当润滑油粘度低、高温时会产生这种现象。产生这种现象。故障演化路径：故障演化路径：齿廓变形、齿厚变薄齿廓变形、齿厚变薄侧隙变大侧隙变大 冲击加剧冲击加剧 断齿断齿2.1 2.1 齿面磨损齿面磨损 2）黏附磨损（齿面胶合、擦伤）黏附磨损（齿面胶合、擦

5、伤）2.2 2.2 齿面疲劳点蚀齿面疲劳点蚀轮齿工作时当齿面接触应力超过材料的轮齿工作时当齿面接触应力超过材料的接触疲劳极限时，在载荷多次重复作用接触疲劳极限时，在载荷多次重复作用下，齿面表层产生细微疲劳裂纹。裂纹下，齿面表层产生细微疲劳裂纹。裂纹的蔓延、扩展，造成许多微粒从工作表的蔓延、扩展，造成许多微粒从工作表面上脱落下来，在表面出现许多月牙形面上脱落下来，在表面出现许多月牙形的浅坑，即的浅坑，即齿面疲劳点蚀齿面疲劳点蚀2.3 2.3 齿面接触疲劳齿面接触疲劳成因：成因：齿轮材质不均或局部擦伤齿轮材质不均或局部擦伤故障演化路径：故障演化路径：齿面相对运动齿面相对运动 脉动循脉动循环变化的接

6、触应力环变化的接触应力(剪应力剪应力) 应力超过应力超过材料剪切极限材料剪切极限 表面裂纹表面裂纹 裂纹扩展裂纹扩展 齿面剥落。齿面剥落。2.4 2.4 弯曲疲劳与断齿弯曲疲劳与断齿成因及故障演化路径：成因及故障演化路径：齿根受脉动循环齿根受脉动循环弯曲应力作用弯曲应力作用齿根部产生裂纹齿根部产生裂纹应力应力集中集中裂纹进一步扩展裂纹进一步扩展剩余部分无法剩余部分无法承受外载荷承受外载荷断齿断齿1 1 引言引言2 2 齿轮箱常见的故障形式及特征齿轮箱常见的故障形式及特征3 3 齿轮箱振动机理分析齿轮箱振动机理分析4 4 齿轮振动信号的特征齿轮振动信号的特征5 5 齿轮故障诊断信号处理方法齿轮故

7、障诊断信号处理方法6 6 齿轮箱故障诊断实例分析齿轮箱故障诊断实例分析主要内容主要内容3.1 3.1 齿轮的简化振动模型齿轮的简化振动模型 一对啮合的齿轮可以看作是一个具有质量、弹簧和阻尼的振动系统。 齿轮副的力学模型 三、齿轮箱振动机理分析三、齿轮箱振动机理分析3.23.2 齿轮的振动模型齿轮的振动模型一对啮合齿轮的振动方程可以表示为： 21( )( )()rM XCXK tXE tTiTR式中：X 沿啮合作用线上方向齿轮相对位移；Mr 齿轮副的等效质量，Mr=m1m2/(m1+m2)；C 齿轮啮合阻尼；K(t) 齿轮拟合刚度，关于时间的函数；E(t) 轮齿变形、误差以及故障造成的两齿轮在作

8、用线方向上的相对位移；T1，T2 啮合过程中作用于齿轮上的扭矩；I 齿轮副传动比。 3.2 3.2 齿轮的简化振动模型齿轮的简化振动模型210TiT12( )( )( )E tE tE t不考虑摩擦力的影响，有： 且把E(t)分解为： 齿轮振动模型可进一步简化为： 12( )( )( )( )rM XCXK t XK t EK t E t式中：E1(t) 正常齿轮承载后的平均静弹性变形，与加工误差及轮齿故障无关；E2(t) 齿轮的误差和故障所造成的两个齿轮之间的相对位移，也称故障函数。3.2 3.2 齿轮的简化振动模型齿轮的简化振动模型振动方程左端齿轮副振动响应振动方程右端振动激振力函数可见，

9、导致齿轮振动的激振源可分为：(1) k(t)E1常规振动，与齿轮的误差、故障无关(2) k(t)E2由齿轮的误差、故障引起的激振力 3.3 3.3 齿轮振动影响因素齿轮振动影响因素 啮合刚度周期性变化的原因：(1)啮合点位置的变化，参加啮合的单一齿轮的刚度发生变化；(2)参加啮合的齿数发生变化，单齿啮合时刚度小，双齿啮合刚度大。1 1）齿轮啮合刚度）齿轮啮合刚度轮齿啮合刚度轮齿啮合刚度K(t)随啮合系数（决定于时间随啮合系数（决定于时间t和啮合位移线和啮合位移线X）呈周期性波动）呈周期性波动，使得系统，使得系统的平移和回转振动产生相应的波动变化，其的平移和回转振动产生相应的波动变化，其振动能量

10、经轴、轴承传到齿轮箱箱体上。振动能量经轴、轴承传到齿轮箱箱体上。3.3 3.3 齿轮振动影响因素齿轮振动影响因素 （a a）直齿轮啮合刚度变化曲线）直齿轮啮合刚度变化曲线 （b b）斜齿轮啮合刚度变化曲线）斜齿轮啮合刚度变化曲线齿轮啮合刚度变化曲线齿轮啮合刚度变化曲线可见，直齿轮啮合刚度的变化十分剧烈，波动几乎表现为矩形波。斜齿轮的啮合刚度要平缓的多，形状接近正弦波。1 1）齿轮啮合刚度）齿轮啮合刚度3.3 3.3 齿轮振动影响因素齿轮振动影响因素l 传动误差传动误差是指是指齿轮在恒定的传递转距下，因各种制齿轮在恒定的传递转距下，因各种制造误差、安装缺陷、齿轮的故障等所产生的误差和造误差、安装

11、缺陷、齿轮的故障等所产生的误差和变形，在输出轴上实际的齿廓形状和角位置与理论变形，在输出轴上实际的齿廓形状和角位置与理论形状和角位置之间的差值形状和角位置之间的差值。这个差值可以用角位移表示，也可以沿压力线用基圆半径或节圆半径上的线位移表示。l 齿轮运转过程中，由于传动误差大，齿轮进入和脱离啮合时的碰撞加剧，产生较高的振动峰值，并且在短暂时间内造成振动幅值和相位的变化。2 2）齿轮传动误差）齿轮传动误差3.3 3.3 齿轮振动影响因素齿轮振动影响因素 在理想情况下：齿廓为理想形状且轮齿刚度为绝对刚性。当一对齿轮啮合时，主动轮转过1 角度，从动轮则转过2 角度，则： 两个相啮合的齿轮按此关系匀速

12、地回转 2 2）齿轮传动误差）齿轮传动误差2121zz式中：e12是从动轮转角的相对偏差量，称为传动误差，也叫啮合误差，这是一个综合误差。 3.3 3.3 齿轮振动影响因素齿轮振动影响因素 实际齿轮不是绝对刚性的，同时由于如齿轮制造误差、齿面温升、磨损等各种因素的影响，相啮合的两个齿轮相对角速度不均匀，从动轮产生角加速度。上述转角关系应修正为：2 2）齿轮传动误差）齿轮传动误差212121zez 齿轮产生故障，会直接造成传动精度的劣化。 齿轮轴的松动、偏心、局部齿根疲劳裂纹或断齿等将影响长周期误差成份； 齿面过度磨损、胶合、点蚀等损伤将影响短周期成份，所有这些都使动载荷加大，振动也相应加大。

13、可见，影响齿轮振动及其变化的是轮齿刚度和传动误差，即故障齿轮振动的激励源主要由载荷因素载荷因素和传动误差因素传动误差因素两部分组成。 3.3 3.3 齿轮振动影响因素齿轮振动影响因素3 3）小结）小结 齿轮啮合齿数的交替变化会引起轮齿刚度发生周期变化； 渐开线齿轮的齿形形状决定了啮合过程中轮齿各点刚度是变化的，因此即使是在载荷不变的情况下，仍会产生轮齿振动； 啮合过程中在节点处两齿面的相对滑动速度和摩擦力方向的改变，也能引起齿轮啮合系统的振动。 3.3 3.3 齿轮振动影响因素齿轮振动影响因素载荷因素分析：载荷因素分析： 制造、安装误差导致的齿轮传动误差所产生的激励力； 齿轮磨损、胶合、点蚀等

14、齿面故障使轮齿齿廓偏离渐开线轮廓，增大了齿轮传动误差； 轮齿的故障会造成啮合齿合成刚度劣化，引起齿轮的啮合振动。 传动误差因素分析：传动误差因素分析：3.3 3.3 齿轮振动影响因素齿轮振动影响因素1 1 引言引言2 2 齿轮箱常见的故障形式及特征齿轮箱常见的故障形式及特征3 3 齿轮箱振动机理分析齿轮箱振动机理分析4 4 齿轮振动信号的特征齿轮振动信号的特征5 5 齿轮故障诊断信号处理方法齿轮故障诊断信号处理方法6 6 齿轮箱故障诊断实例分析齿轮箱故障诊断实例分析主要内容主要内容四、齿轮振动信号的特征四、齿轮振动信号的特征 无论从时域还是从频域观察齿轮振动信号，它都是十分复杂的，然而可以发现

15、齿轮振动信号频谱总可以由以下几个主要频率成分构成：(1)啮合频率及其各次谐波；(2)以啮合频率及其它一些高频成分为中心，由调制效应产生的边频带；(3)其它频率成份；4.1 4.1 齿轮的啮合频率及其各次谐波齿轮的啮合频率及其各次谐波 z1、z2齿轮的齿数 n1、n2转速 4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带 齿轮存在形位或几何误差或出现故障时，会对齿轮啮合振动产生调制作用，使得齿轮振动信号以调制波的形式表现出来。 从频域上看，调制的结果是使齿轮的啮合频率及其谐波周围出现边频带成分。 调制可以分为两种基本形式：幅值调制和频率调制。4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产

16、生的边频带1)1)幅值调制幅值调制 l 产生原因：由齿面载荷波动对振动幅值的影响造成。 (1)齿轮偏心； (2)齿轮加工误差、齿轮故障，在齿轮啮合过程中产生短暂的载荷波动(加载和卸载)。l 幅值调制现象从数学上看相当于时域中的两个信号的乘积，而在频域上相当于两个信号的卷积。 一个称为载波，频率较高啮合频率 一个称为调制波，频率较低齿轮回转频率 4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带设：齿轮啮合振动分量为： 齿轮轴的转频信号为： 1) 1) 幅值调制幅值调制4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带则：幅值调制后的振动信号为 ：式中：A振幅；B调制指数； fr调制

17、频率。1) 1) 幅值调制幅值调制4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带在频域中可表示为：在频域中可表示为： 调制后的信号，除啮合频率分量外，增加了fzfr分量，它以啮合频率为中心，以fr为间距对称分布于fz两侧，称边频带边频带。 1) 1) 幅值调制幅值调制4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带单一频率的幅值调制原理单一频率的幅值调制原理 1) 1) 幅值调制幅值调制4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带调制前：信号的总能量为 ：A2/2调制后：信号的总能量En应为各频率成分的能量之和，即： A2B2/4反映了齿轮故障的程度； 边带间距f

18、r反映了故障产生的部位。 1) 1) 幅值调制幅值调制4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带由激振函数：K(t)E1+ K(t)E2(t)k(t)E1是正常齿轮的振动反映，与故障和误差无关k(t)E2(t)则反映了由故障或误差产生的幅值调制实际的齿轮振动信号的载波信号和调制信号都不是单一频率，一般为周期函数。1) 1) 幅值调制幅值调制4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带设：y(t)= K(t)E2(t) 1) 1) 幅值调制幅值调制则：k(t)载波信号，反映了啮合刚度的变化，与啮合系数紧密相关，表现为以啮合频率及其高次谐波为特征的信号； E2(t)调制（

19、幅）信号，反映了齿轮的误差与故障情况，齿轮旋转一周E2(t)对应变化一次，因此E2(t)以轴旋转频率及各阶倍频为主要特征。4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带时域中： y(t)= K(t)E2(t) 频域中：Sy(f)=Sk(f)*SE(f) 当齿轮发生故障时，调幅振动信号的频谱表现为一组频率间隔较大的脉冲函数（fz、2fz、3fz等）与频率间隔较小的脉冲函数（fr、2fr、3fr等）的卷积。所以频域中形成啮合频率及其倍频成分两侧的边频族，即： zrfjf1) 1) 幅值调制幅值调制4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带齿轮振动信号的频谱上边频带的形成机理

20、齿轮振动信号的频谱上边频带的形成机理 1) 1) 幅值调制幅值调制4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带齿轮缺陷分布对边频带的影响齿轮缺陷分布对边频带的影响1) 1) 幅值调制幅值调制4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带2) 2) 频率调制频率调制 sin(2)zAf t记：载波信号为 ：调制信号为 ：频率调制可以认为是相位调制，相当于载波信号受到调制信号的调制作用而变成宽频信号。齿轮转速产生波动，表现在振动上为频率调制。cos(2)rf t4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带则调频后的信号为： ( )sin(2cos(2)zrx tA

21、f tf t式中： A振幅； fz载波频率； fr调制频率； 调制指数，等于由调制而产生的最大相位移； 初相角2) 2) 频率调制频率调制 4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带将上式用贝赛尔函数展成无穷级数： 式中 ：J1()、 J2()为贝赛尔系数。 2) 2) 频率调制频率调制 4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带其对应的频谱为： 调频振动信号包含有无限多个频率分量，以啮合频率为中心，以调制频率为间隔形成无限多对调制边频带，形状取决于调制指数。 2) 2) 频率调制频率调制 zz齿轮相对角速度波动系数齿数4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产

22、生的边频带频率调制及边频带频率调制及边频带 2) 2) 频率调制频率调制 4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带 由于0阶贝塞尔函数J0()总是小于1，故频率调制后载频的能量下降了，而调制后各个边频成分的能量正比于它的贝塞尔函数值的平方，调制之后的信号的总能量（包络线的平方积）保持不变，这一点不同于幅值调制； 从频域上看，调制的结果相当于把载频的能量分散到边频上，形成的边频带及各阶边频相对幅值的大小取决于调制指数 ；2) 2) 频率调制频率调制 4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带不同调制指数下的边频带不同调制指数下的边频带 2) 2) 频率调制频率调制

23、4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带3) 3) 频率调制与幅值调制的比较频率调制与幅值调制的比较 (1) 载波频率相等； (2) 边频带频率间隔相等 ； (3) 边频带对称分布于载波频率两侧。 4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带 在两者共同作用时，由于边频具有不同的相位，叠加时为向量相加，叠加后的边频幅值可能增加，也可能减小 ， 引起边频带不对称。 边频具有不稳定性，调幅调频的相对相位关系受随机因素的影响，会改变边频带的形状。 实际的齿轮系统中，调幅与调频总是同时存在，边频成分是两种调制单独作用时所产生的边频成分的叠加，所以诊断时应注意：4) 4) 诊

24、断要点诊断要点4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带调幅和调频共同作用下产生的边频带调幅和调频共同作用下产生的边频带 4) 4) 诊断要点诊断要点4.2 4.2 调制效应产生的边频带调制效应产生的边频带1) 1) 附加脉冲附加脉冲 调制产生的信号(时域)对称于零线，实际测到的信号不一定对称于零线。可把信号分解成调制信号与附加脉冲的叠加，时域中：调制信号对称于零线；附加脉冲不对称于零线 ，它直接叠加在齿轮的常规振动上，而不是以调制的形式出现，因而在时域上比较容易区分。 频域中：调制：产生边频带； 附加脉冲：齿轮旋转频率的低次谐波。4.3 4.3 齿轮箱振动信号中的其它频率成分齿

25、轮箱振动信号中的其它频率成分4.3 4.3 齿轮箱振动信号中的其它频率成分齿轮箱振动信号中的其它频率成分1) 1) 附加脉冲附加脉冲 产生原因： 齿轮存在严重的局部故障，如严重剥落、断齿等。此时在低频段表现为齿轮的旋转频率及倍频增加。 齿轮不平衡、对中不良、机械松动均是旋转频率低次谐波的振源，但不一定与故障有直接联系。齿轮振动信号中分解出附加脉冲齿轮振动信号中分解出附加脉冲(a)总信号，总信号，(b)附加脉冲，附加脉冲，(c)调幅信号调幅信号 4.3 4.3 齿轮箱振动信号中的其它频率成分齿轮箱振动信号中的其它频率成分2) 2) 鬼线鬼线(Ghost Line)(Ghost Line)鬼线为功

26、率谱上的一个频率分量。 产生原因：加工过程中给齿轮带来的周期性缺陷。 来源：分度蜗轮、蜗杆及齿轮的误差。 特征频率：对应于滚齿机工作台分度蜗轮的啮合频率。4.3 4.3 齿轮箱振动信号中的其它频率成分齿轮箱振动信号中的其它频率成分4.3 4.3 齿轮箱振动信号中的其它频率成分齿轮箱振动信号中的其它频率成分2) 2) 鬼线鬼线特点： 鬼线一般对应于分度蜗轮的某个整数齿，所以必然表现为一个特定的回转频率的必然表现为一个特定的回转频率的谐波谐波。 鬼线是由几何误差产生由几何误差产生的，齿轮的工作载荷对鬼线的影响很大。 随齿轮的跑合和磨损，鬼线分量的幅值随齿轮的跑合和磨损，鬼线分量的幅值会逐渐降低会逐

27、渐降低。4.3 4.3 齿轮箱振动信号中的其它频率成分齿轮箱振动信号中的其它频率成分载荷对鬼线及啮合频率分量的影响载荷对鬼线及啮合频率分量的影响(a)轻载，轻载，(b)重载重载 2) 2) 鬼线鬼线1 1 引言引言2 2 齿轮箱常见的故障形式及特征齿轮箱常见的故障形式及特征3 3 齿轮箱振动机理分析齿轮箱振动机理分析4 4 齿轮振动信号的特征齿轮振动信号的特征5 5 齿轮故障诊断信号处理方法齿轮故障诊断信号处理方法6 6 齿轮箱故障诊断实例分析齿轮箱故障诊断实例分析主要内容主要内容五、齿轮故障诊断信号处理方法五、齿轮故障诊断信号处理方法 5.1 5.1 功率谱分析功率谱分析 1) ) 啮合频率

28、及其谐波频率分析啮合频率及其谐波频率分析 例如：齿轮磨损故障，可以用一些综合参数来衡量频谱的变化。 设：正常状态下齿轮的啮合频率及各阶谐波的幅值分别为： 故障状态下为故障状态下为 ：5.1 5.1 功率谱分析功率谱分析1) 1) 啮合频率及其谐波频率分析啮合频率及其谐波频率分析可用以下系数判断是否有适用于磨损故障可用以下系数判断是否有适用于磨损故障(1)(1)平均幅值变化系数：平均幅值变化系数：(2)平均相对幅值变化系数平均相对幅值变化系数 ：5.1 5.1 功率谱分析功率谱分析齿轮磨损的典型功率谱 磨损前 磨损后 1) 1) 啮合频率及其谐波频率分析啮合频率及其谐波频率分析5.1 5.1 功

29、率谱分析功率谱分析2) 2) 边频带分析边频带分析根据功率谱图上的边频带信号(形状、间隔)可得到下列信息： 齿轮的偏心、齿距缓慢地周期变化及载荷的周期波动等缺陷时，谱图上出现ifzjfr； 由于转轴上的联轴节或齿轮本身的不平衡产生的振动，则功率谱图中出现齿轮的啮合频率及谐波的边频带：ifz2jfr； 齿轮点蚀故障的边频带与(1)类似，但阶数少，且集中在两侧；5.1 5.1 功率谱分析功率谱分析2) 2) 边频带分析边频带分析 齿轮剥落、齿根裂纹、部分断齿等故障，会产生瞬态调制，也会产生边频带，边带阶数多且分散。实际分析中，边带的变化呈综合效果，很难用某一种方法来确定某种故障。在边带分析中还可采

30、用频率细化方法来分析边频带的结构。例：一对啮合齿轮的转频分别为fr1、fr2 ( fr1fr2)，所以在边频带中可能会出现两种间隔fr1、fr2，通过细分可以分辨出这样的频率。 5.1 5.1 功率谱分析功率谱分析通过细化谱提高频率分辨率，识别边频带通过细化谱提高频率分辨率，识别边频带 2) 2) 边频带分析（细化谱）边频带分析（细化谱）5.2 5.2 倒谱分析倒谱分析 倒谱的主要优点：倒谱的主要优点： 倒谱能较好地检测出功率谱上的周期成分； 受传递途径的影响小； 在倒谱图上，代表齿数调制程度的幅值不受不稳定性的影响 由于倒谱的上述优点，在齿轮装置的故障诊断中常用倒谱分析方法提取信号中的周期成

31、分识别齿轮的故障(例偏心等)。5.2 5.2 倒谱分析倒谱分析例1：齿轮箱振动信号分析(a)(a) 齿轮箱振动信号频谱，频率为：齿轮箱振动信号频谱，频率为：0 020kHz20kHz，谱线数，谱线数400400；(b) (b) 对对(a)(a)中中3.53.513.5kHz13.5kHz频段内细化至频段内细化至20002000谱线的频谱；谱线的频谱；(c) (c) 将图将图(b)(b)中中7.57.59.5kHz9.5kHz横向放大得到的频谱；横向放大得到的频谱；(d) (d) 由图由图(b)(b)得到的倒谱。得到的倒谱。1啮合频率；2、3啮合频率的高次谐波；A1、A2、周期11.5ms(对应

32、齿轮旋转频率85Hz)的谐波；B1、B2、周期20ms(对应齿轮旋转频率50Hz)的谐波。 5.2 5.2 倒谱分析倒谱分析例2：倒谱对信号源与系统传递特性影响的分离 (b)(b)倒谱图倒谱图 (a)(a)对数功率谱图对数功率谱图5.2 5.2 倒谱分析倒谱分析例3：故障信息在功率谱与倒谱中的比较 5.2 5.2 倒谱分析倒谱分析齿轮四种状态的频谱与细化谱原始信号的频谱倒谱5.3 5.3 细化谱分析细化谱分析 在齿轮箱故障诊断中，当齿轮、滚动轴承或轴发生集中或分布性故障时，在频谱图上一般都会出现以齿轮的啮合频率、齿轮固有频率或滚动轴承内外环固有频率为中心频率，以齿轮所在轴的转频或滚动轴承通过频

33、率为调制频率的调制边频带。 一般调制信号的中心频率较高，而调制频率较低，要分析调制边频带的细微结构可采用细化谱分析。 窄带谱的频率细化，或称局部频谱的放大，能使某些感兴趣频率的重点频区得到较高的分辨率。 5.3 5.3 细化谱分析细化谱分析窄带谱的频率细化 5.3 5.3 细化谱分析细化谱分析原始信号的频谱细化谱齿轮四种状态的频谱与细化谱5.4 5.4 时域分析时域分析 1) 1) 时域平均时域平均 时域平均的实现及注意问题： 多次平均：保留齿轮回转频率及其各阶倍频成分，逐渐消除噪声分量。 在齿轮传动过程中，需对若干个齿轮逐个诊断时，可先将时标信号延伸或压缩，按不同的周期来作时域平均，可得到代

34、表不同齿轮状态的振动信号。5.4 5.4 时域分析时域分析续：时域平均的实现及注意问题 当齿轮转速不均匀时，会对时域平均结果有影响。 为消除转速不均匀对平均结果的影响，可采用锁相技术实现外触发，外时钟采样实现等角度整周期采样等角度整周期采样，可使采样后每一点与齿轮的啮合位置建立一一对应的关系。 5.4 5.4 时域分析时域分析齿轮在各种状态下的时域平均信号 转速波动对时域平均的影响 (a) 正常齿轮的时域平均信号， (a)转速均匀， (b) 齿轮安装对中不良的时域平均信号， (b)转速飘移， (c) 齿轮齿面严重磨损时的时域平均信号， (c)转速颤抖 。 (d) 齿轮局部剥落的时域平均信号。5

35、.4 5.4 时域分析时域分析2) )其它方法其它方法 (1) 残差法残差的实质是齿轮时域平均后的信号与常规振动之差。常规振动：残差小故障振动：残差大 5.4 5.4 时域分析时域分析齿轮的常规振动成分 5.4 5.4 时域分析时域分析齿轮振动时域平均信号常规振动信号残差信号残差平方信号信号的残差分析(1) 残差法5.4 5.4 时域分析时域分析(2) 解调分析法解调分析法 齿轮故障频率特征为：啮合频率及高次谐波均布故障 频谱与倒谱分析是通过边频识别故障。解调分析是直接分析调制函数在齿轮故障影响下的变化。 5.5 5.5 齿轮传动链的故障诊断齿轮传动链的故障诊断齿轮传动链故障诊断的实施步骤：(

36、1)了解齿轮传动链异常症状所呈现的状态量，根据状态量选择合适的传感器；(2) 根据检测的故障信息作简易诊断；(3)了解齿轮传动装置结构，计算各轴的回转频率、各齿轮副的啮合频率、轴承的特征频率作为谱分析中的参考依据；5.5 5.5 齿轮传动链的故障诊断齿轮传动链的故障诊断齿轮传动链故障诊断的实施步骤：(4)根据啮合频率选择合适的采样频率及采样长度，对经预处理后的信号进行采集，同时采集时标信号；(5)选择合适的方法对信号进行处理；(6)比较实测谱峰频率与计算频率，结合齿轮装置的结构、工艺等寻找故障源。五五. .齿轮故障诊断中应注意的几个问题齿轮故障诊断中应注意的几个问题 1. 测点选择：一般选择在轴承座，对高速增速器轴承座在机罩内部，此时选轴承座附加刚性好的部位；2. 测量参数的选择：齿轮装置振动频率范围较宽，有1000Hz的高频；3. 采样参数的确定；4. 分析判断方法的选择；5. 传感器的安装。六六 齿轮箱故障诊断实例分析齿轮箱故障诊断实例分析 一一.搅拌机齿轮箱振动信号分析搅拌机齿轮箱振动信