行星齿轮故障振动测量实验分析

1、_机械与电气工程学院 学院_级_专业 姓名_ 学号_（密）（封）（线）作业（论文）题目： 行星齿轮故障诊断实验报告 所修课程名称： 机械故障诊断学 任课教师姓名： 上课时间： 布置作业（论文）日期：任课教师打分： 一、前言11.概述12. 齿轮常见故障形式及原因1（1）故障形式1（2）齿轮故障原因2 （3）齿轮损伤形式原因对照表3二、齿轮故障特征信息41、啮合频率和谐波52、信号调制和边带分析5（1）幅值调制5（2）频率调制：6三、齿轮故障的诊断方法81、齿轮的简易诊断方法82、倒频谱分析法8（1）倒频谱定义与数学原理8（2）倒频谱分析的优点93、细化谱分析法9（1）细化谱分析（ZOOM-FF

2、T）定义：9（2）分析过程10（3）边带分析11四、实验分析121、实验对象设备12（1）实验对象12（2）实验行星齿轮箱中各啮合频率计算132、实验流程步骤133、Labview的软件程序编写和界面154、采集数据图17（1）齿轮正常的400r加载0.0的采集分析图17（2）、各种状态下获取数据的时域频域谱图和细化谱图19五、 数据信号（实验）总结分析221、不同转速、加载、故障状态下数据分析222、实验总结分析25行星齿轮故障测量诊断一、前言1.概述齿轮是常见的机械传动零件，由于它具有结构紧凑，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，因而在机械传动的各个方面获得广泛应用

3、。但是，齿轮传动也有它的主要缺点：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。在齿轮箱的各类零件中，齿轮本身产生故障的比例最大，据统计其故障率达60%，其余零件中的故障率为：轴承19%，轴10%，箱体7%，紧固件3%，油封1%，而从引其故障原因分析，属于维护、操作不当又占了最大比重。2. 齿轮常见故障形式及原因

4、（1）故障形式 a.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；b.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。新齿轮未经磨合便投人使用时，常在某一局部产生这种现象，使齿轮擦伤；c.齿面接触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

5、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，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；d.弯曲疲劳与断齿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，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的主要形式。齿轮故障还可

6、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。（2）齿轮故障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：a.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”

7、，会使齿的局部承受过大的载荷，有可能造成断齿；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。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滑不良；d.超载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，如果没有适当的保护措施，就会造成轮齿过载断裂，或者长期过载导致大量轮齿根部疲劳裂纹、断裂；e.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。（3）齿轮损伤形式原因对照表表1.21 齿轮常见损伤形式及其产生的原因续表二、齿轮故障特征信息齿轮振动

8、时由内部激励和外部激励联合作用产生的。正常运转的无故障齿轮也会受到啮合刚度周期性变化的激励，此种因参数变化引起的振动为参数激振。齿轮出现故障时，把反映出传动误差加大，引起齿轮振动。齿轮旋转质量不平衡、齿轮偏心、松动、齿面裂纹、断齿等故障会影响到传动误差的长周期成分（即和转频有关的成分）；齿面发生磨损、胶合、点蚀等分布性故障会使传动误差的短周期成分加大，影响到齿轮啮合频率和谐波成分的幅值。齿轮因结构和工作原理的一些特点，振动信号比较复杂，对其进行振动故障诊断时，需要同时在时域和频域上分析。齿轮工作过程中的故障信号频率基本上表现为两部分：一部分是齿轮啮合频率和其谐波构成的载波信号；另一部分是低频成

9、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。从时域和频域上观察，齿轮主要特征成分有：啮合频率和其谐波成分；幅值调制和频率调制所形成的边频带；由齿轮转速频率的低次谐波所构成的附加脉冲；由齿轮加工误差形成的隐含成分。1、啮合频率和谐波啮合齿上的载荷和刚度是随着时间变化的，这种变化会产生啮合频率的振动。而且传动误差、啮合冲击、节线冲击等问题也会使轮齿在啮合过程中发生啮合频率的振动。转轴中心固定的齿轮，啮合频率为：。当齿轮啮合情况良好时，产生的啮合频率和谐波有较低的幅值。当齿面发生磨损或符合增大，齿轮径向间隙过大和齿轮游隙不适当等引起故障时，由于轮齿的啮合状况变坏，啮合频率的

10、谐波成分幅值会明显增大。齿轮表面发生均匀性磨损，将引起啮合频率和各次谐波幅值的变化。齿轮表面磨损后，因齿廓形状变坏，啮合时不仅在宽频带上的振动幅值增大，而且从频谱上分析，可看到啮合频率和各次谐波幅值均有明显增长。且啮合频率的告辞谐波增长比基波还快。磨损厉害时，二次谐波幅值可能超过啮合基波。2、信号调制和边带分析可把齿轮的啮合频率和各次谐波看作是一个高频振荡的载波信号，周期性出现的故障信号看作是调制信号。不同故障产生不同的调制形式，能引起幅值变化的产生幅值调制，能引起频率或相位变化的产生频率调制。（1）幅值调制能引起幅值变化的产生幅值调制。幅值调制就是一种调幅波，振荡波形周期性地高低起伏，频率较

11、高的啮合频率称为载波频率；频率较低的故障频率称为调制频率。啮合频率的波形被齿轮的转速频率所调制。数学分析：幅值调制相当于两个信号在时域上相乘。设载波信号为，调制信号为，则对时域；对频域；对简谐振动幅值调制原理分析：设代表齿轮啮合频率的载波信号为：；代表齿轮旋转频率调制信号为：；调幅后：； （式2-21）其中A是载波信号振幅，B是调制指数，是载波频率（啮合频率），是调制波频率（齿轮旋转频率），是初相角。把（式2-21）展开得： （式2-22） 其中，为一阶边频带。齿轮边带频率为： ，其中为对应齿轮的转频，i=（1、2、3.）图2.21 幅值调制的时域与频域信号（2）频率调制：因齿轮作周期性旋转，

12、因此频率调制中的载波信号和调制信号也是周期性函数。若载波信号为，调制信号为，则频率调制后为：；（式2-23）其中，为频率调制指数，即调制产生的最大相位移；为最大频率偏差值，即齿轮的最大角速度波动量。频率调制不仅引起围绕啮合频率的一族边带，且在相位信号中产生一个谐波，因为频率调制本身是由相位变化产生的。实际中，调幅和调频两种现象均可能同时存在，形成交叉调制成分。由于幅值调制和频率调制有载波频率相等，边带间隔均为齿轮的转频，和边带对称分布于载波频率两侧的共同特点，因此两者结合，在频谱图上得到啮合频率和其谐波两侧有一系列边频。但因各调制频率成分相位不同，边频带幅值相互叠加，使调制频率两边边频带不是对

13、称分布。图2.22 频率调制图2.23 调频、调幅综合影响下的边频带三、齿轮故障的诊断方法齿轮故障诊断基本方法是利用振动信号在频域和时域内振动。不论用什么方法，均需要尽可能地消除噪声干扰，提高信噪比。在频域上诊断主要是提取边频特征信息。1、齿轮的简易诊断方法齿轮的简易诊断，主要是通过振动与噪声分析法进行的，包括声音诊断法、振动诊断法以及冲击脉冲法（SPM）等，与滚动轴承的简易振动诊断有相似之处。进行齿轮简易诊断的目的，是迅速判别齿轮的工作状态，对处于异常工作状态的齿轮进行精密诊断分析或采取其他措施。简单诊断通常借助一些简易的振动监测仪器，对振动信号的幅域参数进行测量，通过监测这些幅域参数的大小

14、或变化趋势，判断齿轮的运行状态。a.齿轮的振幅监测：监测齿轮的振动强度，如峰值、有效值等，可以判别齿轮的工作状态。判别标准可以用绝对标准或相对标准，也可以用类比的方法；b.齿轮无量纲诊断参数的监测：为了便于诊断，常用无量纲幅域参数指标作为诊断指标。它们的特点是对故障信息敏感，而对信号的绝对大小和频率变化不敏感。这些无量纲诊断参数有：波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标及峭度指标。这些指标各适用于不同的情况，没有绝对优劣之分。2、倒频谱分析法（1）倒频谱定义与数学原理倒频谱（Cepstrum）的定义是对功率谱的对数运算后进行傅里叶逆变换，将复杂的卷积关系变为简单的线性叠加，从而在其倒频谱上可以

15、较容易地识别信号的频率组成分量，便于提取所关心的频率成分#较准确地反映故障特性。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，其表达式为： （式3-21）其中，G（f）为时间信号x（t）的功率谱，即 （式3-22）其中，为倒频谱的时间变量，称为倒频率。倒频谱的纵坐标和频谱可采用相同单位，而横坐标为倒频率，单位是ms。倒频谱的时间变量值大的部分为高倒频率，表示频谱的快速波动，而其值小的部分称为低倒频率，表示频谱的慢速波动。（2）倒频谱分析的优点A、 可有效地提取识别频谱上的周期成分实际齿轮箱中的振动信号，因多个齿轮产生多种转频和啮合频率，且常受到多个调制源的联合作用，形成了非

16、对称边带结构，而且功率谱中有很多大小和变化周期都不同的频率结构，所以此时用细化谱分析边频有一定的限制。假设一个复杂的频谱为一个时间历程信号，在啮合频率和其谐波周围分布着很多边带，边带的间隔频率即故障频率，故障频率的谐波阶次越高，其幅值越小。该功率谱的幅值用对数刻度表示，则谱峰的平均包络线接近为一个周期波，对这种包含了边带成分而具有周期性频率结构（即各谱线间有相同的间隔）的功率谱进行傅里叶逆变换，其结果是把原来的对数功率谱转换到一个新域中，在该新域里，可把周期性的频率结构在倒频谱上变为单根谱线和高阶谱线。由上述变换过程看出，倒频谱是对频谱图上周期性频率结构成分的能量作了又一次集中，在功率谱的对数

17、转换时给低幅值分量有较高的加权，而对高幅值分量以较低的加权，突出了小信号周期。B、倒频谱分析受传输途径影响小经验表明，测量齿轮箱振动时传感器安装位置不同，传递信号的途径不同，形成不同的传递函数，这些函数反映在测点频谱上得到的结果是不同的。而经倒频谱处理后，两个倒频谱上一些高倒频率几乎相同。而一些低倒频率有一些差异，它们反映了系统传递特性差异。3、细化谱分析法（1）细化谱分析（ZOOM-FFT）定义：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0Hz到最高分析频率。频率的分辨率是由谱线条数和最高分析频率决定的。两者关系如下：； （式3.3

18、1）其中是频率间隔，是采样频率，是分析频率范围，N是采样点数。细化分析是只对某部分频段沿频率轴放大，把图像中的某局部区域放大来得到比较高的图象分辨率，若把放大的中心对准需要观察的频段的中心频率上，经过频率移位和重新采样等步骤，可得到细化谱。在齿轮故障信号中，经调制后得到的边频，是以啮合频率为中心且两边分布着以故障特征频率为间隔的边频带。齿轮故障分析常用边频带进行故障分析，但在一般频谱图上，因调制频率间隔很小，频谱的分辨率低，常找不到这些间隔频率。因此，采用细化分析方法经过细化处理后的频谱，可有效地进行观察。细化谱边频的查找和故障诊断，可从两方面入手：一是利用边带的对称性，找出的频率关系，确认能

19、否成为一组边带，如果是边带就可以知道啮合频率和调制频率了。二是比较各次测量中边带谱峰的幅值差异程度，边带谱峰图形的变化就包含着齿是否存在局部故障与分布故障，故障发展程度怎样。（2）分析过程利用频移定理，把时域样本进行改造，使相应频谱原点移到感兴趣频段中心频率处，再重新采样作FFT，就可得到更高的频率分辨率。时域信号经过低通滤波后，滤波器截止频率为，（其中为采样频率）；具体算法过程可分为以下5个步骤：复调制移频：把频域坐标向左或向右移，使被观察频段起点为频域坐标的零频位置。此处对离散信号用进行复调制，把需要细化的频带中心频率移到频率轴原点，得：。数字低通滤波：为保证重新采样后不发生频谱混叠，须进

20、行抗混叠滤波，滤出所需要分析频段的信号。设频率细化倍数为D，则低通滤波器的截止频率。重新采样：信号被移频和低通滤波后，分析信号频带变窄，因而可以以较低采样频率进行重采样，比原采样频率降低了D倍，即对原采样点每隔N点再抽样一次。复FFT处理：对冲采样后的N点复序列进行复傅里叶变换处理，得到N条谱线，其频率分辨率，分辨率提高了D倍。频率调整：把上述谱线移至实际频率处即得到细化后的频谱。设第四步得到的频谱为Y（k），细化后频谱为X（k），则（3）边带分析A、 集中缺陷，其冲击次数（即故障齿轮）不改变边带间隔，只改变边带强度。冲击次数越多，边带强度大。此外，边带的强度还依赖于啮合齿轮振动的大小和冲击强

21、度的大小。因此边带本身强度的大小可作为齿轮运行状态的一个判定参数。B、 从理论上讲，集中故障的边带数目多，强度起伏小。而对于分布故障，若调质波为单频，则在理论上在啮合频率和2倍频两侧各成一条边带，若调制波含有2次谐波，则在啮合频率和2倍频两侧各成2条边带。四、实验分析1、实验对象设备（1）实验对象实验对象为PLS120型号的行星齿轮箱。该行星齿轮箱参数如下表：表4.11 行星齿轮箱参数表参数齿圈齿数（Nr）行星轮齿数（Np）太阳轮齿数（Ns）传感器角度行星轮角度个数数值1084027453设备：光学级减振平台、光电式转速计、加速度传感器及其配套电缆、PLS120行星齿轮箱2个、配备一个轻微（断

22、1/4个齿）断齿齿轮、磁粉制动器及其控制面板、电机、变频器、NI9234数据采集卡、NI9181机箱及其配套电缆、电脑、Labview软件。图4.11 实验平台和设备（2）实验行星齿轮箱中各啮合频率计算行星轮系因有转动的行星架，使行星轮既有自转又有公转，所以不能直接引用定轴轮系的传动比公式计算。；差动行星轮系：有2个自由度的行星系，自由度；简单行星轮系:有1个自由度的行星系，自由度；本实验使用简单行星轮系，F=1，所以=0时，行星架旋转频率：；行星轮公转频率：；行星轮自转频率：；太阳轮旋转频率：；行星轮/内齿圈啮合频率：；2、实验流程步骤（1）对待测对象分析，对所用到的传感器参数记录，编写好L

23、abview写入程序和数据分析程序。（2）安装、连接好各种设备仪器，待测齿轮箱处安装的3个行星轮皆为正常齿轮。（3）打开Labview软件中已编好的程序（文件写入保存vi），用网线连接Ni9181机箱和电脑，连接NI MAX软件选择合适的“设备和接口”，等其显示在线。（4）打开电源，通过变频器调节电机到目标转速，用Labview程序记录实验数据，分别做3个行星轮为正常齿轮时，r=300r/min、加载（磁粉制动器制动电流）为0.0A的数据采集；r=400r/min时加载为0.0、0.2、0.4A；r=600r/min时加载为0.0、0.2A的振动数据，并把数据分别保存。（5）关闭电源，拆卸增速

24、行星齿轮箱的2号行星轮，把2号正常的行星轮更换为断齿1/4个齿的故障齿轮，重复步骤（4）。图4.21 行星齿轮啮合情况及拆卸情况图4.22 轻微故障（断齿1/4）齿轮（6）打开Labview的数据分析程序，导入相应的数据信号，并对不同的数据信号分析，截图分别保存。3、Labview的软件程序编写和界面图4.31通道数据保存及转速显示程序框图图 4.32行星齿轮啮合频率计算程序框图图4.33 数据分析主程序4、采集数据图（1）齿轮正常的400r加载0.0的采集分析图（分别是主页面参数及时域波形图、功率谱分析图、细化参数设置图、细化谱图、通道1（传感器竖直方向）细化（虚实）谱图。（2）、各种状态下

25、获取数据的时域频域谱图和细化谱图正常300r加载0.0正常400r 加载0.0正常400r 加载0.2正常400r 加载0.4正常600r 加载0.0正常600r 加载0.2断齿300r 加载0.0断齿400r 加载0.0断齿400r加载0.2断齿400r加载0.4断齿600r加载0.0断齿600r加载0.25、 数据信号（实验）总结分析1、不同转速、加载、故障状态下数据分析表5.11 各种情况下测试所得数据分析正常300r加载0.0A正常400r加载0.0A正常400r加载0.2A正常400r加载0.4A正常600r加载0.0A正常600r加载0.2A啮合频率110.096146.10814

26、5.114145.345217.64218.448功率谱幅值（一倍频）0.69e-62.654e-60.089e-61.04e-622.1e-63.06e-6功率谱幅值（二倍频）0.036e-60.44e-65.51e-627.7e-65.3e-62.35e-6功率谱幅值（三倍频）2.4e-616.194e-60.546e-625.8e-6126.2e-634.1e-6功率谱幅值（四倍频）2.6e-62.46e-6321.8e-613.3e-62.3e-625.6e-6细化谱啮合频率处幅值6e-47.3e-42.2e-412.4e-436.4e-436.5e-4时域波形情况时域波形均匀没有明显

27、高次谐波，波形幅值在0.1内时域波形部分位置有略微冲击信号波形幅值在0.12内时域波形部分位置有略微非规律冲击信号，波形幅值在0.18内时域波形部分位置有略微非规律冲击信号，波形幅值在0.3内时域波形部分位置有略微非规律冲击信号，波形幅值在0.25内时域波形部分位置有略微非规律冲击信号，波形幅值在0.4内功率谱分析其前几倍频频率幅值较小，但在348hz附近有较高的幅值其啮合频率各倍频幅值均较小其啮合频率各倍频峰值均较小，但第四阶倍频处有突出的峰值啮合频率处幅值较小，2-4阶频率峰值突出，在非倍频（250/500HZ）处有突出的峰值啮合频率处幅值较小，3阶频率峰值突出，在非倍频处（350Hz）有

28、突出的峰值及边带啮合频率处幅值较小，2-3阶频率峰值突出，在非倍频处（250/325/350Hz）有突出的峰值边带间隔（Hz）1.011.351.341.352.022.02边频带（细化）情况在啮合频率出幅值6e-4，相邻边频带幅值均比啮合频率处小很多，但在100hz处（左边频第10条处有12e-4的高峰值边带）啮合频率处幅值为7.3e-4，相邻边频带间隔为行星架旋转频率1.35，除左右2条边频带峰值高，其它边带峰值均小而均匀。啮合频率处幅值为2.2e-4，左右边频带峰值均较突出，左侧较为突出啮合频率处幅值为12.4e-4，两侧有分布均匀幅值起伏不大的多条边带啮合频率处幅值较高为36.4e-4

29、，两侧边带幅值较小，基本起伏不大。啮合频率处幅值较高为36.5e-4，两侧边带起伏较大，边带分布高而窄。断齿300r加载0.0A断齿400r加载0.0A断齿400r加载0.2A断齿400r加载0.4A断齿600r加载0.0A断齿600r加载0.2A啮合频率108.91146.481144.677141.895217.567215.546功率谱幅值（一倍频）0.1e-65.29e-60.0357e-61.27e-64.34e-639.2e-6功率谱幅值（二倍频）0.065e-60.46e-65.32e-66.28e-63.8e-6115.1e-6功率谱幅值（三倍频）2.57e-64.98e-60.16e-629.8e-653.8e-680.2e-6功率谱幅值（四倍频）0.49e-60.1e-7291e-659.9e-62.03e-627.8e-6细化谱幅值6.1e-40.389e-44.2e-410.4e-42.4e-46.5e-4时域波形情况时域波形均匀没有明显高次谐波，波形幅值在0.1内时域波形有明显高次谐波，但无规律波形幅值在0.14内时域波形均匀有规律性峰值出现，波形幅值在0.25内时域波形均匀有规律性峰值出现，波形幅值在0.4内时域波形均匀有规律性峰值出现，波形幅值在0.3内时域波形均匀有规律性峰值出现，波形幅值在0.5