齒輪故障診斷技術(shù)

1、齒輪故障診斷技術(shù)齒輪故障診斷技術(shù)主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.1.引言引言2.2.齒輪的故障類型齒輪的故障類型3.3.齒輪的振動(dòng)機(jī)理齒輪的振動(dòng)機(jī)理4.4.齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息5.5.齒輪故障的診斷方法齒輪故障的診斷方法6.6.實(shí)例分析實(shí)例分析7.7.總結(jié)總結(jié)1.1.引言引言 齒輪是現(xiàn)代工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中極其重要的傳動(dòng)零件，由于其在工作齒輪是現(xiàn)代工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中極其重要的傳動(dòng)零件，由于其在工作過(guò)程中長(zhǎng)期承受各種交變載荷、沖擊和摩擦力的作用或其本身在制造過(guò)程中長(zhǎng)期承受各種交變載荷、沖擊和摩擦力的作用或其本身在制造過(guò)程中留下了缺陷，齒輪相對(duì)于其他部件較容易出現(xiàn)故障甚至損壞。過(guò)程中留下了缺陷，

2、齒輪相對(duì)于其他部件較容易出現(xiàn)故障甚至損壞。生產(chǎn)設(shè)備中的齒輪發(fā)生故障，輕者會(huì)使生產(chǎn)設(shè)備所加工出來(lái)的產(chǎn)品不生產(chǎn)設(shè)備中的齒輪發(fā)生故障，輕者會(huì)使生產(chǎn)設(shè)備所加工出來(lái)的產(chǎn)品不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，重者會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備停車，從而給生產(chǎn)企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，重者會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備停車，從而給生產(chǎn)企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也擔(dān)誤了工時(shí)。因此損失，同時(shí)也擔(dān)誤了工時(shí)。因此, ,為了盡可能將這些不確定的機(jī)械故為了盡可能將這些不確定的機(jī)械故障所引起的經(jīng)濟(jì)損失降到最低，需要我們?cè)诠收铣跗诰湍茏鞒鲈\斷，障所引起的經(jīng)濟(jì)損失降到最低，需要我們?cè)诠收铣跗诰湍茏鞒鲈\斷，為企業(yè)盡早安排檢修提供科學(xué)依據(jù)。對(duì)齒輪振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析就為企業(yè)盡早安排檢

3、修提供科學(xué)依據(jù)。對(duì)齒輪振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析就是一種比較實(shí)用的方法。是一種比較實(shí)用的方法。2.2.齒輪的故障類型齒輪的故障類型 齒輪由于某種原因不能正常工作的現(xiàn)象，或者說(shuō)齒輪在其使用過(guò)程中齒輪由于某種原因不能正常工作的現(xiàn)象，或者說(shuō)齒輪在其使用過(guò)程中，由于某些原因而喪失工作能力或功能參數(shù)漂移到界限值以外的現(xiàn)象，由于某些原因而喪失工作能力或功能參數(shù)漂移到界限值以外的現(xiàn)象，被稱為齒輪故障。，被稱為齒輪故障。 從總體上講，齒輪故障可劃分為兩大類從總體上講，齒輪故障可劃分為兩大類: : 一類是由制造和裝配等原因造成的，如齒輪誤差、齒輪與內(nèi)孔不同心一類是由制造和裝配等原因造成的，如齒輪誤差、齒輪與內(nèi)孔不同心

4、、各部分軸線不對(duì)中、不平衡等、各部分軸線不對(duì)中、不平衡等; ;另一類則是齒輪由于長(zhǎng)期運(yùn)行而形另一類則是齒輪由于長(zhǎng)期運(yùn)行而形成的，如齒輪表面發(fā)生點(diǎn)蝕、疲勞剝落、磨損、塑性流動(dòng)、膠合以及成的，如齒輪表面發(fā)生點(diǎn)蝕、疲勞剝落、磨損、塑性流動(dòng)、膠合以及齒根裂紋，斷齒及其他損傷等故障。齒根裂紋，斷齒及其他損傷等故障。 齒輪故障若按照振動(dòng)特征和故障診斷技術(shù)應(yīng)用的角度來(lái)分類，大體分齒輪故障若按照振動(dòng)特征和故障診斷技術(shù)應(yīng)用的角度來(lái)分類，大體分為以下兩類為以下兩類: : (l) (l)分布式故障分布式故障 齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕及疲勞剝落。齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕及疲勞剝落。 (2) (2)局部故障局部故障 齒根裂紋、斷齒

5、、局部齒面剝落和塑性變形齒根裂紋、斷齒、局部齒面剝落和塑性變形。 分布式故障分布在一個(gè)齒輪的各個(gè)輪齒上，而局部故障則集中于某一分布式故障分布在一個(gè)齒輪的各個(gè)輪齒上，而局部故障則集中于某一個(gè)或幾個(gè)齒上。個(gè)或幾個(gè)齒上。 3.3.齒輪的振動(dòng)機(jī)理齒輪的振動(dòng)機(jī)理 齒輪傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)齒輪傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)一對(duì)齒輪的力學(xué)模型一對(duì)齒輪的力學(xué)模型)()(21tKxtKxCxM x在齒面接觸力作用下沿作用線產(chǎn)生的齒輪相對(duì)位移在齒面接觸力作用下沿作用線產(chǎn)生的齒輪相對(duì)位移M齒輪副的等效質(zhì)量齒輪副的等效質(zhì)量C齒輪嚙合阻尼齒輪嚙合阻尼 K(t)齒輪嚙合剛度，隨時(shí)間齒輪嚙合剛度，隨時(shí)間t t變化變化2121mmmmM齒輪受載后

6、的平均彈性變形齒輪受載后的平均彈性變形 齒輪傳動(dòng)誤差和故障激勵(lì)所引起兩齒輪間的相對(duì)位移。齒輪傳動(dòng)誤差和故障激勵(lì)所引起兩齒輪間的相對(duì)位移。12)()(21tKxtKxCxM 激勵(lì)源由兩部分組成：激勵(lì)源由兩部分組成： 稱為常規(guī)嚙合激勵(lì)，也即無(wú)故稱為常規(guī)嚙合激勵(lì)，也即無(wú)故障的正常齒輪在嚙合過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生的向量振動(dòng)。障的正常齒輪在嚙合過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生的向量振動(dòng)。 是由是由系統(tǒng)的內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)產(chǎn)生的，齒輪故障振動(dòng)主要由這部系統(tǒng)的內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)產(chǎn)生的，齒輪故障振動(dòng)主要由這部分激勵(lì)引起，所以也稱為齒輪的分激勵(lì)引起，所以也稱為齒輪的“故障函數(shù)故障函數(shù)”。 1)(tK2)(tK 內(nèi)部激勵(lì)是指輪齒在嚙合過(guò)程

7、中由于缺陷或故障產(chǎn)生的激勵(lì)。如齒輪內(nèi)部激勵(lì)是指輪齒在嚙合過(guò)程中由于缺陷或故障產(chǎn)生的激勵(lì)。如齒輪由于制造不精確、裝配質(zhì)量低產(chǎn)生的輪齒周節(jié)誤差、齒形誤差、齒輪由于制造不精確、裝配質(zhì)量低產(chǎn)生的輪齒周節(jié)誤差、齒形誤差、齒輪偏心、質(zhì)量不平衡、軸線不對(duì)中等故障，還有運(yùn)行中產(chǎn)生的齒面疲勞偏心、質(zhì)量不平衡、軸線不對(duì)中等故障，還有運(yùn)行中產(chǎn)生的齒面疲勞、擦傷、磨損和斷裂等故障帶給齒輪的激勵(lì)。、擦傷、磨損和斷裂等故障帶給齒輪的激勵(lì)。 外部激勵(lì)則與齒輪本身問(wèn)題無(wú)關(guān)，是齒輪外部輸入的激勵(lì)，但也影響外部激勵(lì)則與齒輪本身問(wèn)題無(wú)關(guān)，是齒輪外部輸入的激勵(lì)，但也影響到齒輪的振動(dòng)情況。例如滾動(dòng)軸承故障的傳遞、負(fù)載力矩波動(dòng)、摩擦到齒

8、輪的振動(dòng)情況。例如滾動(dòng)軸承故障的傳遞、負(fù)載力矩波動(dòng)、摩擦離合器發(fā)生的摩擦激勵(lì)等。離合器發(fā)生的摩擦激勵(lì)等。 具體的動(dòng)態(tài)激勵(lì)有以下四種：具體的動(dòng)態(tài)激勵(lì)有以下四種： （1 1）剛度激勵(lì)（）剛度激勵(lì)（2 2）傳動(dòng)誤差）傳動(dòng)誤差 （3 3）嚙合沖擊（）嚙合沖擊（4 4）節(jié)線沖擊）節(jié)線沖擊3.13.1剛度激勵(lì)剛度激勵(lì)2121KKKKK式中，式中， 和和 分別為主動(dòng)輪和被動(dòng)輪的單齒剛度。單分別為主動(dòng)輪和被動(dòng)輪的單齒剛度。單齒剛度隨嚙合位置的變化而變化。齒剛度隨嚙合位置的變化而變化。 綜合剛度的大小還與齒輪的重合度有關(guān)。綜合剛度的大小還與齒輪的重合度有關(guān)。重合度用來(lái)重合度用來(lái)表示直齒齒輪嚙合時(shí)接觸輪齒的平均對(duì)

9、數(shù)。表示直齒齒輪嚙合時(shí)接觸輪齒的平均對(duì)數(shù)。 大多數(shù)齒輪嚙合的重合度不是整數(shù)，在嚙合過(guò)程中參大多數(shù)齒輪嚙合的重合度不是整數(shù)，在嚙合過(guò)程中參與嚙合的輪齒對(duì)數(shù)隨時(shí)間而作周期性變化，因而輪齒嚙合與嚙合的輪齒對(duì)數(shù)隨時(shí)間而作周期性變化，因而輪齒嚙合的綜合剛度也隨時(shí)間而作周期性變化。的綜合剛度也隨時(shí)間而作周期性變化。1K2K（a a）嚙合齒上的作用力）嚙合齒上的作用力 （b b）嚙合齒的剛度）嚙合齒的剛度（c c）齒輪發(fā)生的振動(dòng)）齒輪發(fā)生的振動(dòng) 直齒嚙合過(guò)程中的力和剛度變化直齒嚙合過(guò)程中的力和剛度變化 傳動(dòng)誤差構(gòu)成了齒輪振動(dòng)和噪聲的主要激發(fā)源。傳動(dòng)誤差大，則齒輪傳動(dòng)誤差構(gòu)成了齒輪振動(dòng)和噪聲的主要激發(fā)源。傳動(dòng)

10、誤差大，則齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于進(jìn)入和脫離嚙合時(shí)的碰撞加劇，產(chǎn)生較高的振動(dòng)峰值運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于進(jìn)入和脫離嚙合時(shí)的碰撞加劇，產(chǎn)生較高的振動(dòng)峰值，并且形成短暫時(shí)間的幅值變化和相位變化。，并且形成短暫時(shí)間的幅值變化和相位變化。 具體有包括：具體有包括： （1 1）制造誤差）制造誤差3.23.2傳動(dòng)誤差傳動(dòng)誤差（a a）齒輪的偏心和周節(jié)誤差）齒輪的偏心和周節(jié)誤差（b b）齒輪的齒形誤差）齒輪的齒形誤差（2 2）裝配誤差）裝配誤差 齒的寬度方向上接觸面積少，造成輪齒負(fù)荷不均。齒輪軸不平行產(chǎn)生齒的寬度方向上接觸面積少，造成輪齒負(fù)荷不均。齒輪軸不平行產(chǎn)生載荷沖擊，容易造成齒的斷裂。載荷沖擊，容易造成齒的斷裂。（a

11、 a）一端接觸）一端接觸（b b）兩齒輪軸不平行）兩齒輪軸不平行（3 3）輪齒損傷誤差）輪齒損傷誤差 齒輪在運(yùn)行中由于各種故障形成的齒面損傷，在齒輪傳動(dòng)齒輪在運(yùn)行中由于各種故障形成的齒面損傷，在齒輪傳動(dòng)中就會(huì)產(chǎn)生齒輪的傳動(dòng)誤差激勵(lì)。傳動(dòng)誤差激勵(lì)正是我們?cè)\斷中就會(huì)產(chǎn)生齒輪的傳動(dòng)誤差激勵(lì)。傳動(dòng)誤差激勵(lì)正是我們?cè)\斷齒輪故障的信息來(lái)源。齒輪故障的信息來(lái)源。（4 4）外部激勵(lì)誤差）外部激勵(lì)誤差 外部激勵(lì)的因素較多，負(fù)載波動(dòng)引起齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、外部激勵(lì)的因素較多，負(fù)載波動(dòng)引起齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、滾動(dòng)軸承故障的傳遞、摩擦離合器力矩變化產(chǎn)生的影響等，這滾動(dòng)軸承故障的傳遞、摩擦離合器力矩變化產(chǎn)生的影響等，這些故

12、障信號(hào)雖然是從輪齒的外部輸入，但是影響到輪齒上的嚙些故障信號(hào)雖然是從輪齒的外部輸入，但是影響到輪齒上的嚙合力和彈性變形，其最終結(jié)果就是產(chǎn)生輪齒的傳動(dòng)誤差。合力和彈性變形，其最終結(jié)果就是產(chǎn)生輪齒的傳動(dòng)誤差。3.33.3嚙合沖擊嚙合沖擊 齒輪在嚙合過(guò)程中，由于輪齒齒輪在嚙合過(guò)程中，由于輪齒誤差和受載彈性變形的影響，輪誤差和受載彈性變形的影響，輪齒進(jìn)入嚙合點(diǎn)和退出嚙合點(diǎn)與理齒進(jìn)入嚙合點(diǎn)和退出嚙合點(diǎn)與理論值發(fā)生偏差，因而在進(jìn)入嚙合論值發(fā)生偏差，因而在進(jìn)入嚙合和退出嚙合時(shí)均會(huì)發(fā)生沖擊，稱和退出嚙合時(shí)均會(huì)發(fā)生沖擊，稱為為“嚙合沖擊嚙合沖擊”。 嚙合沖擊是一種周期性的沖嚙合沖擊是一種周期性的沖擊力。擊力。齒

13、輪副的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析齒輪副的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 3.43.4節(jié)線沖擊節(jié)線沖擊 主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，主動(dòng)主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，主動(dòng)輪上的嚙合點(diǎn)由齒根移向齒頂，嚙合輪上的嚙合點(diǎn)由齒根移向齒頂，嚙合半徑逐漸增大，速度漸次增高；而從半徑逐漸增大，速度漸次增高；而從動(dòng)輪上的嚙合點(diǎn)是由齒頂移向齒根，動(dòng)輪上的嚙合點(diǎn)是由齒頂移向齒根，嚙合半徑逐漸減小，速度漸次降低。嚙合半徑逐漸減小，速度漸次降低。兩輪齒齒面在嚙合點(diǎn)的速度差異就形兩輪齒齒面在嚙合點(diǎn)的速度差異就形成了主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的相對(duì)滑動(dòng)。成了主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的相對(duì)滑動(dòng)。 在主動(dòng)輪上，齒根和節(jié)點(diǎn)之間的嚙在主動(dòng)輪上，齒根和節(jié)點(diǎn)之間的嚙合點(diǎn)速度低于從動(dòng)輪上的嚙合點(diǎn)速度合點(diǎn)

14、速度低于從動(dòng)輪上的嚙合點(diǎn)速度，因此滑動(dòng)方向向下；而在節(jié)點(diǎn)處，因此滑動(dòng)方向向下；而在節(jié)點(diǎn)處，因?yàn)閮奢喩系膰Ш宵c(diǎn)速度相等，相對(duì)因?yàn)閮奢喩系膰Ш宵c(diǎn)速度相等，相對(duì)滑動(dòng)速度為滑動(dòng)速度為0 0。因此，摩擦力在節(jié)點(diǎn)處。因此，摩擦力在節(jié)點(diǎn)處改變了方向，形成了節(jié)線沖擊。改變了方向，形成了節(jié)線沖擊。齒面滑動(dòng)方向齒面滑動(dòng)方向4.4.齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 齒輪工作過(guò)程中的故障信號(hào)頻率基本上表現(xiàn)為兩部分：一部分為齒輪齒輪工作過(guò)程中的故障信號(hào)頻率基本上表現(xiàn)為兩部分：一部分為齒輪嚙合頻率及其諧波構(gòu)成的載波信號(hào)，另一部分為低頻成分的幅值和相嚙合頻率及其諧波構(gòu)成的載波信號(hào)，另一部分為低頻成分的幅值和相位變化所構(gòu)

15、成的調(diào)制信號(hào)。調(diào)制信號(hào)包括了幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。位變化所構(gòu)成的調(diào)制信號(hào)。調(diào)制信號(hào)包括了幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。 從頻域和時(shí)域上看，齒輪振動(dòng)信號(hào)的主要特征成分有：從頻域和時(shí)域上看，齒輪振動(dòng)信號(hào)的主要特征成分有： 1 1）嚙合頻率及其諧波成分。）嚙合頻率及其諧波成分。 2 2）幅值調(diào)制和頻率調(diào)制所形成的邊頻帶。）幅值調(diào)制和頻率調(diào)制所形成的邊頻帶。 齒輪在嚙合過(guò)程中，嚙合齒上的載荷和剛度是隨時(shí)間而齒輪在嚙合過(guò)程中，嚙合齒上的載荷和剛度是隨時(shí)間而變化的，這種變化就會(huì)產(chǎn)生嚙合頻率的振動(dòng)。變化的，這種變化就會(huì)產(chǎn)生嚙合頻率的振動(dòng)。 傳動(dòng)誤差、嚙合沖擊、節(jié)線沖擊等問(wèn)題也會(huì)使齒輪在嚙傳動(dòng)誤差、嚙合沖擊、節(jié)線沖擊等問(wèn)

16、題也會(huì)使齒輪在嚙合過(guò)程中發(fā)生嚙合頻率的振動(dòng)。合過(guò)程中發(fā)生嚙合頻率的振動(dòng)。 轉(zhuǎn)軸中心固定的齒輪，其嚙合頻率為：轉(zhuǎn)軸中心固定的齒輪，其嚙合頻率為：2211zfzffm1f2f1z2z 、 主動(dòng)輪主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速頻率和從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速頻率 、 主動(dòng)輪主動(dòng)輪和和從動(dòng)輪的齒數(shù)從動(dòng)輪的齒數(shù)正常齒輪的嚙合頻率波形正常齒輪的嚙合頻率波形4.14.1嚙合頻率嚙合頻率 當(dāng)齒面發(fā)生磨損，或者負(fù)荷增大，齒輪徑向間隙過(guò)大以及齒輪游隙不適當(dāng)當(dāng)齒面發(fā)生磨損，或者負(fù)荷增大，齒輪徑向間隙過(guò)大以及齒輪游隙不適當(dāng)?shù)仍蛩鸬墓收蠒r(shí)，由于輪齒的嚙合狀況變壞，嚙合頻率的諧波成分等原因所引起的故障時(shí)，由于輪齒的嚙合狀況變壞，嚙合頻率的

17、諧波成分幅值就會(huì)明顯增大。幅值就會(huì)明顯增大。 齒輪表面發(fā)生均勻性磨損，齒輪表面發(fā)生均勻性磨損，將引起嚙合頻率及其各次諧波將引起嚙合頻率及其各次諧波幅值的變化。嚙合頻率的高次幅值的變化。嚙合頻率的高次諧波增長(zhǎng)得比基波還快。磨損諧波增長(zhǎng)得比基波還快。磨損厲害時(shí)，二次諧波幅值可能超厲害時(shí)，二次諧波幅值可能超過(guò)嚙合基波。過(guò)嚙合基波。 從嚙合基頻及其諧波幅值從嚙合基頻及其諧波幅值的相對(duì)增長(zhǎng)量上可以反映出齒的相對(duì)增長(zhǎng)量上可以反映出齒輪表面的磨損程度。輪表面的磨損程度。齒面磨損前后的嚙合頻率及其諧波幅值齒面磨損前后的嚙合頻率及其諧波幅值變化（實(shí)線為磨損前，虛線為磨損后變化（實(shí)線為磨損前，虛線為磨損后）4.2

18、.14.2.1幅值調(diào)制幅值調(diào)制式中，式中，A載波信號(hào)的振幅；載波信號(hào)的振幅；B調(diào)制指數(shù)；調(diào)制指數(shù)； 載波載波頻率（嚙合頻率）；頻率（嚙合頻率）； 調(diào)制波頻率（齒輪旋轉(zhuǎn)頻率，每調(diào)制波頻率（齒輪旋轉(zhuǎn)頻率，每旋轉(zhuǎn)一周，故障點(diǎn)產(chǎn)生一次沖擊）；旋轉(zhuǎn)一周，故障點(diǎn)產(chǎn)生一次沖擊）； 初相角。初相角。設(shè)代表嚙合頻率的載波信號(hào)為：設(shè)代表嚙合頻率的載波信號(hào)為：)2sin()(0tfAtgm代表齒輪旋轉(zhuǎn)頻率的調(diào)制信號(hào)為：代表齒輪旋轉(zhuǎn)頻率的調(diào)制信號(hào)為：)2cos(1)(tfBter則調(diào)幅后的振動(dòng)信號(hào)為：則調(diào)幅后的振動(dòng)信號(hào)為：)2sin()2cos(1 )(0tftfBAtxmr將上式展開(kāi)可得：將上式展開(kāi)可得：mf0rf

19、)(2sin2)(2sin2)2sin()(000tffABtffABtfAtxrmrmm4.2 4.2 調(diào)制與邊頻帶調(diào)制與邊頻帶（a a）載波信號(hào)）載波信號(hào) （b b）調(diào)制信號(hào)）調(diào)制信號(hào) （c c）幅值調(diào)制后的信號(hào)）幅值調(diào)制后的信號(hào) （1 1）局部性缺陷：發(fā)生斷齒或大的剝落等，當(dāng)嚙合點(diǎn)進(jìn)入到缺）局部性缺陷：發(fā)生斷齒或大的剝落等，當(dāng)嚙合點(diǎn)進(jìn)入到缺陷處，齒輪就產(chǎn)生一個(gè)沖擊脈沖。由于脈沖信號(hào)可以分解為許多陷處，齒輪就產(chǎn)生一個(gè)沖擊脈沖。由于脈沖信號(hào)可以分解為許多正弦分量之和，因此在頻譜上形成以嚙合頻率為中心的一系列邊正弦分量之和，因此在頻譜上形成以嚙合頻率為中心的一系列邊頻。其特點(diǎn)是邊頻數(shù)量較多，幅

20、值較低，分布比較均勻平坦。頻。其特點(diǎn)是邊頻數(shù)量較多，幅值較低，分布比較均勻平坦。 (2) (2) 均布缺陷均布缺陷 是指比較均勻分布的缺陷，它相當(dāng)于時(shí)域包絡(luò)線較寬是指比較均勻分布的缺陷，它相當(dāng)于時(shí)域包絡(luò)線較寬的脈沖。因此，它在頻域中表現(xiàn)為在嚙合頻率兩邊產(chǎn)生了的脈沖。因此，它在頻域中表現(xiàn)為在嚙合頻率兩邊產(chǎn)生了一簇幅值較高、起伏較大、分布較窄的邊頻帶。一簇幅值較高、起伏較大、分布較窄的邊頻帶。均勻分布的故障信號(hào)特征4.2.24.2.2頻率調(diào)制頻率調(diào)制若載波信號(hào)為：若載波信號(hào)為： 制信號(hào)為：制信號(hào)為：頻率調(diào)制可表示為：頻率調(diào)制可表示為：)2sin(0tfAm)2sin(tfr)2sin(2sin)(

21、0tftfAtxrm式中，式中， 頻率調(diào)制指數(shù)，即調(diào)制產(chǎn)生的最大相位頻率調(diào)制指數(shù)，即調(diào)制產(chǎn)生的最大相位移；移； 最大頻率偏差值，也就是齒輪的最大角速度波最大頻率偏差值，也就是齒輪的最大角速度波動(dòng)量；動(dòng)量； 調(diào)制頻率，即分度不均勻齒輪的轉(zhuǎn)頻。調(diào)制頻率，即分度不均勻齒輪的轉(zhuǎn)頻。rfffrf 調(diào)頻效應(yīng)是由于齒距調(diào)頻效應(yīng)是由于齒距周期性變化、速度變化及周期性變化、速度變化及不對(duì)中引起的。事實(shí)上，不對(duì)中引起的。事實(shí)上，一個(gè)齒輪上的載荷發(fā)生波一個(gè)齒輪上的載荷發(fā)生波動(dòng)就會(huì)引起速度的波動(dòng)，動(dòng)就會(huì)引起速度的波動(dòng)，所以常常在調(diào)幅的同時(shí)也所以常常在調(diào)幅的同時(shí)也必然會(huì)產(chǎn)生頻率調(diào)制效應(yīng)必然會(huì)產(chǎn)生頻率調(diào)制效應(yīng)，調(diào)頻的結(jié)果

22、，同樣引出，調(diào)頻的結(jié)果，同樣引出一簇邊頻帶，其間距的含一簇邊頻帶，其間距的含義與調(diào)幅時(shí)相同。義與調(diào)幅時(shí)相同。齒輪調(diào)頻信號(hào)(a)齒距周期性變化產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)(b)頻譜圖調(diào)頻、調(diào)幅綜合影響下的邊頻帶調(diào)頻、調(diào)幅綜合影響下的邊頻帶4.34.3典型故障與特征信號(hào)的關(guān)系典型故障與特征信號(hào)的關(guān)系n斷齒或裂紋斷齒或裂紋： 以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率，調(diào)制邊頻帶寬而高。為調(diào)制頻率，調(diào)制邊頻帶寬而高。n齒輪均勻磨損齒輪均勻磨損： 齒輪的嚙合頻率及其諧波的幅值明顯增大。齒輪的嚙合頻率及其諧波的幅值明顯增大。n齒面剝

23、落等集中性故障齒面剝落等集中性故障： 邊帶的階數(shù)多而分散。邊帶的階數(shù)多而分散。n齒面點(diǎn)蝕等分布性故障齒面點(diǎn)蝕等分布性故障： 邊帶階數(shù)少而集中。邊帶階數(shù)少而集中。n齒形誤差齒形誤差： 以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制；制頻率的嚙合頻率調(diào)制；n軸不對(duì)中軸不對(duì)中： 調(diào)制頻率的調(diào)制頻率的2 2倍頻幅值最大；倍頻幅值最大；n軸不對(duì)中軸不對(duì)中： 調(diào)制頻率的調(diào)制頻率的2 2倍頻幅值最大倍頻幅值最大n軸承故障：軸承故障： 齒輪嚙合頻率的振幅迅速升高，邊頻的分布和幅值并無(wú)變化。齒輪嚙合頻率的振幅迅速升高，

24、邊頻的分布和幅值并無(wú)變化。5.5.齒輪故障的診斷方法齒輪故障的診斷方法 盡管在齒輪振動(dòng)或噪聲信號(hào)及其頻譜圖中包含著豐富的信息，但是由于盡管在齒輪振動(dòng)或噪聲信號(hào)及其頻譜圖中包含著豐富的信息，但是由于齒輪動(dòng)態(tài)特性及故障癥狀的復(fù)雜性，不同的齒輪故障具有不同的振動(dòng)特齒輪動(dòng)態(tài)特性及故障癥狀的復(fù)雜性，不同的齒輪故障具有不同的振動(dòng)特征及頻率結(jié)構(gòu)。因此為了獲得有效的故障特征信息，通常需要通過(guò)信號(hào)征及頻率結(jié)構(gòu)。因此為了獲得有效的故障特征信息，通常需要通過(guò)信號(hào)處理與分析技術(shù)，提取故障特征信息，以便最終給出正確的故障診斷結(jié)處理與分析技術(shù)，提取故障特征信息，以便最終給出正確的故障診斷結(jié)論。論。 目前常用的信號(hào)分析處理

25、方法有以下幾種：目前常用的信號(hào)分析處理方法有以下幾種： 時(shí)域分析方法，包括時(shí)域波形、調(diào)幅解調(diào)、相位解調(diào)等時(shí)域分析方法，包括時(shí)域波形、調(diào)幅解調(diào)、相位解調(diào)等 頻域分析，包括功率譜、細(xì)化譜、倒頻譜分析頻域分析，包括功率譜、細(xì)化譜、倒頻譜分析 時(shí)頻域分析方法，包括短時(shí)時(shí)頻域分析方法，包括短時(shí)FFTFFT，維格納分布，小波分析等。，維格納分布，小波分析等。 5.15.1時(shí)域同步平均分析法時(shí)域同步平均分析法 信號(hào)同步平均的原理信號(hào)同步平均的原理是按齒輪每轉(zhuǎn)一周按脈沖是按齒輪每轉(zhuǎn)一周按脈沖的周期間隔截取信號(hào)，然的周期間隔截取信號(hào)，然后進(jìn)行分段疊加處理，以后進(jìn)行分段疊加處理，以消除隨機(jī)信號(hào)和其它非周消除隨機(jī)信

26、號(hào)和其它非周期信號(hào)的干擾影響。期信號(hào)的干擾影響。 這這種方法可以有效降低其他種方法可以有效降低其他部件和振動(dòng)源對(duì)于信號(hào)的部件和振動(dòng)源對(duì)于信號(hào)的影響，提高信噪比。影響，提高信噪比。 在測(cè)取齒輪振動(dòng)信號(hào)的同時(shí)也測(cè)取齒輪的轉(zhuǎn)速脈沖信在測(cè)取齒輪振動(dòng)信號(hào)的同時(shí)也測(cè)取齒輪的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，脈沖的間隔時(shí)間作為齒輪每轉(zhuǎn)的時(shí)標(biāo)。用該脈沖信號(hào)號(hào)，脈沖的間隔時(shí)間作為齒輪每轉(zhuǎn)的時(shí)標(biāo)。用該脈沖信號(hào)去觸發(fā)去觸發(fā)A/DA/D轉(zhuǎn)換器工作，從而保證齒輪按旋轉(zhuǎn)周期截取信轉(zhuǎn)換器工作，從而保證齒輪按旋轉(zhuǎn)周期截取信號(hào)，并且每段信號(hào)的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)于齒輪的某一角位置。然號(hào)，并且每段信號(hào)的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)于齒輪的某一角位置。然后再把每段信號(hào)進(jìn)行平均處

27、理和光滑化濾波，最后得到的后再把每段信號(hào)進(jìn)行平均處理和光滑化濾波，最后得到的有效信號(hào)中僅保留了周期成分，其它噪聲將被逐漸除去。有效信號(hào)中僅保留了周期成分，其它噪聲將被逐漸除去。時(shí)域同步平均法 齒輪在幾種狀態(tài)下的時(shí)域平均信號(hào)齒輪在幾種狀態(tài)下的時(shí)域平均信號(hào) （a a）正常齒輪）正常齒輪 （b b）齒輪安裝對(duì)中不良）齒輪安裝對(duì)中不良 （c c）齒面嚴(yán)重磨損）齒面嚴(yán)重磨損 （d d）齒面局部剝落或斷齒）齒面局部剝落或斷齒5.25.2細(xì)化譜分析法細(xì)化譜分析法 齒輪的振動(dòng)頻譜圖包含著豐富的信息，不同的齒輪齒輪的振動(dòng)頻譜圖包含著豐富的信息，不同的齒輪故障具有不同的振動(dòng)特征，其相應(yīng)的譜線也會(huì)發(fā)生特故障具有不同

28、的振動(dòng)特征，其相應(yīng)的譜線也會(huì)發(fā)生特定的變化。定的變化。 由于齒輪故障在頻譜圖上反映出的邊頻帶比較多，由于齒輪故障在頻譜圖上反映出的邊頻帶比較多，因此進(jìn)行頻譜分析時(shí)必須有足夠的頻率分辨率。當(dāng)邊因此進(jìn)行頻譜分析時(shí)必須有足夠的頻率分辨率。當(dāng)邊頻帶的間隔（故障頻率）小于分辨率時(shí)，就分析不出頻帶的間隔（故障頻率）小于分辨率時(shí)，就分析不出齒輪的故障，此時(shí)可采用頻率細(xì)化分析技術(shù)提高分辨齒輪的故障，此時(shí)可采用頻率細(xì)化分析技術(shù)提高分辨率。率?；趶?fù)解析帶通濾波器的細(xì)化選帶頻譜分析基于復(fù)解析帶通濾波器的細(xì)化選帶頻譜分析 具體步驟具體步驟 1 1）確定中心頻率及細(xì)化倍數(shù)。）確定中心頻率及細(xì)化倍數(shù)。 2 2）構(gòu)造一個(gè)

29、復(fù)解析帶通濾波器）構(gòu)造一個(gè)復(fù)解析帶通濾波器 3 3）選抽濾波。）選抽濾波。 4 4）復(fù)調(diào)制移頻。）復(fù)調(diào)制移頻。 5 5）作點(diǎn)）作點(diǎn)FFTFFT和譜分析，取正頻和譜分析，取正頻率部分率部分 齒輪振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析齒輪振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析 從上圖中可幾以看出，在所分析的從上圖中可幾以看出，在所分析的0-2kHz0-2kHz頻率范圍內(nèi)，頻率范圍內(nèi)，有有1-41-4階的嚙合頻率的譜線，還可較清晰地看出有間隔為階的嚙合頻率的譜線，還可較清晰地看出有間隔為25Hz25Hz的邊頻帶，而在兩邊頻帶間似乎還有其他的譜線，但的邊頻帶，而在兩邊頻帶間似乎還有其他的譜線，但限于頻率分辨率已不能清晰分辨。限于頻率分辨率已

30、不能清晰分辨。 利用頻譜細(xì)化分析技術(shù)，對(duì)其中利用頻譜細(xì)化分析技術(shù)，對(duì)其中900-1100Hz900-1100Hz的頻段進(jìn)行細(xì)化分析，由細(xì)化的頻段進(jìn)行細(xì)化分析，由細(xì)化譜中可清晰地看出邊頻帶的真實(shí)結(jié)構(gòu)，兩邊頻帶的間隔為譜中可清晰地看出邊頻帶的真實(shí)結(jié)構(gòu)，兩邊頻帶的間隔為8.3Hz8.3Hz，它是由于，它是由于轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為8.3Hz8.3Hz的小齒輪軸不平衡引起的振動(dòng)分量對(duì)嚙合頻率調(diào)制的結(jié)果的小齒輪軸不平衡引起的振動(dòng)分量對(duì)嚙合頻率調(diào)制的結(jié)果。 用振動(dòng)頻譜的邊頻帶進(jìn)行齒輪不平衡一類的故障診斷時(shí)，必須要有足夠的用振動(dòng)頻譜的邊頻帶進(jìn)行齒輪不平衡一類的故障診斷時(shí)，必須要有足夠的頻率分辨率，否則會(huì)造成誤

31、診或漏診，影響診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。頻率分辨率，否則會(huì)造成誤診或漏診，影響診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。 齒輪振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析 5.35.3倒譜分析法倒譜分析法 倒頻譜分析又稱二次頻譜分析，對(duì)于同時(shí)有數(shù)對(duì)齒輪嚙合的齒輪箱振倒頻譜分析又稱二次頻譜分析，對(duì)于同時(shí)有數(shù)對(duì)齒輪嚙合的齒輪箱振動(dòng)頻譜圖，由于每對(duì)齒輪嚙合都將產(chǎn)生邊帶頻，幾個(gè)邊頻帶譜交叉分動(dòng)頻譜圖，由于每對(duì)齒輪嚙合都將產(chǎn)生邊帶頻，幾個(gè)邊頻帶譜交叉分布在一起，僅進(jìn)行頻率細(xì)化分析是不行的，還需要進(jìn)一步做倒頻譜分布在一起，僅進(jìn)行頻率細(xì)化分析是不行的，還需要進(jìn)一步做倒頻譜分析。析。 倒頻譜能較好地檢測(cè)出功率譜上的周期成分，將原來(lái)譜上成簇的邊頻倒頻譜能較好地檢測(cè)出功

32、率譜上的周期成分，將原來(lái)譜上成簇的邊頻帶譜線簡(jiǎn)化為單根譜線，便于觀察。帶譜線簡(jiǎn)化為單根譜線，便于觀察。 而齒輪發(fā)生故障時(shí)的振動(dòng)頻譜具有的邊頻帶一般都具有等間隔（故障而齒輪發(fā)生故障時(shí)的振動(dòng)頻譜具有的邊頻帶一般都具有等間隔（故障頻率）的結(jié)構(gòu)，利用倒頻譜這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以檢測(cè)出功率譜中難以辨識(shí)頻率）的結(jié)構(gòu)，利用倒頻譜這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以檢測(cè)出功率譜中難以辨識(shí)的周期性信號(hào)。的周期性信號(hào)。 倒頻譜可以將輸入信號(hào)與傳遞函數(shù)區(qū)分開(kāi)來(lái)，便于識(shí)別；還能區(qū)分出倒頻譜可以將輸入信號(hào)與傳遞函數(shù)區(qū)分開(kāi)來(lái)，便于識(shí)別；還能區(qū)分出因調(diào)制引起的功率譜中的周期量，找出調(diào)制源。因調(diào)制引起的功率譜中的周期量，找出調(diào)制源。 倒頻譜的定義是功率譜

33、對(duì)數(shù)的功率譜，對(duì)多段平均的自功率譜取對(duì)數(shù)倒頻譜的定義是功率譜對(duì)數(shù)的功率譜，對(duì)多段平均的自功率譜取對(duì)數(shù)，得到對(duì)數(shù)譜，具體步驟如下，得到對(duì)數(shù)譜，具體步驟如下 1) 1)先進(jìn)行先進(jìn)行FFTFFT變換，使時(shí)域的卷積等于頻域相乘：變換，使時(shí)域的卷積等于頻域相乘： y(f)=x(f)h(f) y(f)=x(f)h(f) 2) 2)取對(duì)數(shù)取對(duì)數(shù), ,變積為和變積為和: : Log(y(f)=log(x(f)+log(h(f) Log(y(f)=log(x(f)+log(h(f) 3) 3)進(jìn)行頻譜反變換：進(jìn)行頻譜反變換： C(q)=f-1(log(y(f) C(q)=f-1(log(y(f) 倒頻譜分析優(yōu)點(diǎn)

34、：檢測(cè)周期性的能力倒頻譜分析優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)周期性的能力 (a)(a)振動(dòng)信號(hào)頻譜振動(dòng)信號(hào)頻譜 包含嚙合頻率包含嚙合頻率(4.3kHz)(4.3kHz)的三次的三次諧波，由于頻率分辨率太低諧波，由于頻率分辨率太低(50Hz (50Hz ),),沒(méi)有邊頻帶沒(méi)有邊頻帶 (b)2000 (b)2000線功率譜（線功率譜（3.5-13.5kHz3.5-13.5kHz） 包含三次諧波，但不包含兩根包含三次諧波，但不包含兩根軸回轉(zhuǎn)頻率的低次諧波軸回轉(zhuǎn)頻率的低次諧波 (c)7.5-9.5kHz (c)7.5-9.5kHz的細(xì)化頻譜的細(xì)化頻譜 看到軸轉(zhuǎn)速形成的邊頻帶看到軸轉(zhuǎn)速形成的邊頻帶 (d) (d)倒譜倒譜 清

35、楚地表明了對(duì)應(yīng)兩根軸回轉(zhuǎn)頻清楚地表明了對(duì)應(yīng)兩根軸回轉(zhuǎn)頻率（率（80Hz80Hz和和50Hz50Hz）地分量）地分量A1,B1A1,B1 而在高分辯率譜圖而在高分辯率譜圖(c)(c)中卻難以中卻難以分辯。分辯。某集裝箱起重機(jī)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)減速箱出現(xiàn)異響某集裝箱起重機(jī)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)減速箱出現(xiàn)異響, , 要求對(duì)該要求對(duì)該減速箱進(jìn)行監(jiān)測(cè)減速箱進(jìn)行監(jiān)測(cè), , 判斷分析齒輪有無(wú)故障。下圖是該減速判斷分析齒輪有無(wú)故障。下圖是該減速箱示意圖。箱示意圖。測(cè)得得電機(jī)轉(zhuǎn)速為測(cè)得得電機(jī)轉(zhuǎn)速為650r/min,650r/min,各齒輪齒數(shù)分別各齒輪齒數(shù)分別Z Z1 1=13=13，Z Z2 2=58,Z=58,Z3 3=15,Z=15,Z4 4=82=82。減速箱示意圖減速箱示意圖6.6.實(shí)例分析實(shí)例分析 對(duì)減速箱對(duì)減速箱1,2,31,2,3 ,4,4測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。