chap5-齿轮和滚珠轴承故障诊断

第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断齿轮故障诊断

齿轮常见故障

齿轮振动故障的诊断滚珠故障诊断

滚珠轴承的故障形式与原因

滚动轴承故障的监测方法

滚动轴承振动故障的诊断2/1/20231工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断齿轮是最常见的机械传动零件，具有结构紧凑，效率高，寿命长，工作可靠，理论传动比恒定不变和维护方便等优点。主要缺点：不能缓和冲击作用。当制造不精确，材质不良，热处理不当，使用条件恶劣，安装不正确时，往往会引起较大的振动、噪声和断裂等故障。齿轮副多数安装在齿轮箱内，在大型旋转机械中，既有减速用的齿轮箱，又有增速用的齿轮箱，它的工作状态好坏直接关系到整个机组能否正常运行，因此，要提高对机组的运行维护水平，需要重视对齿轮和齿轮箱的状态监测和故障诊断。在齿轮箱中，齿轮本身产生的故障比例最大，故障率达60%，其余零件中的故障率为：轴承占19%，轴占10%，箱体占7%，紧固件占3%，油封占1%。而从引起故障原因上分析，属于维护、操作不当又占了最大比重。5.1齿轮常见故障

2/1/20232工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断齿的断裂：在运行过程中承受载荷的轮齿，如同悬臂梁，其根部收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，并逐步扩展。当剩余部分无法承传动在何时就会发生断齿现象。齿面疲劳：

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裙环变化的剪应力，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，在齿面上形成小坑．称之为点蚀。当“点蚀”扩大连成片时，形成齿面上金属块剥落。此外，村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。5.1齿轮常见故障

2/1/20233工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断齿面磨损：

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，才会在运行中引起齿面磨粒磨损。齿面胶合和擦伤：

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，一个齿面的金同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。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，使齿轮拣伤。5.1齿轮常见故障

2/1/20234工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断

齿轮传动系统作为一个弹性的机械系统，在动态激励力的作用下将产生振动响应。右图所示为一对齿轮的力学模型。如不考虑齿面摩擦力的影响，将振动系统作为线性系统来考虑时，其力的平衡式为：5.2齿轮故障的振动机理

式中:x—在齿面接触力作用下沿作用线产生的齿轮相对位移；M—齿轮副的等效质量，M=

m1为小量齿轮等效质量；m2为大齿轮等效质；C—齿轮啮合阻尼；K(t)—齿轮啮合刚度，啮合刚度随时间t变化；δ1—齿轮受载后的平均弹性变形；δ2—齿轮传动误差和故障激励所引起两齿轮间的相对位移。5.2.1齿轮传动的动态激励2/1/20235工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.2齿轮故障的振动机理

故障激励:

刚度激励：

一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一轮齿的刚度发生了变化，二是参加啮合的齿数在变化。传动误差：制造误差，装配误差，齿面损伤，外部激励。啮合冲击节线冲击5.2.1齿轮传动的动态激励2/1/20236工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.2齿轮故障的振动机理

齿轮工作过程中的故障信号频率基本上表现为两部分：一部分为齿轮啮合频率及其谐波构成的载波信号；另一部分为低频成分的幅值和相位变化所构成的调制信号。调制信号包括了幅值调制和频率调制。5.2.2齿轮故障的特征信息齿轮啮合频率：fm=f1·z1=f2·z2式中f1、f2——主动轮和从动轮的转速频率；

z1、z2——主动轮和从动轮的齿数。啮合频率及其谐波

齿轮啮合情况良好，产生的啮合频率及其谐波具有较低的幅值。轮齿的啮合状况变坏，啮合频率的谐波成分幅值就会明显增大。一般是磨损、间隙和游隙过大等故障。frfm2fm

3fm

4fmf2/1/20237工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.2齿轮故障的振动机理

5.2.2齿轮故障的特征信息齿轮中各种故障在运行中具体反映为一个传动误差问题，传动误差大，则齿轮在传动中发生忽快忽慢转动，并且在进入和脱离啮合时的碰撞加剧，产生较高的振动峰值，形成短暂时间的幅值变化和相位变化。把齿轮的啮合频率及其各次谐波看作为一个高频振荡的载波信号，而那些周期性出现的故障信号可看作调制信号。不同故障产生不同的调制形式，引起幅值变化的产生幅值调制，引起频率或相位变化的产生频率调制。信号调制和边带分析

2/1/20238工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.2齿轮故障的振动机理

5.2.2齿轮故障的特征信息幅值调制载波信号调制信号幅值调制后的信号齿面上载荷波动、节圆中心的偏心等因素均可产生扭矩的周期性变化，这些因素反映在轮齿上是周期性的啮合力变化，时而“加载”，时而“卸载”，形成了幅值调制效应。幅值调制就是一种调幅波，振荡波形周期性地高低起伏，其中频率较高的啮合频率fm称为载波频率；频率较低的故障信号频率fr称为调制频率。齿轮旋转一周，故障信号重复一次frfrfm2/1/20239工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.2齿轮故障的振动机理

5.2.2齿轮故障的特征信息频率调制齿轮的转速波动，因加工中分度误差而导致齿距不均匀，轮齿产生周期性的周节误差，齿轮轴偏心引起啮合速率的变化，周期性扭矩（负荷）变化引起的速度变化等因素均可引起频率调制现象。在齿轮实际故障中，调幅与调频两种现象可能同时存在，形成交叉调制成分。由于幅值调制和频率调制具有载波频率相等、边带间隔均为齿轮的转速频率，以及边带对称分布于载波频率两侧的共同特点，因此调频与调幅综合影响的结果，在频谱图上得到啮合频率及其谐波的两侧具有一系列边频。

tr=1/frfmfr

2/1/202310工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.2.3齿轮故障信号的频域特征齿轮均匀性磨损、齿轮径向间隙过大、不适当的齿轮游隙以及齿轮负荷过大等故障。

5.2齿轮故障的振动机理

frfm2fm

3fm

4fmf齿面剥落、裂纹以及齿的断裂等局部性故障。齿的断裂或裂纹，每当轮齿进入啮合时就产生一个冲击信号，这种冲击可激起齿轮系统的一阶或几阶自振频率。但是，齿轮固有频率一般都为高频（约在1~10kHz范围内）。

2/1/202311工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断齿轮故障诊断的基本方法是利用振动信号在频域和时域内诊断。在频域上诊断主要是提取边频特征信息，常用的方法有：5.3齿轮故障的诊断方法

细化谱分析法细化谱（ZOOM—FFT）是用来增加频谱中某些有限频段上的分辨能力，即所谓“局部频率扩展”方法。通常标准频谱，在谱图上的频率是从零赫兹到最高分析频率。细化分析，分辨以啮合频率为中心，两边分布着以故障特征频率为间隔的边频带

2/1/202312工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.3齿轮故障的诊断方法

实例1齿轮减速装置的断齿诊断美国孟山都（Monsanto）石油化工公司的一台齿轮减速箱。如图5-21所示，输入轴转速为1200r/min，输出轴转速为52.7r/min，中间经二级减速。在输入高速轴一端产生很高幅度的振动。2/1/202313工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.3齿轮故障的诊断方法

实例1齿轮减速装置的断齿诊断

停机后打开齿轮箱观察，证明小齿轮的一齿断裂。

2/1/202314工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.3齿轮故障的诊断方法

倒频谱分析法倒频谱（Cepstrum）的定义是功率谱对数的功率谱（傅里叶逆变换），即把时间信号x(t)的功率谱函数G(f)取对数，再进行傅里叶变换。把周期性的频率结构在倒频谱上变为单根谱线及其高阶谱线。

（2000谱线）（400谱线）（图b的倒谱图）1-啮合频率；2,3-高次谐波；A1~A3…周期为11.8ms谐波；B1~B3…周期为20ms谐波

倒频谱的优点：1.有效地提取和识别频谱上的周期性信号；2.受传递途径影响小。

2/1/202315工业装备故障诊断技术

滚动轴承因其摩擦系数小；运转精度高；对润滑剂的粘度不敏感，大多数滚动轴承可使用润滑脂，不需要像滑动轴承那样一套复杂的供油系统；在低速下也能承受载荷，因而适宜于在使用条件有变化和可靠性要求高的场合下工作；大多数类型的轴承能承受径向和轴向负荷；更重要的是滚动轴承产品已国际标准化，易于大批量生产，成本低廉，互换性好。它的缺点是承受冲击的能力差，在冲击载荷下容易发生故障；此外，滚动轴承在滚动体上的载荷分布是不均匀的，在载荷线下面的一个滚动体受力最大，因此轴承工作时，内圈和外圈上各点所受的应力和应力循环次数是不同的，这些对轴承的损坏都有很大影响。第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4滚动轴承故障诊断

旋转机械是设备状态监测与故障诊断工作的重点，而旋转机械的故障有相当大比例与轴承有关。滚动轴承是机器的易损件之一，据不完全统计，旋转机械的故障约有30％是因滚动轴承引起的，由此可见滚动轴承故障诊断工作的重要性。2/1/202316工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4滚动轴承故障诊断

滚动轴承的典型结构2/1/202317工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4滚动轴承故障诊断

疲劳剥落（点蚀）滚动体在滚道上由于反复承受载荷，工作到一定时间后，首先在接触表面一定深度处形成裂纹（该处的剪应力最大），然后逐渐发展到接触表面，5.4.1滚动轴承的主要故障形式磨损或擦伤滚动体与滚道之间的相对运动以及外界污物的侵入，是轴承工作面产生磨损的直接原因。润滑不良，装配不正确均会加剧磨损或擦伤。磨损量较大时，轴承游隙增大，不仅降低了轴承的运转精度，也会带来机器的振动和噪声，对于精密机械用的轴承，磨损量就成为限定轴承使用寿命的主要因素。

2/1/202318工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4滚动轴承故障诊断

5.4.1滚动轴承的主要故障形式锈蚀和电蚀锈蚀是由于空气中或外界的水分带入轴承中，或者机器在腐蚀性介质中工作，轴承密封不严，从而引起化学腐蚀。锈蚀产生的锈斑使轴承工作表面产生早期剥落，而端面生锈则会引起保持架磨损。电蚀主要是转子带电，在一定条件下，电流击穿油膜而形成电火花放电，使轴承工作表面形成密集的电流凹坑。断裂轴承零件的裂纹和断裂是最危险的一种损坏形式，这主要是由于轴承超负荷运行、金属材料有缺陷和热处理不良所引起的。转速过高，润滑不良，轴承在轴上压配过盈量太大以及过大的热应力会引起裂纹和断裂。

2/1/202319工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4滚动轴承故障诊断

5.4.2滚动轴承故障的检测方法滚动轴承虽然结构简单，但是损伤形态却是多种多样，振动信号的频带非常宽广，大量机器的噪声使一般检测装置很难直接找出它的故障特征频率。

检测方法损伤现象振动和声音温度磨损颗粒轴承间隙油膜电阻剥落○×○××裂纹○×△××压痕○××××磨损○△○○○腐蚀○△○○○污斑○×○×○烧伤○○××○生锈△×○××可否在转动中测定可以可以不可以不可以可以*检测方法的适用性：○—有效；△—有可能性；×—不适用。2/1/202320工业装备故障诊断技术

当滚动体和滚道接触处遇到一个局部缺陷时，就有一个冲击信号产生。缺陷在不同元件上，接触点经过缺陷的频率是不相同的，这个频率就称为冲击的间隔频率或特征频率。第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4滚动轴承故障诊断

5.4.2滚动轴承故障缺陷产生的间隔频率缺陷位置冲击振动发生的间隔频率[Hz]备注内圈Z个滚动体通过内圈上一处缺陷的频率外圈Z个滚动体通过外圈上一处缺陷的频率滚动体冲击单侧滚道即滚动体的自转频率冲击两侧滚道滚动体上一处缺陷冲击内、外圈滚道的频率保持架与外圈摩擦即保持架的转速频率fc保持架与内圈摩擦亦即一个滚动体通过内圈上某一点的频率2/1/202321工业装备故障诊断技术轴承弹性特性引起的振动

轴承弹性特性除了引起套圈振动之外，滚动体也会像一个“弹簧”那样产生弹性变形，但是它的刚性很高，并且具有非线性弹簧的特性。振动频率有轴的转速频率f、高次谐波if和分数谐波（i=1，2，3…的正整数）。不过球轴承的弹性特性具有对称型的非线性，一般产生奇数倍转速频率f的谐波振动。

第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4滚动轴承故障诊断

5.4.3滚动轴承故障的振动诊断滚动体通过载荷方向产生的振动激励频率：fe=zfc

套圈的固有振动套圈的固有振动主要表现在外圈上，因为一般轴承中外圈与轴承壳体为动配合，外圈在壳体内可以自由活动，因此轴承上受到任何冲击性的激励力，均可激起外圈产生固有频率的振动。

2/1/202322工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4滚动轴承故障诊断

5.4.3滚动轴承故障的振动诊断方法振动频率“窗口”的选择

滚动轴承存在故障时，由故障所引发的激振力可以分成三种类型。

第一类是由于磨损、腐蚀、润滑不良和混入异物等原因而产生表面粗糙样的损伤，使接触表面的凹凸不平度变大，轴承工作时，将以宽频带的随机激励连续地激发轴承振动，激励力的波形是随机的，杂乱无章的。

第二类是由于剥落、压痕、裂纹等局部缺陷所引起的冲击性激励，滚动体每经过缺陷处一次，产生一次冲击，激励力为尖峰形的脉冲波，脉冲波的强度取决于表面损伤的程度。

第三类是由于滚道面几何形状偏差（如内外圈波纹，滚动体不圆）、滚动体大小不均匀、内圈和外圈偏心、轴颈装配偏斜等原因所产生的激励，这一类激励是稳态的，基本上呈正弦波形状。

2/1/202323工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4滚动轴承故障诊断

5.4.3滚动轴承故障的振动诊断方法振动频率“窗口”的选择

故障的轴承，往往同时存在几种激励力。

ABC2/1/202324工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4滚动轴承故障诊断

5.4.3滚动轴承故障的振动诊断方法传感器及其安装位置的选择

轴承在运转时，滚道接触面上的高低不平和局部缺陷所产生的的冲击性振动，将以压缩波的形式从接触点出发呈半球形波面向外传播。传感器安装位置应选择在对检测冲击脉冲信号较高灵敏度的区域，且不越过界面。径向轴承止推轴承2/1/202325工业装备故障诊断技术第5章齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4滚动轴承故障诊断

5.4.3滚动轴承故障的振动诊断方法传感器及其安装位置的选择

根据滚动袖承的结构特点，使用条件不同，它所引起的振动可能是频率约为1kHz以下的低频脉动（通过振动），也可能是频率在1kHz以上，数千赫兹至数十千赫的高频振动（固有振动），通