故障诊断方法与应用齿轮常见故障与诊断

1、第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断本章重点：本章重点：1 1、齿轮故障形式、形成原因及振动机理、齿轮故障形式、形成原因及振动机理2 2、正常齿轮的时域与频域特征、正常齿轮的时域与频域特征3 3、齿轮均匀磨损的时域与频域特征、齿轮均匀磨损的时域与频域特征4 4、齿轮偏心的时域与频域特征、齿轮偏心的时域与频域特征5 5、齿轮不同轴的时域与频域特征、齿轮不同轴的时域与频域特征6 6、齿轮局部异常的时域与频域特征、齿轮局部异常的时域与频域特征7 7、齿距误差的时域与频域特征、齿距误差的时域与频域特征8 8、不平衡齿轮的时域与频域特征、不平衡齿轮的时域与频域特征故障齿轮故障齿轮一、齿轮故

2、障的常见形式与原因一、齿轮故障的常见形式与原因1.1. 齿轮故障的常见形式：齿轮故障的常见形式： (1)(1)齿面磨损齿面磨损 (2)(2)齿面胶合和擦伤齿面胶合和擦伤 (3)(3)齿面接触疲劳齿面接触疲劳 (4)(4)弯曲疲劳与断齿弯曲疲劳与断齿 第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断2.2. 主要原因：主要原因： (1) (1) 制造误差制造误差: :偏心、齿距偏差和齿形误差等。偏心、齿距偏差和齿形误差等。 偏心偏心: :齿轮（一般为旋转体）的几何中心和旋转中心不齿轮（一般为旋转体）的几何中心和旋转中心不重合，如左图中的小轮。重

3、合，如左图中的小轮。齿距偏差：齿轮的实际齿距与公称齿距有较大误差，如齿距偏差：齿轮的实际齿距与公称齿距有较大误差，如左图中的大齿轮。左图中的大齿轮。齿形误差：齿形误差：渐开线齿廓渐开线齿廓有误差，如有误差，如右图所示。右图所示。（2 2）装配不良：工作状态劣化。）装配不良：工作状态劣化。图图(a)(a)：齿轮轴不平行时，会在齿宽方向只有一端接触，：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，齿宽方向不均匀，不能平稳地传递动扭矩不能平稳地传递动扭矩，图图(b)(b)：齿的局部承受过大的载

4、荷，有可能造成：齿的局部承受过大的载荷，有可能造成断齿断齿。 第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断 第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断（3 3）润滑不良：）润滑不良： 对于高速重载齿轮，润滑不良会导致齿面局部对于高速重载齿轮，润滑不良会导致齿面局部过热，造成过热，造成色变、胶合色变、胶合等故障。等故障。 导致润滑不良的原因是多方面的，如：导致润滑不良的原因是多方面的，如：油路油路堵塞、喷油孔堵塞，润滑油中进水、润滑油变质、堵塞、喷油孔堵塞，润滑油中进水、润滑油变质、油温过高油温过高等都会造成齿面润滑不良。等都会造成齿面润滑不良。 第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿

5、轮常见故障与诊断（4 4）超载）超载 对于对于工作负荷不平稳工作负荷不平稳的齿轮驱动装置的齿轮驱动装置( (例如矿石例如矿石破碎机、采掘机等破碎机、采掘机等) )，经常会出现过载现象，如果没，经常会出现过载现象，如果没有适当的保护措施，就会造成有适当的保护措施，就会造成轮齿过载断裂轮齿过载断裂，或者，或者长期过载导致大量长期过载导致大量轮齿根部疲劳裂纹、断裂轮齿根部疲劳裂纹、断裂。（5 5）操作失误）操作失误 操作失误通常包括缺油、超载、长期超速等，都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。会造成齿轮损伤、损坏。二、齿轮的振动机理二、齿轮的振动机理1 1、齿轮的力学模型

6、分析、齿轮的力学模型分析 齿轮具有一定的质量，轮齿可看作是弹簧，齿轮具有一定的质量，轮齿可看作是弹簧，所以若以一对齿轮作为研究对象，则该齿轮副可所以若以一对齿轮作为研究对象，则该齿轮副可以看作一个振动系统。以看作一个振动系统。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断 齿轮的振动主要是由齿轮的振动主要是由k(t)k(t)的这种周期变化引起的这种周期变化引起的。的。 k(t)k(t) 为周期性的变量：为周期性的变量：一是随着啮合点位置而变一是随着啮合点位置而变化，二是参加啮合的齿数化，二是参加啮合的齿数在变化。在变化。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断式中：式中：n1、n

7、2主、从动轮转速，主、从动轮转速，Z1、Z2主、从动轮主、从动轮的齿数。的齿数。22116060ZnZnfc啮合频率啮合频率fc： 从一个齿轮开始啮合到下一个齿轮进入啮合，从一个齿轮开始啮合到下一个齿轮进入啮合，齿轮的啮合刚度就变化一次，由此可以计算出齿轮齿轮的啮合刚度就变化一次，由此可以计算出齿轮的啮合周期及频率。的啮合周期及频率。齿轮啮合刚度的变化频率称为啮合频率。齿轮啮合刚度的变化频率称为啮合频率。 2 2、幅值调制与频率调制、幅值调制与频率调制 齿轮振动信号的调制现象中包含有很多故障齿轮振动信号的调制现象中包含有很多故障信息，从频域上看，信号调制的结果是使齿轮啮信息，从频域上看，信号调

8、制的结果是使齿轮啮合频率周围出现合频率周围出现边频带边频带成分。成分。 信号调制可分为两种：信号调制可分为两种：幅值调制幅值调制和和频率调制频率调制。 第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断 （1 1）幅值调制）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幅值调制是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响而造成的。幅值调制从数学上看，相当于而造成的。幅值调制从数学上看，相当于两个信号在时两个信号在时域上相乘域上相乘；而在频域上，；而在频域上，相当于两个信号的卷积相当于两个信号的卷积。 载波信号频率相对来说较高；调制信号频率相对于载波信号频率相对来说较高；调制信号频率相对于载波频率来

9、说较低。在齿轮信号中，载波频率来说较低。在齿轮信号中，啮合频率啮合频率成分通常成分通常是是载波载波成分，齿轮轴成分，齿轮轴旋转频率旋转频率成分通常是成分通常是调制波调制波成分。成分。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断 一组频率间隔较大的脉冲函数和一组频率间隔较一组频率间隔较大的脉冲函数和一组频率间隔较小的脉冲函数的卷积，在频谱上就形成若干组围绕小的脉冲函数的卷积，在频谱上就形成若干组围绕啮合频率及其倍频成分两侧的啮合频率及其倍频成分两侧的边频族边频族。（2 2）频率调制）频率调制 齿轮载荷不均匀、齿距不均匀及故障造齿轮载荷不均匀

10、、齿距不均匀及故障造成的载荷波动，除了对振动幅值产生影响外，同成的载荷波动，除了对振动幅值产生影响外，同时也必然产生时也必然产生扭矩波动扭矩波动，使齿轮转速产生波动。，使齿轮转速产生波动。这种波动表现在振动上即为频率调制这种波动表现在振动上即为频率调制( (也可以认为也可以认为是相位调制是相位调制) )。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断 对于齿轮传动，任何导致产生幅值调制的因素也同时对于齿轮传动，任何导致产生幅值调制的因素也同时会导致频率调制。会导致频率调制。两种调制总是同时存在的两种调制总是同时存在的。对于质量。对于质量较小

11、的齿轮副，频率调制现象尤为突出。较小的齿轮副，频率调制现象尤为突出。 频率调制即使在载波信号和调制信号均为单一频率频率调制即使在载波信号和调制信号均为单一频率成分的情况下，也会形成很多边频成分。成分的情况下，也会形成很多边频成分。三、齿轮故障诊断常用的信号分析处理方法三、齿轮故障诊断常用的信号分析处理方法 当边频带的间隔（故障频率）小于分辨率时，就分当边频带的间隔（故障频率）小于分辨率时，就分析不出齿轮的故障，可采用析不出齿轮的故障，可采用频率细化频率细化技术提高分辨率。技术提高分辨率。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断 倒频谱倒频谱能够明显能够明显地显示出功率谱上地显示出功率

12、谱上的周期成分，将原的周期成分，将原来成族的来成族的边频带谱边频带谱线简化为单根谱线线简化为单根谱线，便于观察。可由此便于观察。可由此检测出齿轮故障时检测出齿轮故障时振动频谱中的等间振动频谱中的等间隔边频带。隔边频带。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断 四、齿轮常见故障信号特征与精密诊断四、齿轮常见故障信号特征与精密诊断1 1、正常齿轮的时域特征与频域特征、正常齿轮的时域特征与频域特征（1 1）时域特征）时域特征 正常齿轮由于刚度的影响，其波形为周期性正常齿轮由于刚度的影响，其波形为周期性的衰减波形。其低频信号具有近似正弦波的啮合的衰减波形。其低频信号具有近似正弦波的啮合波形。

13、波形。（2 2）频域特征）频域特征 正常齿轮的信号反映在功率谱上，有啮正常齿轮的信号反映在功率谱上，有啮合频率及其谐波分量，且以啮合频率成分为主，合频率及其谐波分量，且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小；在低频处有齿轮轴旋转频其高次谐波依次减小；在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波。率及其高次谐波。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断 2 2、故障情况下振动信号的时域特征与频域特征、故障情况下振动信号的时域特征与频域特征（1 1）均匀磨损）均匀磨损第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断 齿轮均匀磨损是齿轮均匀磨损是指由于齿轮的材料、指由于齿轮的材料、润滑等方面的原

14、因或润滑等方面的原因或者长期在高负荷下工者长期在高负荷下工作造成大部分齿面磨作造成大部分齿面磨损。损。 时域特征：正弦波时域特征：正弦波的啮合波形遭到破坏的啮合波形遭到破坏第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断 频域特征：齿面均匀磨损时，啮合频率及其谐波频域特征：齿面均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量分量n n倍频在频谱图上的位置保持不变，但倍频在频谱图上的位置保持不变，但其幅值大其幅值大小发生改变小发生改变，而且，而且高次谐波幅值相对增大较多高次谐波幅值相对增大较多。分析。分析时，要分析三个以上谐波的幅值变化才能从频谱上检时，要分析三个以上谐波的幅值变化才能从频谱上检测出这种特征。

15、测出这种特征。 随着磨损的加剧，还有可能产生随着磨损的加剧，还有可能产生分数谐波分数谐波，有时，有时在升降速时还会出现呈在升降速时还会出现呈非线性振动的跳跃现象非线性振动的跳跃现象。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断故障实例故障实例第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断（2 2）齿轮偏心）齿轮偏心 齿轮偏心是指齿轮的中心与旋转轴的中心不重齿轮偏心是指齿轮的中心与旋转轴的中心不重合，这种故障往往是由于加工造成的。合，这种故障往往是由于加工造成的。 时域特征：当一对互相啮合的齿轮中有一个齿轮时域特征：当一对互相啮合的齿轮中有一个齿轮存在偏心时，其振动波形由于偏心的影响被

16、调制，存在偏心时，其振动波形由于偏心的影响被调制，产生产生调幅振动调幅振动。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断 频域特征：齿轮存在偏心时，其频谱结构将在两个频域特征：齿轮存在偏心时，其频谱结构将在两个方面有所反映：方面有所反映：一是以齿轮的旋转频率为特征的附加一是以齿轮的旋转频率为特征的附加脉冲幅值增大脉冲幅值增大；二是以齿轮一转为周期的载荷波动，二是以齿轮一转为周期的载荷波动，从而导致调幅现象从而导致调幅现象，这时的调制频率为齿轮的回转频，这时的调制频率为齿轮的回转频率，比所调制的啮合频率要小得多。率，比所调制的啮合频率要小得多。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与

17、诊断 （3 3）齿轮不同轴）齿轮不同轴 齿轮不同轴故障是指由于齿轮和轴装配不当齿轮不同轴故障是指由于齿轮和轴装配不当造成的齿轮和轴不同轴。不同轴故障会使齿轮产生局造成的齿轮和轴不同轴。不同轴故障会使齿轮产生局部接触，导致部分轮齿承受较大的负荷。部接触，导致部分轮齿承受较大的负荷。 时域特征：时域信号具有时域特征：时域信号具有明显的调幅明显的调幅现象。现象。 频域特征：在频谱上产生以频域特征：在频谱上产生以n n倍啮合频率为中心，倍啮合频率为中心，以以故障齿轮的旋转频率为间隔的一阶边频族故障齿轮的旋转频率为间隔的一阶边频族。同时，。同时，故障齿轮的故障齿轮的旋转特征频率在频谱上有一定反映旋转特征

18、频率在频谱上有一定反映。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断（4 4）齿轮局部异常）齿轮局部异常 齿轮的局部异常包括齿根部有较大裂纹、局部齿轮的局部异常包括齿根部有较大裂纹、局部齿面磨损、轮齿折断、局部齿形误差等。局部异常齿轮齿面磨损、轮齿折断、局部齿形误差等。局部异常齿轮的振动波形是典型的以的振动波形是典型的以齿轮旋转频率为周期齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲，的冲击脉冲，如图所示。具有局部异常故障的齿轮，将以如图所示。具有局部异常故障的齿轮，将以旋转频率为旋转频率为主要频域特征主要频域特征。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断故障实例故障实例第九章第九章 齿轮常见故

19、障与诊断齿轮常见故障与诊断（5 5）齿距误差）齿距误差 齿距误差是指一个齿轮的各个齿距不相等，存在齿距误差是指一个齿轮的各个齿距不相等，存在有误差。齿距误差是由齿形误差造成的。有误差。齿距误差是由齿形误差造成的。 时域特征：在低频下可以观察到明显的调幅特征。时域特征：在低频下可以观察到明显的调幅特征。 频域特征：频域频域特征：频域上包含上包含旋转频率的旋转频率的各次谐波、各阶啮各次谐波、各阶啮合频率以及以故障合频率以及以故障齿轮的旋转频率为齿轮的旋转频率为间隔的边频间隔的边频等。等。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断（6 6）不平衡齿轮）不平衡齿轮 齿轮的不平衡是指齿轮的质心和

20、回转中心不重合，从齿轮的不平衡是指齿轮的质心和回转中心不重合，从而导致齿轮副的不稳定运行和振动。而导致齿轮副的不稳定运行和振动。 时域特征：齿轮产生以时域特征：齿轮产生以调幅为主、调频为辅调幅为主、调频为辅的振动。的振动。频域特征：在频域特征：在啮啮合频率及其谐波合频率及其谐波两侧产生边频族两侧产生边频族；同时，受不平衡同时，受不平衡力的激励，齿轮力的激励，齿轮轴的轴的旋转频率及旋转频率及其谐波的能量也其谐波的能量也有相应的增加有相应的增加。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断本章回顾本章回顾u 齿轮常见故障及形成原因；齿轮常见故

21、障及形成原因；u 齿轮振动机理；齿轮振动机理；u 正常齿轮的时域及频域特征；正常齿轮的时域及频域特征；u 故障齿轮的时域及频域特征故障齿轮的时域及频域特征一、齿轮故障的常见形式与原因一、齿轮故障的常见形式与原因1.1. 齿轮故障的常见形式：齿轮故障的常见形式： (1)(1)齿面磨损齿面磨损 (2)(2)齿面胶合和擦伤齿面胶合和擦伤 (3)(3)齿面接触疲劳齿面接触疲劳 (4)(4)弯曲疲劳与断齿弯曲疲劳与断齿 第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断（2 2）装配不良：工作状态劣化。）装配不良：工作状态劣化。图图(a)(a)：齿轮轴不平行时，会在齿宽方向只有一端接触，：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或者出