齿轮故障诊断 2

1、齿轮故障诊断2013-9-22齿轮故障诊断章节案例分析案例分析总结与展望总结与展望齿轮故障诊断技术发展与现状齿轮故障诊断技术发展与现状齿轮故障诊断技术齿轮故障诊断技术齿轮故障分析齿轮故障分析 一、发展与研究现状 1 1、国外、国外齿轮故障诊断始于七十年代初，早期的齿轮故齿轮故障诊断始于七十年代初，早期的齿轮故障诊断仅限于在旋转式机械上测量一些简单的振动参数，障诊断仅限于在旋转式机械上测量一些简单的振动参数，用一些简单的方法进行诊断。这些简单的参数和诊断方法用一些简单的方法进行诊断。这些简单的参数和诊断方法对齿轮故障诊断反应灵敏度较低，根本无法准确判断发生对齿轮故障诊断反应灵敏度较低，根本无法准

2、确判断发生故障的部位。七十年代末到八十年代中期，旋转式机械中故障的部位。七十年代末到八十年代中期，旋转式机械中齿轮故障诊断的频域法发展很快，其中齿轮故障诊断的频域法发展很快，其中R.B.RandallR.B.Randall和和ames1.Taylorames1.Taylor等人做好了许多有益的工作，积累了不少故等人做好了许多有益的工作，积累了不少故障诊断的成功实例，出现了一些较好的频域分析方法，对障诊断的成功实例，出现了一些较好的频域分析方法，对齿轮磨损和齿根断裂等故障诊断较为成功。进入九十年代齿轮磨损和齿根断裂等故障诊断较为成功。进入九十年代以后以后, ,神经网络、模糊推理和网络技术的发展和

3、融合使得齿神经网络、模糊推理和网络技术的发展和融合使得齿轮系统故障诊断进入了蓬勃发展的时期。轮系统故障诊断进入了蓬勃发展的时期。发展发展 一、发展与研究现状 2 2、国内、国内我国学者在齿轮故障诊断研究方面我国学者在齿轮故障诊断研究方面也做了大量工作。也做了大量工作。19861986年年, ,屈梁生、何正嘉在机械屈梁生、何正嘉在机械故障诊断学中分析了齿轮故障的时频域特点。故障诊断学中分析了齿轮故障的时频域特点。19881988年年, ,颜玉玲、赵淳生对滚动轴承的振动监测及故障诊颜玉玲、赵淳生对滚动轴承的振动监测及故障诊断进行了分析。断进行了分析。19971997年年, ,郑州工业大学韩捷等在郑

4、州工业大学韩捷等在“齿齿轮故障的振动频谱机理研究轮故障的振动频谱机理研究”中对齿轮的故障机理做中对齿轮的故障机理做了探讨。西安交通大学张西宁等在了探讨。西安交通大学张西宁等在“齿轮状态监测和齿轮状态监测和识别方法的研究识别方法的研究”中提出了一种新方法即基于一致度中提出了一种新方法即基于一致度分析。分析。发展发展第二部分Electrical and MechanicalMy class one, our home2013-9-22齿轮故障诊断*二、二、齿轮故齿轮故障分析障分析弯曲疲弯曲疲劳折断劳折断过载过载折断折断胶合胶合塑性变形塑性变形点蚀点蚀齿面齿面磨损磨损 齿轮的主要齿轮的主要失效形式失

5、效形式11轮齿折断轮齿折断齿面损伤齿面损伤2013-9-222013-9-22齿轮故障诊断齿轮故障诊断1. 轮齿折断轮齿折断Fn现象现象: 一个齿或多个齿的整体或局部断裂。折断发生在齿根处。一个齿或多个齿的整体或局部断裂。折断发生在齿根处。原因：齿根弯曲应力大；齿根应力集中。原因：齿根弯曲应力大；齿根应力集中。措施：材料及热处理措施：材料及热处理增大模数增大模数增大齿根圆角半径增大齿根圆角半径消除刀痕、喷丸、滚压处理消除刀痕、喷丸、滚压处理增大轴及支承刚度增大轴及支承刚度(1) (1) 过载折断过载折断 由于短时、过大或受到冲击载荷。由于短时、过大或受到冲击载荷。无前兆，断裂处呈粗晶粒组织，一

6、般多无前兆，断裂处呈粗晶粒组织，一般多发生在事故中。发生在事故中。2013-9-222013-9-22齿轮故障诊断齿轮故障诊断1 1）折断机理：受到重复载荷后，齿）折断机理：受到重复载荷后，齿根处产生裂纹，并逐步扩展，当载荷根处产生裂纹，并逐步扩展，当载荷的循环次数达到一定时，致使轮齿折的循环次数达到一定时，致使轮齿折断。判断：断裂处分为光滑区和晶粒断。判断：断裂处分为光滑区和晶粒粗糟区。粗糟区。2 2）弯曲折断实例）弯曲折断实例(3) (3) 提高抗折断措施提高抗折断措施 增大齿根处的过度圆角，增大齿根处的过度圆角，光洁度光洁度 应力集中应力集中 支承及轴的刚度，使轮齿接触线上受载较为均匀支

7、承及轴的刚度，使轮齿接触线上受载较为均匀 增大轮芯的韧性，增大轮芯的韧性，抗弯能力抗弯能力 载齿根处施加适当的强化措施，使表面产生残余压载齿根处施加适当的强化措施，使表面产生残余压应力，不易产生裂纹应力，不易产生裂纹(2) (2) 弯曲疲劳折断弯曲疲劳折断2013-9-222013-9-22齿轮故障诊断齿轮故障诊断(1) 磨损磨损磨料磨损：磨料磨损：研磨磨损研磨磨损：外界的硬屑粒进入啮合面，多发生在开外界的硬屑粒进入啮合面，多发生在开式传动。式传动。啮合面间的相互摩擦，由于齿轮啮合时啮合面间的相互摩擦，由于齿轮啮合时除节点外，其他部分均存在相对滑动除节点外，其他部分均存在相对滑动。2) 磨损实

8、例磨损实例1) 分类分类2. 轮齿表面的失效轮齿表面的失效2013-9-222013-9-22齿轮故障诊断齿轮故障诊断主动被动4) 措施措施开式改闭式传动开式改闭式传动加润滑油并常更换加润滑油并常更换齿面硬度齿面硬度采用适当的组合材料采用适当的组合材料3) 原因原因：相对滑动：相对滑动齿面的磨损量与齿面的相齿面的磨损量与齿面的相对滑动量成正比，由于齿对滑动量成正比，由于齿面上不同位置处的相对滑面上不同位置处的相对滑动量不同，所以磨损量也动量不同，所以磨损量也不同。不同。(1) 磨损磨损齿面不均匀磨损，使磨损后齿形齿面不均匀磨损，使磨损后齿形发生变化，不再满足恒定传动比发生变化，不再满足恒定传动

9、比传动条件，造成传动比不稳定，传动条件，造成传动比不稳定，引起附加动载荷。齿面磨损使齿引起附加动载荷。齿面磨损使齿厚减薄，使齿根的抗弯曲疲劳强厚减薄，使齿根的抗弯曲疲劳强度降低，并使齿轮最终表现为齿度降低，并使齿轮最终表现为齿根减薄后的弯曲疲劳折断。根减薄后的弯曲疲劳折断。2013-9-222013-9-22齿轮故障诊断齿轮故障诊断 齿面材料在变化着的接触齿面材料在变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象。生的麻点状损伤现象。1）点蚀机理）点蚀机理 由于交变的接触应力作由于交变的接触应力作用产生疲劳裂纹，而当润滑用产生疲劳裂纹，而当润滑油进入裂纹时，由于是

10、压力油进入裂纹时，由于是压力油，又会使裂纹扩展，最后油，又会使裂纹扩展，最后形成片状脱落。形成片状脱落。2）现象：）现象： 点蚀发生的部位一般发点蚀发生的部位一般发生在靠近节线的齿根面上。生在靠近节线的齿根面上。(2) 点蚀点蚀2013-9-222013-9-22齿轮故障诊断齿轮故障诊断(2) 点蚀点蚀节点附近，相对滑动速度小，节点附近，相对滑动速度小，不利于油膜形成，润滑不良，不利于油膜形成，润滑不良，摩擦力大；摩擦力大；特别是直齿轮，节点附近为单特别是直齿轮，节点附近为单齿啮合区，轮齿受力最大；齿啮合区，轮齿受力最大；两轮齿齿根部，相对速度过大，两轮齿齿根部，相对速度过大，故向齿根扩展。故

11、向齿根扩展。3) 原因原因4）措施）措施表面硬度，以表面硬度，以轮齿抗点蚀能力；轮齿抗点蚀能力；加润滑油，以加润滑油，以 Ff，并且并且油的粘度，不易侵入裂纹；油的粘度，不易侵入裂纹；采用变位齿轮采用变位齿轮(增大综合曲率半径增大综合曲率半径 )， H；表面光洁度，表面光洁度， 应力集中源。应力集中源。2013-9-222013-9-22齿轮故障诊断齿轮故障诊断 相相啮合的齿面在高速、重载下，啮合的齿面在高速、重载下，使金属从齿面撕落而引起的一种严使金属从齿面撕落而引起的一种严重粘着磨损现象。重粘着磨损现象。(3) 胶合胶合1）原因）原因 高速重载齿轮传动，齿面间的高速重载齿轮传动，齿面间的压

12、力大，瞬时温度高，润滑差，两压力大，瞬时温度高，润滑差，两齿面会粘在一起，同时，两齿面又齿面会粘在一起，同时，两齿面又存在相对运动，因此粘住的地方被存在相对运动，因此粘住的地方被撕裂，形成伤痕。较软的被较硬的撕裂，形成伤痕。较软的被较硬的撕下；齿面越软，越易发生胶合。撕下；齿面越软，越易发生胶合。2013-9-222013-9-22齿轮故障诊断齿轮故障诊断(3) 胶合胶合2）措施）措施 采用角变位齿轮，降低齿高；采用角变位齿轮，降低齿高；以以滑动系数；滑动系数； 采用小模数，以采用小模数，以相对滑动相对滑动速度；速度； 采用抗胶合好的润滑油、齿采用抗胶合好的润滑油、齿轮副材料轮副材料( (相同

13、的材料胶合的相同的材料胶合的可能性大可能性大) )、专门的添加剂；、专门的添加剂； 光洁度，以光洁度，以F Ff f ； 材料的硬度及配对。材料的硬度及配对。2013-9-222013-9-22齿轮故障诊断齿轮故障诊断 齿轮传动时，由于齿齿轮传动时，由于齿轮材料较软，则在过大轮材料较软，则在过大应力作用下，齿面材料应力作用下，齿面材料因屈服产生塑性流动，因屈服产生塑性流动，而形成齿面的塑性变形。而形成齿面的塑性变形。(4) 塑性变塑性变形形从动轮从动轮主动轮主动轮2013-9-222013-9-22齿轮故障诊断齿轮故障诊断被动相对滑动方向主动(4) 塑性变形塑性变形2) 措施措施齿面硬度，齿面

14、硬度，减小接触应力，减小接触应力，塑变；塑变；油的粘度，以利于油膜形成，改善润滑，油的粘度，以利于油膜形成，改善润滑，Ff。1) 形成机理：重载，齿面软。形成机理：重载，齿面软。主动轮：主动轮：Ff背离节线，齿面产生凹沟；背离节线，齿面产生凹沟；从动轮：从动轮：Ff朝着节线，齿面产生凸棱。朝着节线，齿面产生凸棱。2013-9-222013-9-22齿轮故障诊断齿轮故障诊断被 动相 对 滑 动 方 向主 动主 动被 动弯曲折断弯曲折断点蚀点蚀胶合胶合磨损磨损塑性变形塑性变形齿轮主要失效形式总结齿轮主要失效形式总结。现象与原因？现象与原因？改进措施？改进措施？2013-9-22齿轮故障诊断制造误差

15、装配不良超载和操作失误润滑不良齿轮故障的原因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 。齿轮故障的原因2a)制造误差 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（一般为旋转体）的几何中心和旋转中心不重合，齿距偏差是指齿轮的实际齿距与公称齿距有较大误差，而齿形误差是指渐开线齿廓有误差。 b)装配不良 齿轮装配不当会造成工作状态劣化。当一对互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，不能平稳地传递动扭矩，这种情况称为“一端接触”，会使齿的局部承受过大的载荷，有可能造成断

16、齿。 c)润滑不良 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、胶合等故障。原因：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 d)超载 提对于工作负荷不平稳的齿轮驱动装置（例如矿石破碎机、采掘机等），经常会出现过载现象，容易造成轮齿过载断裂，或者长期过载导致大量轮齿根部疲劳裂纹、断裂。操作失误 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。 2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断齿轮的振动机理与信号特征齿轮的振动机理与信号特征31. 齿轮传动的动态激励齿轮传动的动态激励一对齿轮的力学模型一对齿轮的力学模型)()(21tKxtKxCxM x

17、在齿面接触力作用下沿作用线产生的齿轮相对位移在齿面接触力作用下沿作用线产生的齿轮相对位移M齿轮副的等效质量齿轮副的等效质量C齿轮啮合阻尼齿轮啮合阻尼 K(t)齿轮啮合刚度，随时间齿轮啮合刚度，随时间t变化变化2121mmmmM齿轮受载后的平均弹性变形齿轮受载后的平均弹性变形 齿轮传动误差和故障激励所引起两齿轮间的相对位移。齿轮传动误差和故障激励所引起两齿轮间的相对位移。122013-9-222/4/2022齿轮故障诊断1.齿轮传动的动态激励齿轮传动的动态激励)()(21tKxtKxCxM 激励源由两部分组成：激励源由两部分组成： 称为称为常规啮合激励常规啮合激励，也即无故，也即无故障的正常齿轮

18、在啮合过程中也会产生的向量振动。障的正常齿轮在啮合过程中也会产生的向量振动。 是由是由系统的系统的内部激励内部激励和和外部激励外部激励产生的，齿轮故障振动主要由这部产生的，齿轮故障振动主要由这部分激励引起，所以也称为齿轮的分激励引起，所以也称为齿轮的“故障函数故障函数”。 内部激励内部激励是指轮齿在啮合过程中由于是指轮齿在啮合过程中由于缺陷或故障缺陷或故障产生的激励产生的激励。如齿轮由于制造不精确、装配质量低产生的轮齿周节误差、。如齿轮由于制造不精确、装配质量低产生的轮齿周节误差、齿形误差、齿轮偏心、质量不平衡、轴线不对中等故障，还有齿形误差、齿轮偏心、质量不平衡、轴线不对中等故障，还有运行中

19、产生的齿面疲劳、擦伤、磨损和断裂等故障带给齿轮的运行中产生的齿面疲劳、擦伤、磨损和断裂等故障带给齿轮的激励。激励。 外部激励外部激励则与齿轮本身问题无关，是齿轮则与齿轮本身问题无关，是齿轮外部输入的激励外部输入的激励，但也影响到齿轮的振动情况。例如滚动轴承故障的传递、负载但也影响到齿轮的振动情况。例如滚动轴承故障的传递、负载力矩波动、摩擦离合器发生的摩擦激励等。力矩波动、摩擦离合器发生的摩擦激励等。1)(tK2)(tK2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断2. 齿轮故障的特征信息齿轮故障的特征信息 齿轮的振动是由齿轮的振动是由内部激励内部激励和和外部激励外部激励联合作用产生的。联合作用

20、产生的。 正常运转的无故障齿轮，也会受到正常运转的无故障齿轮，也会受到啮合刚度啮合刚度周期性变化的周期性变化的激励，这种由于参数变化而引起的振动称为激励，这种由于参数变化而引起的振动称为“参数激励参数激励”。 正常的直齿齿轮，其正常的直齿齿轮，其啮合冲击啮合冲击和和节线冲击节线冲击是微不足道的，是微不足道的，而在斜齿轮上这些影响几乎不存在。但是当齿轮出现故障时而在斜齿轮上这些影响几乎不存在。但是当齿轮出现故障时，将反映出，将反映出传动误差传动误差加大，引起齿轮的振动。加大，引起齿轮的振动。 齿轮旋转质量不平衡、齿轮偏心、松动、齿面裂纹、断齿齿轮旋转质量不平衡、齿轮偏心、松动、齿面裂纹、断齿等故

21、障将影响到等故障将影响到传动误差传动误差的的长周期长周期成分（即与成分（即与转速频率转速频率有关有关的成分）；齿面发生磨损、胶合、点蚀等的成分）；齿面发生磨损、胶合、点蚀等分布性故障分布性故障将使传将使传动误差的动误差的短周期短周期成分加大，影响到齿轮成分加大，影响到齿轮啮合频率啮合频率及其谐波成及其谐波成分的幅值。分的幅值。2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断2. 齿轮故障的特征信息齿轮故障的特征信息 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：一部分为齿轮为齿轮啮合频率啮合频率及其谐波构成的及其谐波构成的载波信号载波信号，

22、另一部分为，另一部分为低频低频成分成分的幅值和相位变化所构成的的幅值和相位变化所构成的调制信号调制信号。调制信号包括了幅值调制。调制信号包括了幅值调制和频率调制。和频率调制。 从频域和时域上观察，齿轮的主要特征成分有：从频域和时域上观察，齿轮的主要特征成分有：1）啮合频率啮合频率及其谐波成分。及其谐波成分。2）幅值调制和频率调制所形成的）幅值调制和频率调制所形成的边频带边频带。3）由齿轮转速频率的低次谐波所构成的）由齿轮转速频率的低次谐波所构成的附加脉冲附加脉冲。4）由齿轮加工误差形成的）由齿轮加工误差形成的隐含成分隐含成分。2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断2.1 啮合频率及其谐

23、波啮合频率及其谐波4 齿轮在啮合过程中，啮合齿上的齿轮在啮合过程中，啮合齿上的载荷和刚度载荷和刚度是随时间而变化的是随时间而变化的，这种变化就会产生，这种变化就会产生啮合频率的振动啮合频率的振动（啮合振动）。（啮合振动）。 传动误差、啮合冲击、节线冲击传动误差、啮合冲击、节线冲击等问题也会使齿轮在啮合过程等问题也会使齿轮在啮合过程中发生中发生啮合频率的振动啮合频率的振动。 转轴中心固定的齿轮，其啮合频率为：转轴中心固定的齿轮，其啮合频率为：2211zfzffm正常齿轮的啮合频率波形正常齿轮的啮合频率波形 、 主动轮和主动轮和从动轮的转速频率从动轮的转速频率 、 主动轮主动轮和从动轮的齿数和从动

24、轮的齿数1f2f1z2z2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断2.1 啮合频率及其谐波啮合频率及其谐波 齿轮表面发生齿轮表面发生均匀性磨损均匀性磨损，将引起啮合频率及其各次谐波将引起啮合频率及其各次谐波幅值的变化。啮合频率的高次幅值的变化。啮合频率的高次谐波增长得比基波还快。磨损谐波增长得比基波还快。磨损厉害时，二次谐波幅值可能超厉害时，二次谐波幅值可能超过啮合基波。过啮合基波。 从从啮合基频及其谐波啮合基频及其谐波幅值的幅值的相对增长量相对增长量上可以反映出齿轮上可以反映出齿轮表面的表面的磨损程度磨损程度。齿面磨损前后的啮合频率及其齿面磨损前后的啮合频率及其谐波幅值变化（实线为磨损前

25、谐波幅值变化（实线为磨损前，虚线为磨损后），虚线为磨损后） 当齿面发生当齿面发生磨损磨损，或者，或者负荷增大负荷增大，齿轮，齿轮径向间隙径向间隙过大以及齿过大以及齿轮轮游隙不适当游隙不适当等原因所引起的故障时，由于轮齿的啮合状况变等原因所引起的故障时，由于轮齿的啮合状况变坏，啮合频率的坏，啮合频率的谐波成分幅值就会明显增大谐波成分幅值就会明显增大。2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断2.2信号调制和边频带分析信号调制和边频带分析 齿轮中各种故障在运行中具体反映为一个齿轮中各种故障在运行中具体反映为一个传动误差传动误差问题。问题。 传动误差大，则齿轮在传动中发生忽快忽慢的转动，并且在传

26、动误差大，则齿轮在传动中发生忽快忽慢的转动，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。暂时间的幅值变化和相位变化。 可把齿轮的可把齿轮的啮合频率啮合频率及其各次谐波看作一个高频振动的及其各次谐波看作一个高频振动的载波载波信号信号，而把那些周期性出现的，而把那些周期性出现的故障信号故障信号看作看作调制信号调制信号。 不同故障产生不同的调制形式，那些能引起幅值变化的产生不同故障产生不同的调制形式，那些能引起幅值变化的产生幅值调制幅值调制，能引起频率或相位变化的产生，能引起频率或相位变化的产生频率调制

27、频率调制。2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断2.2.1 幅值调制幅值调制 幅值调制幅值调制是由于传动系统是由于传动系统转矩的周期性变化转矩的周期性变化引起的。例如齿引起的。例如齿面上载荷波动、齿距的周期性变化、轮齿负载的灵敏度不同，面上载荷波动、齿距的周期性变化、轮齿负载的灵敏度不同，以及齿轮基圆或节圆中心与旋转中心之间的偏心等因素，均可以及齿轮基圆或节圆中心与旋转中心之间的偏心等因素，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啮合力变化合力变化，时而加载，时而卸载，形成，时而加载，时而卸载，形成幅值调制幅值调制。

28、 轮齿表面的轮齿表面的局部性缺陷局部性缺陷（如裂纹、断齿、剥落等）和（如裂纹、断齿、剥落等）和均布性均布性缺陷缺陷（如点蚀、划痕等）也会产生（如点蚀、划痕等）也会产生幅值调制幅值调制效应。效应。 幅值调制是一种幅值调制是一种调幅波调幅波，振荡波形周期性地高低起伏，其中，振荡波形周期性地高低起伏，其中频率较高的啮合频率频率较高的啮合频率 称为载波频率；频率较低的故障信号称为载波频率；频率较低的故障信号频率频率 称为调制频率。称为调制频率。齿轮旋转一周，故障信号重复一次齿轮旋转一周，故障信号重复一次，啮合频率的波形被齿轮的啮合频率的波形被齿轮的转速频率所调制转速频率所调制。mfrf2013-9-2

29、22/4/2022齿轮故障诊断 2.2.1 幅值调制幅值调制（a）载波信号）载波信号 （b）调制信号）调制信号 （c）幅值调制后的信号）幅值调制后的信号 2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断 2.2.1 幅值调制幅值调制式中，式中，A载波信号的振幅；载波信号的振幅；B调制指数；调制指数； 载波频率（啮合频率）；载波频率（啮合频率）； 调制波频率（齿轮旋转频调制波频率（齿轮旋转频率，每旋转一周，故障点产生一次冲击）；率，每旋转一周，故障点产生一次冲击）； 初相初相角。角。设代表啮合频率的载波信号为：设代表啮合频率的载波信号为：)2sin()(0tfAtgm代表齿轮旋转频率的调制信号为：

30、代表齿轮旋转频率的调制信号为：)2cos(1)(tfBter则调幅后的振动信号为：则调幅后的振动信号为：)2sin()2cos(1 )(0tftfBAtxmr将上式展开可得：将上式展开可得：mf0rf)(2sin2)(2sin2)2sin()(000tffABtffABtfAtxrmrmm2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断 2.2.1 幅值调制幅值调制多频率幅值调制频谱多频率幅值调制频谱2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断 2.2.1 幅值调制幅值调制 发生发生断齿断齿或或大的剥落大的剥落等等局部性缺陷局部性缺陷，当啮合点进入到缺陷处，当啮合点进入到缺陷处，齿轮就产生一个

31、冲击脉冲。由于脉冲信号可以分解为许多正弦分齿轮就产生一个冲击脉冲。由于脉冲信号可以分解为许多正弦分量之和，因此在频谱上形成以啮合频率为中心的一系列边频。其量之和，因此在频谱上形成以啮合频率为中心的一系列边频。其特点是边频数量较多，而且幅值较低，分布比较均匀平坦。特点是边频数量较多，而且幅值较低，分布比较均匀平坦。2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断 2.2.1 幅值调制幅值调制 齿轮上存在点蚀、划痕等齿轮上存在点蚀、划痕等分布比较均匀的缺陷分布比较均匀的缺陷，在时域上是，在时域上是一条幅度变化较小、脉动频率较低的包络线，在频谱上产生的一条幅度变化较小、脉动频率较低的包络线，在频谱上产

32、生的边频带特点是分布比较高而窄，而且幅值变化起伏较大。齿轮边频带特点是分布比较高而窄，而且幅值变化起伏较大。齿轮上的上的缺陷分布越均匀，频谱上的边频越高、越窄缺陷分布越均匀，频谱上的边频越高、越窄。2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断 2.2.2 频率调制频率调制 齿轮的转速波动、因加工中分度误差而导致齿轮的转速波动、因加工中分度误差而导致齿距不均匀齿距不均匀、轮、轮齿产生周期性的齿产生周期性的周节误差周节误差、齿轮轴偏心引起、齿轮轴偏心引起啮合速率啮合速率的变化、的变化、周期性转矩（负荷）变化引起的周期性转矩（负荷）变化引起的速度变化速度变化等因素均可引起频率等因素均可引起频率调制

33、现象。调制现象。 齿面压力波动，在产生调幅现象的同时，也会造成扭矩波动齿面压力波动，在产生调幅现象的同时，也会造成扭矩波动，导致，导致角速度角速度变化而形成频率调制。变化而形成频率调制。 由于齿轮作周期性的旋转，因此频率调制中的载波信号和调由于齿轮作周期性的旋转，因此频率调制中的载波信号和调制信号也为一周期性函数。制信号也为一周期性函数。2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断 2.2.2 频率调制频率调制若载波信号为：若载波信号为：调制信号为：调制信号为：频率调制可表示为：频率调制可表示为：)2sin(0tfAm)2sin(tfr)2sin(2sin)(0tftfAtxrm 式中，式中

34、， 频率调制指数，即调制产生的频率调制指数，即调制产生的最大相位最大相位移移； 最大频率偏差值，也就是齿轮的最大角速度波最大频率偏差值，也就是齿轮的最大角速度波动量；动量； 调制频率，即分度不均匀齿轮的转频。调制频率，即分度不均匀齿轮的转频。rfffrf.)2(2sin)(2)2(2sin)(2)(2sin)(2)(2sin)(2)2sin()(2)(0202010100tffJAtffJAtffJAtffJAtfJAtxrmrmrmrmm式中，式中， 以以为自变量的第为自变量的第n阶贝塞尔系数，阶贝塞尔系数，n=0,1,2,)(nJ2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断 2.2.2

35、频率调制频率调制频率调制频率调制 2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断 2.2.2 频率调制频率调制调频、调幅综合影响下的边频带调频、调幅综合影响下的边频带2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断 2.2.3 附加脉冲附加脉冲齿轮调幅信号中的附加脉冲齿轮调幅信号中的附加脉冲 齿轮载波的时域信号幅值齿轮载波的时域信号幅值上下两端的上下两端的包络线不对称包络线不对称，彼此差别很大，载波信号与彼此差别很大，载波信号与零线呈不对称形状，这往往零线呈不对称形状，这往往是由齿轮是由齿轮旋转频率的低次谐旋转频率的低次谐波波引起的，称为引起的，称为附加脉冲附加脉冲。 在频域上，调制效应产在频域

36、上，调制效应产生的是以啮合频率及其谐生的是以啮合频率及其谐波为中心的一些边频带族波为中心的一些边频带族，而附加脉冲是旋转频率，而附加脉冲是旋转频率的低次谐波，它在啮合频的低次谐波，它在啮合频率两边率两边并不形成边频带并不形成边频带。2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断 2.2.4 隐含成分隐含成分 隐含成分又称隐含成分又称“鬼线成分鬼线成分5”（Ghost Components）。）。 新的齿轮副在传动时，其频谱上除了新的齿轮副在传动时，其频谱上除了旋转频率旋转频率、啮合频率啮合频率及其及其边频成分之外，还会出现一些最初不明其来历的频率成分及其谐边频成分之外，还会出现一些最初不明其来

37、历的频率成分及其谐波，它们是由于波，它们是由于加工机床分度齿轮的误差加工机床分度齿轮的误差造成的。加工机床蜗轮造成的。加工机床蜗轮、蜗杆及齿轮的、蜗杆及齿轮的缺陷缺陷传递到被加工齿轮上，也会给齿轮带来周期传递到被加工齿轮上，也会给齿轮带来周期性的缺陷。性的缺陷。 隐含成分的频率相当于隐含成分的频率相当于机床分度齿轮的啮合频率机床分度齿轮的啮合频率。特点如下：。特点如下： 1、总是出现在、总是出现在啮合频率啮合频率附近，附近，载荷变化对它的影响很小载荷变化对它的影响很小。 2、当齿轮运转一段时间后，由于磨损使缺陷逐渐趋向均匀，、当齿轮运转一段时间后，由于磨损使缺陷逐渐趋向均匀，此时此时啮合频率啮

38、合频率及其各次谐波成分及其各次谐波成分增大增大，隐含成分隐含成分及其谐波成分却及其谐波成分却逐渐逐渐减小减小。2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断 2.2.4 隐含成分隐含成分（a a）初始状态）初始状态 （b b）一个月后的状态）一个月后的状态齿轮运转前后隐含成分的变化齿轮运转前后隐含成分的变化 初始状态的频谱隐初始状态的频谱隐含成分幅值高于啮合含成分幅值高于啮合频率。频率。 齿轮运转一个月后齿轮运转一个月后，啮合频率的幅值由，啮合频率的幅值由116dB上升到上升到123dB，而隐含成分幅值则，而隐含成分幅值则由由123dB下降到下降到117dB。 因此，可从齿轮的因此，可从齿轮的

39、跑合过程来鉴别是否跑合过程来鉴别是否存在隐含成分，也可存在隐含成分，也可为齿轮的为齿轮的磨损程度磨损程度提提供辅助信息。供辅助信息。2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断 2.2.5 齿轮故障信号的频域特征齿轮故障信号的频域特征 1、均匀性磨损、齿、均匀性磨损、齿轮径向间隙过大、不适轮径向间隙过大、不适当的齿轮游隙以及齿轮当的齿轮游隙以及齿轮载荷过大等原因，将增载荷过大等原因，将增加加啮合频率和它的谐波啮合频率和它的谐波成分振幅成分振幅，对边频的影，对边频的影响很小。在恒定载荷下响很小。在恒定载荷下，如果发生啮合频率和，如果发生啮合频率和它的谐波成分变化，则它的谐波成分变化，则意味着齿

40、的磨损、挠曲意味着齿的磨损、挠曲和齿面误差等原因产生和齿面误差等原因产生了齿的分离（脱啮）现了齿的分离（脱啮）现象。象。 齿面磨损导致振幅上升趋势齿面磨损导致振幅上升趋势2013-9-222/4/2022齿轮故障诊断 2.2.5 齿轮故障信号的频域特征齿轮故障信号的频域特征6 2、不均匀的分布故障（齿轮偏心、齿距周期性变化及载荷波、不均匀的分布故障（齿轮偏心、齿距周期性变化及载荷波动等）将产生幅值调制和频率调制，在啮合频率及其谐波两侧形动等）将产生幅值调制和频率调制，在啮合频率及其谐波两侧形成振幅较高的边频带，边频带的间隔频率是齿轮成振幅较高的边频带，边频带的间隔频率是齿轮转速频率转速频率，该

41、，该间间隔频率隔频率与有缺陷的齿轮相对应。与有缺陷的齿轮相对应。 对于齿轮对于齿轮偏心偏心所产生的边频带，一般出现的是所产生的边频带，一般出现的是下边频带下边频带成分，成分，即即 （n=1,2,3,），上边频带出现的很少。），上边频带出现的很少。rznff 3、齿面剥落、裂纹以及齿的断裂等、齿面剥落、裂纹以及齿的断裂等局部性故障局部性故障，将产生周期，将产生周期性冲击脉冲，啮合频率为性冲击脉冲，啮合频率为脉冲频率脉冲频率所调制，在啮合频率及其谐波所调制，在啮合频率及其谐波两侧形成一系列边频带，其特点是边频带的两侧形成一系列边频带，其特点是边频带的阶数多而分散阶数多而分散。 点蚀等点蚀等均布性故

42、障均布性故障形成的边频带，在啮合频率及其谐波两侧分形成的边频带，在啮合频率及其谐波两侧分布的边频带布的边频带阶数少而集中阶数少而集中。 边频带随着故障的发展而变化。边频带随着故障的发展而变化。2013-9-22齿轮故障诊断三、齿轮故障诊断技术一、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，还包括由于调制效应而产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。 2、齿轮的倒频谱分析、齿轮的倒频谱分析7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

43、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）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。同期时间平均即前文所述相干检波。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。时域平均对滚动轴承诊断基本无用，因为滚动轴承特征频率一般不在轴的旋转频率系列上，平均后被消除了。另外，滚动体与内、外圈间存在相对滑动，故障点产生的冲击振动重复性不好，

44、信号时域平均后也不存在了。经过时域平均后，一些典型的故障可以从波形上反应出来： （a）为正常信号；（b）为齿轮安装对中不良，调制频率较低，只包含转频及低阶频率；（c）为齿面严重磨损，啮合频率严重偏离正弦形状，出现较大的高次谐波分量，因为是均匀磨损，幅值在一周内变化不大；（d）局部剥落断齿，振动的幅值有突跳现象。二、时域分析8（同期时间平均技术）应用边频带细化分析法进行齿轮故障诊断的实例例：水电站用JCF-500型齿轮箱的边频分析 某水轮发电机组布置如下图所示，中间有一台JCF-500型齿轮增速箱。该齿轮箱的参数为： 输入轴转速n1=180r/min（3Hz），大齿轮齿数z1=99； 输出轴转速

45、n2=750r/min（12.5Hz），小齿轮齿数z2=24； 啮合频率Hzzfzffm3002211齿轮箱布置示意图齿轮箱布置示意图边频带细化分析法应用实例 在细化谱上，以啮合频率在细化谱上，以啮合频率299.84Hz 为中心，在两侧形成为中心，在两侧形成具有基本对称分布的一族边频带具有基本对称分布的一族边频带，其中（，其中（299.84n12.5Hz）的边频带峰值比较突出，而另一的边频带峰值比较突出，而另一族（族（299.84n3Hz）的边频）的边频带峰值不明显（带峰值不明显（n=1,2,3,），），说明说明12.5Hz是主要调制源，故障是主要调制源，故障发生在小齿轮上。发生在小齿轮上。

46、故障的性质有两种可能：故障的性质有两种可能：1、小齿轮加工分度误差大，形、小齿轮加工分度误差大，形成频率调制。成频率调制。2、载荷波动，既可能是幅值调、载荷波动，既可能是幅值调制，又可能是频率调制。制，又可能是频率调制。齿轮箱的边频细化分析齿轮箱的边频细化分析 第二部分Electrical and MechanicalMy class one, our home外文案例分析 外文案例9Gear fault diagnosis using adaptive wavelet transform of vibration signals应用自适应振动信号的小波变换齿轮故障诊断技术应用自适应振动信号的

47、小波变换齿轮故障诊断技术Fig. 1. (a) Gear defect simulation test setup; (b) gear defect type-1; (c) gear defect type-2.图1(a)齿轮缺陷模拟测试装置(b)齿轮缺陷-1(c)齿轮缺陷-2Applications and case studies外文案例分析Applications and case studiesGear fault diagnosis Fig2. Vibration signals captured from gear test setup; (a) with healthy gear

48、s; (b) with gear defect type-1; (c) with gear defect type-2.图2从测试装置中捕获到的齿轮振动信号（a）正常齿轮信号（b）缺陷1型齿轮信号（c）缺陷2型齿轮信号第二部分Electrical and MechanicalMy class one, our home外文案例分析Applications and case studiesGear fault diagnosis 表一表一 轴承振动信号的统轴承振动信号的统计参数计参数表二表二 齿轮啮合齿轮啮合振动信号的统计参数振动信号的统计参数第二部分Electrical and Mechani

49、calMy class one, our home外文案例分析Applications and case studiesGear fault diagnosis Fig. 4. CWT scalogram of the vibration signal of gear defect type-1, shown in Fig. 4(b)Fig. 3. CWT scalogram of the vibration signal of bearing defect type-1, shown in Fig. 2(b)10According to Tab.1, we can calculate the

50、 arithmetic mean of the energy percent ofthe 9-th frequency band accounting for total energy about eligible bearings:By Bessel formula, we can calculate the standard deviation of the energy percent ofthe 9-th frequency band about eligible bearings:According to Tab.2, we can get the two values about

51、fault bearings as the same:For the same bearing, the result of each measurement may be different. The changecan be accepted if it is in a certain range, and this range is called the tolerance range.The experimental analysis carried out in this work reveals11 that statistical parameters, even thoughs

52、uitable for defect identification, are insensitive towards detecting their severity. Scalograms fromcontinuous wavelet transform furnish sufficient time frequency resolution, but to a large extent depend onthe shape of the mother wavelet used. The proposed methodology of adaptive wavelet design and

53、itsimplementation provide adequate time frequency information in order to analyze the non-stationaryvibration signals acquired from the experimental setup. The scalogram from the Adaptive ContinuousWavelet Transform (ACWT) thus obtained, is more informative and provides precise information ondefect severity. Visual ambiguity in scalogram inspection is reduced to a large extent. Summarizing, theproposed method can be reckoned suitable and reliable in indentifying the defect severity of bearing andgear using vibration signals. Conclusion 案例分析Applications and case s