浅析齿轮故障振动诊断技术

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.7-3 齿轮故故障振动动诊断技技术7.3.11 概 述齿轮传动在在机械设设备中应应用很广广，齿轮轮损伤是是导致设设备故障障的重要要原因，据统计在齿轮箱中齿轮损坏的百分比最大，约占60%。并且齿轮损伤造成的后果也十分严重，所以开展齿轮状态监测与故障诊断具有重大的实际意义。一、齿轮常常见故障障传动齿轮常常见的故故障按产产生的原原因划分分有以下下几种。（1）齿面面磨料磨磨损润滑油不清清洁、磨损产产物以及及外部的硬颗粒粒侵入接接触齿面面都会在在齿面滑滑动方向向产生彼

2、彼此独立立的划痕痕，使齿齿廓改变变，侧隙隙增大，甚甚至使齿齿厚过度度减薄，导导致断齿齿。（2）齿面面粘着磨磨损重载、高速速传动齿轮轮的齿面面工作区区温度很很高，如如润滑不不好，齿齿面间油油膜破坏坏，一个个齿面上上的金属属会熔焊焊在另一一个齿面面上，在在齿面滑滑动方向向可看到到高低不不平的沟沟槽，使使齿轮不不能正常常工作。（3）齿面面疲劳磨磨损疲劳磨损是是由于材材料疲劳劳引起，当当齿面的的接触应应力超过过材料允允许的疲疲劳极限限时，在在表面层层将产生生疲劳裂裂纹，裂裂纹逐渐渐扩展，就就要使齿齿面金属属小块断断裂脱落落，形成成点蚀。严严重时点点蚀扩大大连成一一片，形形成整块块金属剥剥落，使使齿轮不

3、能正常常工作，甚甚至使轮轮齿折断断。（4）轮齿齿断裂轮齿如同悬悬臂梁，根根部应力力最大，且且有应力力集中，在在变载荷荷作用下下应力值值超过疲疲劳极限限时，根根部要产产生疲劳劳裂纹，裂纹逐渐扩大就要产生疲劳断裂。轮齿工作时由于严重过载或速度急剧变化受到冲击载荷作用，齿根危险截面的应力值超过极限就要产生过载断裂。传动齿轮的的常见故故障按分分布特征征划分有有以下两两种。（1）分布布故障齿轮损伤分分布在所所有轮齿齿的齿面面上，如如磨料磨磨损等。（2）局部部故障齿轮损伤只只在一个个或几个个轮齿上上，如剥剥落、断齿等。二、齿轮监监测诊断断方法监测诊断齿齿轮工作作状态的的方法大大体分两两大类：第一类是采采集

4、运行行中的动动态信息息（一般般是振动动或噪声声）根据据它们的的变化进进行诊断断；第二类是对对润滑油油进行分分析，根根据油中中磨损产产物的状状况进行行诊断。在这里只介介绍根据据振动信信号监测测诊断齿齿轮状态态的方法法。齿轮振动监监测时，由由于实际际上的种种种困难难，一般般都把传传感器布布置在齿齿轮箱的的轴承盖盖上或轴轴承座附附近刚性性好的部部位，所所以传感感器的输输出不仅仅有被监监测齿轮轮特定周周期的振振动信息息，还有有许多其其它齿轮轮等零件的周周期振动动信息和和随机振振动信息息，而且且被监测测齿轮的的振动信信息由于于传递环环节多，损损失还很很大（特特别是高高频成分分）。因因此，齿齿轮振动动监测

5、需需要完善善的信号号分析技技术才能能排除干扰，得得到被监监测齿轮轮的振动动信号。这这一过程程很难由由一个简简单仪器器实现，所所以至今今还没有有专门的的齿轮诊诊断仪问问世。7.3.22 齿轮振振动分析析齿轮有误差差、轮齿齿不是刚刚体，即即使是合合格的一一对新齿齿轮在啮啮合运行行时也要要产生振振动，所所以研究究齿轮振振动机理理，掌握握齿轮故故障振动动特点具具有十分分重要的的意义。一、轮齿刚刚度变化化和齿轮轮误差引引起的振振动（齿齿轮的基基本振动动）1齿轮啮啮合的数数学模型型齿轮具有一一定质量量，轮齿齿可看成成弹簧，一一对齿轮轮副可看看成一个个振动系系统，其其力学模模型如图图720所示。在载荷平稳稳

6、、没有有阻尼、没没有齿面面磨擦、轴轴的扭转转刚度很很小的条条件下，根据动动力学基基本定律律可得如如下运动动方程： 图7-220 齿轮副力力学模型型对于主主动轮 或 对于从从动轮 或 式中：主动轮轮、从动动轮对轴线线的转动动惯量； 主、从从动轮的的基圆半半径；主、从从动轮在在啮合线线上的等等效质量量，；主、从从动轮的的角位移移； 主、从从动轮角角位移换换算到啮啮合线上上的线位位移，； 主动轮轮的驱动动力矩，； 从动轮轮的阻力力矩，； 主动轮轮上的驱驱动力； 齿面法法向动载载荷。 令 （沿啮啮合线齿齿轮的相相对位移移，不分分离时为为正值），则则代入（1）式式得将（2）式式代入上上式得 式中： 齿轮

7、副副等效质质量， 若啮啮合齿的的合成弹弹簧刚度度（啮合合刚度,即啮合合齿在啮啮合点抵抵抗变形形的能力力）为；齿轮轮误差在在啮合线线上引起起的相对对位移为为（与轮轮齿弯曲曲方向相相同者为为正值）时时，则代入式得得若考虑与相相对速度度成正比比的阻尼尼力，则则上式为为 式中： 齿轮副副的啮合合阻尼系系数。上式称为齿齿轮副的的数学模模型，它它表明正常常齿轮的振动主要要由两部部分组成成：一部部分来源源于刚度度的周期期变化，与与齿轮的的误差无无关，称称为常规规振动；另一部部分来源源于周期期变化的的齿轮误误差，与与齿轮的的加工精精度有关关。2刚度变变化引起起的振动动1）刚度变变化规律律在啮合过程程中，由由于

8、啮合合点的位位置改变变；由于于参加啮啮合的齿齿数改变变，啮合合刚度要要发生改改变，这这种改变变每转动动一齿就就要重复复一次，频频率为 （ 两齿轮轮的转速速与齿数数）称此为啮合合频率（简简称啮频频）。如图图7-21所示示，对于于直齿啮啮合刚度度变化陡陡峭，几几乎是矩矩形周期期函数，对对于斜齿齿啮合刚刚度变化化小，一一般近似似正弦函函数。 直齿 直齿 斜齿图7-211 啮合刚刚度变化化曲线2）刚度变变化引起起的振动动由（4）可可知在理理想条件件下（）齿齿轮的运运动方程程为 这是一个单单自由度度线性微分方程程，其稳稳态响应应就是齿齿轮的常常规振动动，它与与激振函函数（周周期变化化的啮合合刚度）有有相

9、同的的频率和和变化规规律。因因此对于于直齿齿齿轮，刚刚度周期期变化使使齿轮产产生的常常规振动动除基频频（）成成分外，还还有丰富富的高次次倍频成成分；对对于斜齿齿齿轮它它的频谱谱除基频频（）成成分外，高高次倍频频成分很很少。3齿轮误误差引起起的振动动1）调幅振振动考虑误差的的存在（4）式是是非线性性微分方方程，解解析分析析有一定定困难，为为作简单单的定性性分析，将将方程左左端的刚刚度项以以等效值值取代，则则上式变变为 这也是一个个单自由由度的线线性微分分方程，由由于激振振函数是是周期性性的，所所以稳态态响应是是与激振振函数有有相同频频率和规规律的振振动。因因此，分分析齿轮轮误差引引起的振振动应从

10、从激振函函数的分分析入手。若啮合刚度度的变化化为 齿轮误差为为 （ 齿轮误误差频率率）则激振函数数为上式表明激激振函数数是一个个简谐函函数（载载波）的的幅值受受误差信信号（调调制波）调调制的调调幅简谐谐函数（调调幅波），频率等于啮频，波形如图722c)所示。这样的激振函数使齿轮产生的振动当然也是频率等于啮频、幅值受误差调制的调幅简谐振动。这是有误差的齿轮在时域中振动信号的显著特征。根据数学积积化和差差公式得得：图7-222 幅值调调制也就是说调调幅简谐谐函数是是由二个个频率为为（）和和（）的的简谐函函数合成成的。所所以调幅幅简谐振振动应是是两个频频率为（）和（）的简谐振动的合成。由于在频谱图上

11、，这两个简谐振动的谱线对称分布于啮频谱线的两侧，故称为啮频的边频。这是有误差的齿轮在频域中振动信号的显著特征。实际上，啮啮合刚度度和齿轮轮误差都都不是单单纯的正正弦变化化，但是是由于它它们都可可分解为为正弦分分量之和和，所以以有误差差的齿轮轮其振动动信号的的频谱图图，除有有常规振振动的啮啮频及其其各次倍倍频的谱谱线（以以下简称称一系列列啮频谱谱线）外外，显著著的特征征是有对对称分布布于一系系列啮频频谱线两两侧的一一系列边边频谱线线组成的的边频带带。边频频带的形形状取决决于误差差的幅值值变化，边边频的间间隔取决决于误差差的频率率，对于于齿轮的的大周期期误差（齿齿轮转频频为基频频），间间隔等于于转

12、频，对对于齿轮轮的小周周期误差差（齿轮轮的啮频频为基频频），间间隔等于啮啮频，边边频带与与啮频及及其各次次倍频谱谱线重合合。2）调频振振动齿轮误差除除产生幅幅值受调调制的常常规振动动外，必必然还引引起转速速波动，影影响啮合合频率，出出现频率率受误差差调制的的现象。可以证明由误差产生的调频振动与调幅振动一样，在谱图上也是在一系列啮频谱线两侧产生对称的一系列边频谱线组成的边频带,边频的间隔等于误差的频率。由于调幅、调调频是同同时出现现，所以以有误差差的齿轮轮在谱图图上的边边频带应应为两种种调制单单独作用用时边频频成分的的叠加，由由于边频频成分具具有不同同的相位位，所以以叠加后后边频带带的对称称性就

13、不不再存在在了。需要指出的的是如果果与齿轮轮刚性连连接的旋旋转部件件惯性越越大，速度度波动就就越小，调调频现象象也就越越不显著著。二、齿轮固固有频率率振动由于啮合时时齿间撞撞击必然然引起齿齿轮的轴轴向固有有频率自自由衰减减振动和和扭转固固有频率率自由衰衰减振动动，固有有频率在在高频段段，通常常在110KHHz内。三、齿轮损损伤引起起的振动动（齿轮轮的故障障振动）有损伤的齿齿轮和有有误差的的齿轮一一样，有有相同的的振动特特征：在在低频段段产生调调制效应应有边频频带，但但幅值明明显增大大；在高频频段有损损伤的齿齿轮激发发的固有有频率振振动也明明显增强强。齿轮轮故障振振动的这这些特点点是我们们诊断齿

14、齿轮故障障的有利利依据。四、其它振振动成分分主要有：（1）齿面面摩擦引引起的振振动啮合齿面间间的相对对滑动速度度，在节节点处要要反向，所所以在节节点处齿齿面间的的摩擦力力要突然然反向，产产生“节线冲冲击”，引起起齿轮振振动，频频率与啮啮频振动动的频率率相同，但但幅值很很小，所所以它的的影响可可不考虑虑。（2）转频频及其低低次谐频频振动齿轮有大周周期误差差和局部部损伤除除产生调调制效应应出现边边频带外外，还要要引起转转频及其其低次倍倍频振动动，当然然有局部部损伤的的齿轮幅幅值明显显增大。（3）主动动轴驱动动不平稳稳，被动动轴阻力力波动等等外因引引起的振振动。7.3.33 齿轮振振动监测测诊断技技

15、术根据上面的的叙述可可知有损损伤的齿齿轮，在低频频段有幅幅值明显显变大的的啮频及及其倍频频成分、有有显著的的边频带带、有幅幅值明显显的转频频及其低次倍倍频成分分；在高高频段有有幅值明明显变大大的固有有频率成成分。根根据这些些特点可可以诊断断出齿轮轮的故障障。因此此，诊断断齿轮的的故障可可以在低低频段也也可以在在高频段段进行。一、简易诊诊断简易诊断在在时域中中进行,目的是是判别齿齿轮是否否处于正正常状态态。采用用的特征征参数有有量纲的的主要是是：振幅幅值、均均方根值值、方根根幅值、平平均幅值值、峭度度、偏度度等；无无量纲的的主要是是：波形形系数、峰峰值系数数、脉冲冲系数、裕裕度系数数、峭度度系数

16、等等。这些些参数适适用于不不同情况况，没有有绝对优优劣之分分。机械设备中中除齿轮轮外，转转轴、轴轴承、电电动机等等也要产产生振动动，正确确区分它它们是简简易诊断断的关键键。下面面以减速速箱为例例对齿轮轮和滚动轴轴承的振振动判别别加以说说明。 图7-233 减速箱箱简图 齿轮有有故障 滚动轴轴承有故故障图7-233 是减速速箱简图图，测振振点选在在A、B、C、D四个轴轴承座上上，若四四个测振振点的振振动值都都超出规规定，且且基本相相同，则则说明减减速箱的的齿轮有有故障，因因为齿轮轮故障的的振动频频率较低低，传递递损失小小，所以以四个测测振点的的振动值值基本相相同。若若四个测测振点的的振动值值只一

17、个个点 C超出规规定，则则说明 C处滚动动轴承有有故障。因因为滚动动轴承故故障的振动频率率较高，传传递损失失大，所所以 C处轴承承故障只在 C处有较较强的响响应，其其它测振振点是几几乎测不不出来的的。当然然还可利利用滚动动轴承特特征频率率与齿轮轮振动频频率不相相同的特特点，适适当选取取检测振振动的频频段，也也能排除除轴承振振动的干干扰。二、精密诊诊断精密诊断主主要在频频域中进进行，目目的是判判别齿轮轮故障的的程度和和部位。1频域诊诊断1）功率谱谱啮合频频率及其其倍频分分量分析析齿轮均匀磨磨损产生生的作用用与齿轮轮小周期期误差相相同，使使常规振振动的幅幅值受到到调制，在在谱图上上产生边边频，但但边频