齒輪故障診斷資料

1、齒輪的故障診斷齒輪的故障診斷一、齒輪的常見故障齒輪是最常用的機械傳動零件，齒輪故障也是轉動設備常見的故障。據有關資料統計，齒輪故障占旋轉機械故障的10.3%。齒輪故障可劃分為兩大類，一類是軸承損傷、不平衡、不對中、齒輪偏心、軸彎曲等，另一類是齒輪本身（即輪齒）在傳動過程中形成的故障。在齒輪箱的各零件中，齒輪本身的故障比例最大，據統計其故障率達60%以上。齒輪本身的常見故障形式有以下幾種。1. 斷齒斷齒是最常見的齒輪故障，輪齒的折斷一般發(fā)生在齒根，因為齒根處的彎曲應力最大，而且是應力集中之源。斷齒有三種情況：疲勞斷齒由于輪齒根部在載荷作用下所產生的彎曲應力為脈動循環(huán)交變應力，以及在齒根圓角、加工

2、刀痕、材料缺陷等應力集中源的復合作用下，會產生疲勞裂紋。裂紋逐步蔓延擴展，最終導致輪齒發(fā)生疲勞斷齒。過載斷齒對于由鑄鐵或高硬度合金鋼等脆性材料制成的齒輪，由于嚴重過載或受到沖擊載荷作用，會使齒根危險截面上的應力超過極限值而發(fā)生突然斷齒。局部斷齒當齒面加工精度較低、或齒輪檢修安裝質量較差時，沿齒面接觸線會產生一端接觸、另一端不接觸的偏載現象。偏載使局部接觸的輪齒齒根處應力明顯增大，超過極限值而發(fā)生局部斷齒。局部斷齒總是發(fā)生在輪齒的端部。2. 點蝕點蝕是閉式齒輪傳動常見的損壞形式，一般多出現在靠近節(jié)線的齒根表面上，發(fā)生的原因是齒面脈動循環(huán)接觸應力超過了材料的極限應力。在齒面處的脈動循環(huán)變化的接觸應

3、力超過了材料的極限應力時，齒面上就會產生疲勞裂紋。裂紋在嚙合時閉合而促使裂紋縫隙中的油壓增高，從而又加速了裂紋的擴展。如此循環(huán)變化，最終使齒面表層金屬一小塊一小塊地剝落下來而形成麻坑，即點蝕。點蝕有兩種情況：初始點蝕（亦稱為收斂性點蝕）通常只發(fā)生在軟齒面（HBV350）上，點蝕出現后，不再繼續(xù)發(fā)展，甚至反而消失。原因是微凸起處逐漸變平，從而擴大了接觸區(qū)，接觸應力隨之降低。擴展性點蝕發(fā)生在硬齒面（HB>350）上，點蝕出現后，因為齒面脆性大，凹坑的邊緣不會被碾平，而是繼續(xù)碎裂下去，直到齒面完全損壞。對開式齒輪，齒面的疲勞裂紋尚未形成或擴展時就被磨去，因此不存在點蝕。當硬齒面齒輪熱處理不當時

4、，沿表面硬化層和芯部的交界層處，齒面有時會成片剝落，稱為片蝕。3. 磨損齒面的磨損是由于金屬微粒、塵埃和沙粒等進入齒的工作表面所引起的。齒面不平、潤滑不良等也是造成齒面磨損的原因。此外，不對中、聯軸器磨損以及扭轉共振等，會在齒輪嚙合點引起較大的扭矩變化，或使沖擊加大，將加速磨損。齒輪磨損后，齒的厚度變薄，齒廓變形，側隙變大，會造成齒輪動載荷增大，不僅使振動和噪音加大，而且很可能導致斷齒。4. 膠合齒面膠合（劃痕）是由于嚙合齒面在相對滑動時油膜破裂，齒面直接接觸，在摩擦力和壓力的作用下接觸區(qū)產生瞬間高溫，金屬表面發(fā)生局部熔焊粘著并剝離的損傷。膠合往往發(fā)生在潤滑油粘度過低、運行溫度過高、齒面上單位

5、面積載荷過大、相對滑動速度過高、接觸面積過小、轉速過低（油帶不起來）等條件下。齒面發(fā)生膠合后，將加速齒面的磨損，使齒輪傳動很快地趨于失效。1二、齒輪故障的特征信息由于結構和工作原理上的一些特點，齒輪的振動信號較為復雜，在對其進行振動故障診斷時，往往需要同時在時域和頻域上進行分析。齒輪故障的特征頻率基本上由兩部分組成：一部分為齒輪嚙合頻率及其諧波構成的載波信號；另一部分為低頻成分（主要為轉速頻率）的幅值和相位變化所構成的調制信號。調制信號包括了幅值調制和頻率調制。下面將分別介紹各特征成分及其所對應的故障類型，并分析其產生的原因。1. 嚙合頻率及其諧波齒輪傳動的特點是，嚙合過程中嚙合點的位置和參與

6、嚙合的齒數都是周期性變化的，這就造成了齒輪輪齒的受力和剛度成周期性變化，由此而引起的振動必然含有周期性成分，反映這個周期性特征信息的就是嚙合頻率及其高次諧波。齒輪在嚙合過程中，齒面既有相對滾動，又有相對滑動。如下圖所示，主動輪上的嚙合點由齒根移向齒頂，隨嚙合半徑逐漸增大，速度逐步增高；而從動輪上的嚙合點由齒頂移向齒根，速度逐步降低。兩輪速度上的差異形成了相對滑動。節(jié)點處，兩輪速度相等，相對滑動速度為零。在主動輪上，齒根與節(jié)點之間的嚙合點速度低于從動輪上的嚙合點速度，因此滑動方向向下；而在節(jié)點與齒頂之間的嚙合點速度高于從動輪，滑動方向向上。主動輪、從動輪都在節(jié)點處改變了滑動方向，也就是說，摩擦力

7、的方向在節(jié)點處發(fā)生了改變，形成了節(jié)線沖擊。齒輪嚙合過程中，除了嚙合點位置變化引起的節(jié)線沖擊外，更為重要的是由于參與嚙合的齒數變化而引起的嚙合沖擊。對于重疊系數在12之間的漸開線直齒輪，在節(jié)點附近是單齒嚙合，在齒根、齒頂附近是雙齒嚙合。顯然，雙齒嚙合時載荷小、剛度大，單齒嚙合時載荷大、剛度小，見右圖。也就是說，即使齒輪所傳遞的是恒定扭矩，但當每對齒在脫離嚙合或進入嚙合時，輪齒上的載荷和剛度都要發(fā)生突然增大或減小，從而形成嚙合沖擊。對于重疊系數低的直齒，嚙合沖擊尤為顯著，其作用力和剛度變化基本上呈矩形波，見右圖。對于斜齒，由于其嚙合點是沿齒寬方向移動的，嚙合過程的變化較為平緩，剛度變化接近正弦波。

8、因此，輪齒的嚙合沖擊和嚙合剛度的變化取決于齒輪的類型和重疊系數。顯然，齒輪的嚙合沖擊、節(jié)線沖擊、嚙合剛度的變化是周期性的，而這個周期性變化的頻率，就是轉速頻率f與齒數z的乘積（每秒針的變化圈數由轉速頻率定，每圈的變化次數由齒數定，乘積就是每秒針的變化次數），也就是嚙合頻率fm,即fm=flzl=f2z2式中，fl、f2主動輪、從動輪的轉速頻率；zl、z2主動輪、從動輪的齒數。嚙合頻率在齒輪故障診斷中具有極為重要的意義。實際上，在一個1/fm嚙合周期中，發(fā)生了進入嚙合、脫離嚙合、節(jié)線沖擊等多次沖擊過程,因此在齒輪的振動信號中必然包含了嚙合頻率fm及其高次諧波2fm、3fm、.成分。無論齒輪處于正

9、常狀態(tài)還是故障狀態(tài)，在齒輪的振動信號中，嚙合頻率fm這一振動分量始終都是存在的，只是兩種狀態(tài)下的振幅值大小是有差異的。齒輪嚙合情況良好，嚙合頻率及其諧波的幅值相對較低。嚙合頻率及諧波的幅值增大，除了可能與載荷變化等因素有關外，齒輪側隙不當往往是最直接、最主要的影響因素。造成側隙不當的具體原因是多樣的，除了制造、安裝等原因外，齒面磨損也是主要原因之一。特別需要指出的是，輪齒表面發(fā)生均勻性磨損后，不僅側隙變大，而且齒廓(漸開線齒、圓弧齒)形狀受到破壞，從而使嚙合時的各種沖擊增大、嚙合剛度降低，將引起通頻振幅值增大，其中，嚙合頻率及其諧波幅值的增長最明顯。更值得注意的是，嚙合頻率的高次諧波幅值增長得

10、比基波還快，如右圖所示。磨損嚴重時，二次諧波的幅值可能超過嚙合基波。因此，從嚙合頻率及其諧波幅值的相對增長量上可以反映出齒面的磨損程度。2. 信號調制和邊帶分析齒輪的各種故障在運行中都具體表現為一個傳動誤差，即齒輪在傳遞恒定扭矩時，輸出軸的實際角位置，與理想的、沒有誤差和變形時輸出軸角位置的差值，這個差值就構成了齒輪振動和噪音的主要激發(fā)源。傳動誤差大，齒輪進入和脫離嚙合時的碰撞就加劇，就會產生較高的振動峰值，并且形成短暫時間的幅值變化和相位變化。幅值變化產生幅值調制，相位變化產生頻率調制。不同故障產生不同的調制形式，以下將作具體說明。1)幅值調制齒輪的幅值調制是由于齒面上的載荷波動、齒輪加工誤

11、差(如齒距不均)、齒輪偏心以及齒輪故障所產生的局部性缺陷和均布性缺陷等因素引起的。按信號處理觀點，幅值調制相當于兩個信號在時域上相乘，轉換到頻域上，就相當于對應兩個頻譜的卷積，如下圖所示。其中頻率相對較高的稱為載波頻率，頻率較低的稱為調制頻率。對于齒輪信號來說，通常嚙合頻率為載波頻率，齒輪的旋轉頻率為調制頻率。對于簡諧振動的幅值調制原理可作如下說明。設代表齒輪嚙合頻率的載波信號為g(t)=Asin(2nfmt+6代表齒輪旋轉頻率的調制信號為e(t)=1+Bcos2nfet則調幅后的振動信號為x(t)=g(t)e(t)=A(l+Bcos2nfet)sin(2nfmt+申)式中，A載波信號的振幅；

12、B調制指數；fm載波頻率(嚙合頻率)；fe調制頻率(旋轉頻率)；申初相角。上式展開后，得x(t)=Asin(2nfmt+申)+(l/2)ABsin2n(fm+fe)t+p+(l/2)ABsin2n(fmfe)t+p這樣，調制后的信號，除了原來的嚙合頻率分量fm之外，還增加了一對嚙合頻率與旋轉頻率的和頻(fm+fe)與差頻(fmfe)。在頻譜圖上，它們是以嚙合頻率fm為中心，以旋轉頻率fe為間隔，以(1/2)AB為幅值，對稱分布于fm兩側，稱為邊頻帶，簡稱邊帶，如右圖(c)所示。如果調制信號e(t)不是一個簡諧波，而是由多頻率成分構成的周期信號，則e(t)的每一個頻率分量都將產生一邊帶，形成了邊

13、帶族，如右圖所示。由于系統傳遞特性的影響，以及還存在頻率調制，頻譜圖上實際的邊頻成分不會像右圖所示的如此對稱。然而，邊頻帶的分布形狀主要還是取決于調制信號，而且正是調制信號反映了齒輪的各種傳動誤差和故障狀況。根據邊帶的形狀，可以分辨出齒輪存在著局部性缺陷還是分布性缺陷。如果發(fā)生斷齒或大的剝落等局部性缺陷，當嚙合點進入缺陷處時，相當于齒輪的振動受到一個短脈沖的調制，脈沖的長度等于齒輪的嚙合周期Tm=l/fm。齒輪每轉動一周，脈沖就重復一次。由于脈沖可以分解為許多正弦分量之和，因此在頻譜圖上形成以載波頻率fm、2fm、3fm、為中心的一系列邊頻。其特點是邊頻數量多、范圍廣、數值小、分布均勻且較為平

14、坦，并且每一邊頻之間的間隔等于齒輪的旋轉頻率。見上圖(a)所示。如果在齒輪上存在點蝕、劃痕(膠合)等分布比較均勻的缺陷，調制頻率的成分雖然較多，但在時域上是一條幅度變化較小、脈動周期較長的包絡線，因此頻譜圖上邊頻帶的特點是分布比較高而窄，而且幅值變化起伏較大。見上圖(b)所示?？傊X輪缺陷越集中，邊帶就越低、越寬、越平坦；缺陷越均布，邊帶就越高、越窄、越起伏大。2)頻率調制頻率調制(也可認為是相位調制)就是載波信號受到調制信號的調制作用后所形成的變頻信號。齒輪的轉速波動、加工中分度誤差而導致的周節(jié)誤差等因素，都會引起嚙合速率的變化而產生頻率調制現象。齒輪故障缺陷造成的齒面載荷波動，在產生幅值

15、調制的同時，還會造成扭矩波動，導致角速度變化而形成頻率調制。若載波信號為Asin(2nfmt+申)，調制信號為Psin(2nfrt+p)，頻率調制可表示為x(t)=Asin2nfmt+Psin(2nfrt)+p式中，fm載波頻率(嚙合頻率)；fr調制頻率(齒輪的轉速頻率)；卩頻率調制指數，即調制所產生的最大角位移(相位移)，P=Afm/fr；Afm最大頻率偏差值。借助于貝塞爾函數，上式可展開為如下形式的無窮級數：x(t)=(A/2)J0(3)sin2nfmt+p+J1(P)sin2n(fmfr)t+p+J1(P)sin2n(fm+fr)t+p+J2(P)sin2n(fm2fr)t+p+J2(P

16、)sin2n(fm+2fr)t+列+.式中，Jn®)以為自變量的第n階貝塞爾系數，n=0,l,2,3,.。根據上式可知，調頻振動信號中包含有無限多個頻率分量，其中第一項J0(卩)為載波分量，第二項J1(卩)有一階上邊帶分量和下邊帶分量，第三項J2(卩)有二階上邊帶分量和下邊帶分量，。它們是以載波頻率fm為中心，以調制頻率fr為間隔，形成對稱分布的無限多對的邊帶，如下圖所示。齒輪振動信號的幅值調制與頻率調制有三個共同點： 載波頻率相等(為嚙合頻率)； 邊帶頻率間隔相等（為齒輪的旋轉頻率）； 邊帶對稱分布于載波頻率兩側。與幅值調制的一個不同之處是，頻率調制之后信號的包絡線不變，即調制后的

17、總能量保持不變，這相當于把載波頻率上的能量分散到邊頻上去了。必須說明，實際頻譜圖上的齒輪調制邊帶并不是對稱分布的，見右圖。這是因為，調幅與調頻現象總是同時存在的，實際頻譜圖上的邊頻成分，是兩種調制各自作用時所產生的邊頻成分的疊加。由于邊頻成分的相位并不相同，向量疊加后，某些邊頻幅值增加了，某些反而降低了，因此破壞了原有的對稱性。3. 齒輪振動信號的其它成分1）附加脈沖有時在齒輪的時域總信號上可以看到幅值上下兩端的包絡線不對稱，彼此差別很大，這種載波信號與零線呈不對稱形狀，往往是由齒輪旋轉頻率的低次諧波引起的，稱為附加脈沖，如右圖所示。圖中（a）為不對稱于零線的總信號，將其分解，可得到附加脈沖信

18、號b）和原始調幅信號（c）。附加脈沖是由輪齒以外的故障而引起的，如齒輪不平衡、不對中和機械松動等。這些故障的特征頻率都是旋轉頻率的低次諧波，均遠遠小于嚙合頻率。因此，附加脈沖與輪齒本身的缺陷一般無關。附加脈沖和特征信號的區(qū)分較容易。在時域上，附加脈沖是直接疊加在齒輪的常規(guī)振動上，而不是以調制的形式出現；在頻域上，附加脈沖只出現在頻率較低的旋轉頻率的低次諧波段，它不可能在嚙合頻率兩邊形成邊帶。2）隱含成分隱含成分又稱“鬼線”，是在新齒輪的頻譜圖上，除旋轉頻率、嚙合頻率及其邊頻之外，最初出現的一些來歷不明的頻率成分及其諧波。而實際上是齒輪加工機床分度齒輪誤差傳遞到被加工的齒輪上，所造成的周期性缺陷

19、。研究表明，隱含成分的頻率就是加工機床分度齒輪的嚙合頻率?？梢愿鶕[含成分的以下特點，來判斷未知頻率是否為隱含成分（鬼線）： 隱含譜線為旋轉頻率的諧波，總是出現在嚙合頻率的附近，見左下圖； 載荷變化對它的影響很小，見左下圖； 隨跑合時間的增長，磨損使缺陷趨向均勻，隱含成分及其諧波會逐漸減小，而嚙合頻率及其諧波成分逐漸增大。右下圖為一個典型的例子，運轉一個月后，隱含成分由123dB下降為113dB，嚙合頻率的幅值由116dB上升到123dB。3）滾動軸承信號及交叉調制當齒輪的支承軸承為滾動軸承時，齒輪振動信號中當然會含有滾動軸承的振動信號。然而，在正常情況下，滾動軸承的振動能量水平明顯低于齒輪，

20、一般要小一個數量級。所以，在齒輪振動頻率范圍內（05kHz）,滾動軸承的頻率成分很不明顯。但是，當滾動軸承出現比較嚴重的故障時，在齒輪振動頻段內就會出現較為明顯的滾動軸承故障特征頻率成分。這些成分有時單獨出現，有時表現為和齒輪振動成分的相互交叉調制，出現和頻與差頻成分。和頻及差頻成分并不是獨立的，當產生它們的基本頻率成分改變時，它們也會跟著改變。4. 齒輪常見故障與特征頻率及其諧波、以及邊頻帶的小結綜上所述，齒輪故障的頻率成分是十分復雜的，都是一些寬頻帶信號。根據一些資料介紹，現將齒輪常見故障與特征頻率及其諧波、以及邊頻帶的關系，作以下小結： 輪齒的均勻性磨損、齒側間隙過大以及齒輪載荷過大等原

21、因引起的故障，將增加嚙合頻率fm及其高次諧波2fm、3fm、頻率分量的幅值，并不產生邊帶。其中，磨損時，嚙合頻率高次諧波的幅值增量更大；磨損嚴重時，二次諧波的幅值甚至超過嚙合頻率基波的幅值。 齒輪偏心、齒距周期性變化及載荷波動等不均勻的分布故障，將產生幅值調制和頻率調制，從而在嚙合頻率及其諧波兩側形成邊頻帶，邊帶的間隔頻率是有缺陷齒輪的轉速頻率。其中，齒輪偏心一般只出現下邊帶（差頻）fmnfe（n=l,2,3,.）,上邊帶一般很少出現。 斷齒、齒面剝落及裂紋等集中缺陷的局部性故障，將引起周期性的沖擊脈沖，同樣產生幅值調制和頻率調制。例如，若小齒輪出現一處斷齒或兩處剝落，則小齒輪每旋轉一圈，將產

22、生一次或兩次明顯的周期性碰撞沖擊。在此類情況下，嚙合頻率為脈沖頻率所調制，在嚙合頻率及其諧波兩側形成一系列邊頻帶，邊帶的特點是邊頻數量多、范圍廣、分布均勻且較為平坦。此外，嚴重的局部斷齒還會導致旋轉頻率及其諧波的幅值增加。斷齒的主要特征還是齒輪的旋轉頻率和嚙合頻率的幅值產生明顯增長。 點蝕、劃痕（即輕度的膠合）等分布比較均勻的缺陷，同樣也將產生周期性沖擊脈沖和調幅、調頻現象。但是，與斷齒等局部故障的不同之處是，其在嚙合頻率及其諧波兩側分布的邊帶階數少而集中，邊帶特點是高而窄、幅值變化起伏大。然而，隨故障發(fā)展、程度惡化，其圖形也將發(fā)生變化。 齒的斷裂或裂縫，在進入嚙合時就會產生一個沖擊，這種沖擊

23、可能激起齒輪的固有頻率（自振頻率）。但由于齒輪的固有頻率一般都為110kHz的高頻，此高頻成分傳遞到齒輪箱殼體上時，基本上已被衰減掉，多數情況下只能測到嚙合頻率和調制的邊頻。三、齒輪故障的診斷方法由于齒輪故障癥狀及其信號的復雜性，因此在對齒輪進行故障診斷時，需要在盡可能地消除噪聲干擾、提高信噪比的前提下，提取出清晰故障特征信息。常用的方法有以下幾種。1. 細化譜分析法細化譜分析法是通過采用頻率細化技術來增加頻譜圖中某些頻段上的頻率分辨率，即所謂的“局部頻率擴展”法。在齒輪故障信號中，調制后得到的邊頻含有豐富的故障信息，但是在一般的頻譜圖上往往又找不出清晰、具體的邊頻，究其原因是頻譜圖的頻率分辨

24、率太低。頻譜圖上的頻率分辨率則是由譜線和最高分析頻率決定的，行業(yè)內對此有定規(guī)，具體關系為下式所示：Af=fc/n=fs/N式中，Af頻率間隔，即頻率分辨率；fc分析頻率范圍，即最高分析頻率；fs采樣頻率，為避免頻率混淆，fs=(2.564)fc,一般為fs=2.56fc；n譜線條數，為定值，分有100線、200線、400線、800線四檔；N采樣點數，N=2.56n,分有256點、512點、1024點、2048點四檔。由于齒輪的嚙合頻率及其諧波的頻率很高，從而使分析頻率范圍fc不得不很高，也就引起頻率間隔Af很大，即頻率分辨率很低，因此造成邊頻較難顯現及分辨。而細化譜分析法只是對某些部分頻段沿頻

25、率軸進行放大，好像放大鏡一樣，把頻譜圖上某些感興趣的局部區(qū)域放大，從而得到頻率分辨率很高的細化譜，見右圖。這樣，就可以通過觀察細化后的邊帶結構，去尋找故障的特征信息。2. 倒頻譜分析法頻譜圖的幅值有兩種表示方法：一種是以振幅形式表示，稱為幅值譜；另一種以能量形式表示，稱為功率譜。功率譜是用來研究各頻率成分的能量在頻域上的分布。頻譜圖縱坐標的刻度也有兩種表示方法：一種是線性坐標，另一種是對數坐標。線性坐標的優(yōu)點是直觀，缺點是不能同時顯示數值相差很大的成分；而對數坐標恰恰相反，可以同時顯示出數值相差很大(1000倍，甚至更高)的頻率成分，但這些成分之間是不成線性比例關系的。幅值譜的縱坐標為線性坐標，功率譜的縱坐標一般為對數坐標。對數坐標以分貝dB表示，其定義為Ad=20lg(A/Ar)或Ad=10lg(A2/Ar2)式中，Ad基準幅值(或參考幅值)，常取Ad=lV,對無量綱量取Ad=lA幅值，單位與Ad相同。由上式可知，分貝值為6，幅值之比為2，即人們常說的“6個分貝翻一翻”；分貝值為20，幅值之比為10；分貝值為60，幅值之比為1000。倒頻譜的定義是功率譜對數的功率譜。其表示式為C(T)=F-llogG(f)2式中，G(f)時間信號fz的功率譜，即G(f)=Ffz(