第5章齒輪故障診斷

1、 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 最常見機(jī)械傳動(dòng)零件最常見機(jī)械傳動(dòng)零件 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，緊湊，效率高效率高 壽命長(zhǎng)壽命長(zhǎng)，工作，工作可靠可靠 傳動(dòng)比傳動(dòng)比恒定，恒定，維護(hù)維護(hù)方便方便 廣泛廣泛應(yīng)用應(yīng)用 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 沖擊沖擊，振動(dòng)振動(dòng)、噪聲噪聲和和斷裂斷裂故障故障 齒輪箱故障：齒輪箱故障： 齒輪齒輪 60，軸承軸承 19，軸軸 10 箱體箱體 7，緊固件緊固件 3，油封油封 1 齒輪故障：齒輪故障： 齒齒斷裂斷裂 41；齒面；齒面疲勞疲勞 31；齒面；齒面劃痕劃痕 10 齒面齒面磨損磨損占占 10；其余其余 8 5 齒輪故障診斷齒輪故障診斷 機(jī)械設(shè)備

2、故障診斷技術(shù) 齒輪的基本概念齒輪的基本概念 據(jù)史料記載，遠(yuǎn)在公元前400200年的中國古代就巳開始使用齒輪，在我國山西出土的青銅齒輪是迄今巳發(fā)現(xiàn)的最古老齒輪，作為反映古代科學(xué)技術(shù)成就的指南車就是以齒輪機(jī)構(gòu)為核心的機(jī)械裝置。 17世紀(jì)末，人們才開始研究，能正確傳遞運(yùn)動(dòng)的輪齒形狀。 18世紀(jì)，歐洲工業(yè)革命以后，齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用日益廣泛；先是發(fā)展擺線齒輪，而后是漸開線齒輪。 一直到20世紀(jì)初，漸開線齒輪已在應(yīng)用中占了優(yōu)勢(shì)。 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 齒廓嚙合基本定律齒廓嚙合基本定律 一對(duì)嚙合的齒廓無論在任何位置嚙合，其兩輪的傳動(dòng)比恒等于連心線被齒廓接觸點(diǎn)的公法線所分成的兩段的反比。這就是齒廓嚙合基本定律齒

3、廓嚙合基本定律。 連心線與齒廓接觸點(diǎn)的公法線的交點(diǎn)稱為嚙合節(jié)點(diǎn)嚙合節(jié)點(diǎn)。過節(jié)點(diǎn)所作的兩個(gè)相切的圓稱為節(jié)圓節(jié)圓。傳動(dòng)比與節(jié)圓半徑成反比。滿足齒廓嚙合基本定律的一對(duì)齒廓稱為共軛齒廓共軛齒廓。漸開線齒廓是應(yīng)用最廣泛的共軛齒廓。 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 外齒輪各部分名稱及符號(hào)：外齒輪各部分名稱及符號(hào)： 齒輪圓周上輪齒的數(shù)目稱為齒數(shù),用z表示。基圓：形成漸開線的發(fā)生線作純滾動(dòng)的圓 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 既要求齒輪能在高速、重載、特殊介質(zhì)的惡劣環(huán)境條件下工作 又要求齒輪裝置具有高平穩(wěn)性、高可靠性和結(jié)構(gòu)緊湊的良好的工作性能 由此使得齒輪發(fā)生故障的因素越來越多。 而齒輪異常又是誘發(fā)機(jī)械故障

4、的重要因素。 齒輪由于結(jié)構(gòu)型式、材料與熱處理、操作運(yùn)行環(huán)境與條件等因素不同，發(fā)生故障的形式也不同，常見的齒輪故障有以下幾類形式。5.1 齒輪常見故障齒輪常見故障 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 齒面磨損 齒面膠合和擦傷 齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕 齒根彎曲疲勞斷齒5.1 齒輪常見故障齒輪常見故障 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 潤(rùn)滑油不足或油質(zhì)不清潔會(huì)造成齒面磨粒磨損，使齒廓改變，側(cè)隙加大，以至由于齒輪過度減薄導(dǎo)致斷齒。一般情況下，只有在潤(rùn)滑油中夾雜有30m磨粒時(shí)，才會(huì)在運(yùn)行中引起齒面磨粒磨損。 1. 齒面磨損齒面磨損5.1 齒輪常見故障齒輪常見故障 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 對(duì)于重載和高速齒輪的傳動(dòng)，齒面工作區(qū)溫度很高，一旦

5、潤(rùn)滑條件不良，齒面間的油膜便會(huì)消失，一個(gè)齒面的金屬會(huì)熔焊在與之嚙合的另一個(gè)齒面上，在齒面上形成垂直于節(jié)線的劃痕狀膠合。新齒輪未經(jīng)磨合便投入使用時(shí)，常在某一局部產(chǎn)生這種現(xiàn)象，使齒輪擦傷。 2. 齒面膠合和擦傷齒面膠合和擦傷5.1 齒輪常見故障齒輪常見故障 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 齒輪在實(shí)際嚙合過程中，既有相對(duì)滾動(dòng)，又有相對(duì)滑動(dòng)，而且相對(duì)滑動(dòng)的摩擦力在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的方向相反，從而產(chǎn)生脈動(dòng)載荷。載荷和脈動(dòng)力的作用使齒輪表面層深處產(chǎn)生脈動(dòng)循環(huán)變化的剪應(yīng)力，當(dāng)這種剪應(yīng)力超過齒輪材料的疲勞極限時(shí)，接觸表面將產(chǎn)生疲勞裂紋。隨著裂紋的擴(kuò)展，最終使齒面剝落小片金屬，在齒面上形成小坑，稱之為點(diǎn)蝕。當(dāng)“點(diǎn)蝕”擴(kuò)大連成片時(shí)

6、，形成齒面上金屬塊剝落。此外，材質(zhì)不均勻或局部擦傷，也容易在某一齒上首先出現(xiàn)接觸疲勞，產(chǎn)生剝落。 3. 齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕5.1 齒輪常見故障齒輪常見故障 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 在運(yùn)行過程中承受載荷的輪齒，如同懸臂梁，其根部受到脈沖循環(huán)的彎曲應(yīng)力作用最大，當(dāng)這種周期性應(yīng)力超過齒輪材料的疲勞極限時(shí)，會(huì)在根部產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展，當(dāng)剩余部分無法承受傳動(dòng)載荷時(shí)就會(huì)發(fā)生斷齒現(xiàn)象。齒輪由于工作中嚴(yán)重的沖擊、偏載以及材質(zhì)不均勻也可能會(huì)引起斷齒。斷齒和點(diǎn)蝕是齒輪故障的主要形式。 4.齒根彎曲疲勞斷齒齒根彎曲疲勞斷齒5.1 齒輪常見故障齒輪常見故障 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 5.2齒輪故障的原因齒輪

7、故障的原因 產(chǎn)生上述齒輪故障的原因較多，但從大量故障的分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，主要原因有以下幾個(gè)方面 。制造誤差 裝配不良 潤(rùn)滑不良 超載 操作失誤 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 制造誤差齒輪制造誤差主要有偏心、齒距偏差和齒形誤差等。偏心是指齒輪（一般為旋轉(zhuǎn)體）的幾何中心和旋轉(zhuǎn)中心不重合，齒距偏差是指齒輪的實(shí)際齒距與公稱齒距有較大誤差，而齒形誤差是指漸開線齒廓有誤差。 齒輪裝配不當(dāng)會(huì)造成工作狀態(tài)劣化。當(dāng)一對(duì)互相嚙合的齒輪軸不平行時(shí)，會(huì)在齒寬方向只有一端接觸，或者出現(xiàn)齒輪的直線性偏差等，使齒輪所承受的載荷在齒寬方向不均勻，不能平穩(wěn)地傳遞動(dòng)扭矩，這種情況稱為“一端接觸”，會(huì)使齒的局部承受過大的載荷，有可能造成斷

8、齒。 裝配不良5.2齒輪故障的原因齒輪故障的原因 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 潤(rùn)滑不良 對(duì)于高速重載齒輪，潤(rùn)滑不良會(huì)導(dǎo)致齒面局部過熱，造成色變、膠合等故障。 原因：油路堵塞、噴油孔堵塞外，潤(rùn)滑油中進(jìn)水、潤(rùn)滑油變質(zhì)、油溫過高等 對(duì)于工作負(fù)荷不平穩(wěn)的齒輪驅(qū)動(dòng)裝置（例如礦石破碎機(jī)、采掘機(jī)等），經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過載現(xiàn)象，容易造成輪齒過載斷裂，或者長(zhǎng)期過載導(dǎo)致大量輪齒根部疲勞裂紋、斷裂。 操作失誤通常包括缺油、超載、長(zhǎng)期超速等，都會(huì)造成齒輪損傷、損壞。 超載操作失誤5.2齒輪故障的原因齒輪故障的原因 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 1. 齒輪的振動(dòng)頻率 (1) 齒輪的振動(dòng)類型齒輪的振動(dòng)類型 齒輪在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)是比較復(fù)

9、雜的，由于齒輪所受的激勵(lì)不同，從而使齒輪產(chǎn)生的振動(dòng)類型也不同。5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 1. 齒輪的振動(dòng)頻率第一，齒輪嚙合過程中，由于周節(jié)誤差、齒形誤差或者均勻磨損等都會(huì)使齒與齒之間發(fā)生撞擊，撞擊的頻率就是嚙合頻率。齒輪在此周期撞擊力的激勵(lì)下產(chǎn)生了以嚙合頻率為振動(dòng)頻率的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率范圍一般在幾百到幾千赫茲5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 1. 齒輪的振動(dòng)頻率第二，由于齒輪嚙合過程中齒輪發(fā)生彈性變形，使剛剛進(jìn)入嚙合的齒輪發(fā)生撞擊，因而產(chǎn)生沿著嚙合線方向的脈動(dòng)力，于是也會(huì)產(chǎn)生以嚙合頻率為頻率的振動(dòng)。對(duì)于漸開線齒輪，在節(jié)點(diǎn)附

10、近為單齒嚙合，而在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)為雙齒嚙合，故其剛度是非簡(jiǎn)諧的周期函數(shù)，不僅有以嚙合頻率為頻率的基頻振動(dòng)，而且還有嚙合頻率的高次諧波振動(dòng)。5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 1. 齒輪的振動(dòng)頻率第三，齒與齒之間的摩擦在一定條件下會(huì)誘發(fā)自激振動(dòng)，主要與齒面加工質(zhì)量及潤(rùn)滑條件有關(guān)自激振動(dòng)的頻率接近齒輪的固有頻率。第四，齒與齒之間撞擊是一種瞬態(tài)激勵(lì)，它使齒輪產(chǎn)生衰減自由振動(dòng)振動(dòng)頻率就是齒輪的固有頻率，通常固有頻率在1-10kHz內(nèi)。5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 1. 齒輪的振動(dòng)頻率第五，齒輪、軸、軸承等元件由于不同心、不對(duì)稱、材料不均勻

11、等均會(huì)產(chǎn)生偏心、不平衡，其離心慣性力使齒輪軸系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，振動(dòng)的頻率等于軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率（一般在100Hz以內(nèi)）及其諧頻；第六，由于齒面的局部損傷而產(chǎn)生的激勵(lì)，其相應(yīng)的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率等于損傷的齒數(shù)乘以軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 1. 齒輪的振動(dòng)頻率 綜上所述，齒輪的振動(dòng)頻率基本上可歸為三類：即軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其諧頻，齒輪的嚙合頻率及其諧頻，齒輪自身的各階固有頻率。 而齒輪的實(shí)際振動(dòng)往往是上述各類振動(dòng)的某種組合，齒輪幾種常見工作狀態(tài)下振動(dòng)的時(shí)間歷程曲線和相應(yīng)的幅頻譜圖。5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 各種狀態(tài)齒

12、輪的振動(dòng)（低頻部分） 處于不同狀態(tài)的齒輪其振動(dòng)信號(hào)時(shí)域和頻域均有明顯的區(qū)別。 振動(dòng)曲線都是經(jīng)過低通濾波后得到的，它只顯示出其中頻率較低的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和嚙合頻率及諧頻，濾去了高頻的自由衰減振動(dòng)（固有頻率）。 實(shí)際上，齒輪的自由振動(dòng)經(jīng)由軸、軸承傳到齒輪箱體時(shí)，高頻沖擊振動(dòng)已衰減，猶如通過一個(gè)機(jī)械低通濾波器，因此在軸承座等處測(cè)的振動(dòng)信號(hào)，一般只包含轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與嚙合頻率及其諧頻。fr轉(zhuǎn)動(dòng)頻率fm嚙合頻率5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息1 嚙合頻率及其諧波嚙合頻率及其諧波 1 嚙合頻率及其諧波嚙合頻率及其諧波 主動(dòng)輪和從動(dòng)輪主動(dòng)輪

13、和從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速頻率轉(zhuǎn)速頻率 f1 、f2 ；主動(dòng)輪和從動(dòng)輪；主動(dòng)輪和從動(dòng)輪齒數(shù)齒數(shù) z1 、z2 齒輪齒輪嚙合頻率嚙合頻率： 2211zfzffm 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 以嚙合頻率進(jìn)行振動(dòng)的特點(diǎn)振動(dòng)頻率隨齒輪的轉(zhuǎn)速變化；由于非線性的影響，往往有嚙合頻率的高階諧頻振動(dòng)；隨著轉(zhuǎn)速升高，振動(dòng)能量增大，噪聲增強(qiáng)；當(dāng)嚙合頻率接近或等于齒輪的固有頻率時(shí)，齒輪發(fā)生共振形成強(qiáng)烈振動(dòng)。5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 齒輪的固有頻率 單個(gè)齒輪的固有頻率是指齒輪軸向振動(dòng)的固有頻率。 單組齒嚙合時(shí)齒輪的固有頻率：齒輪嚙合時(shí)的固有頻率實(shí)際是指齒輪軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率。振動(dòng)系統(tǒng)由嚙合齒

14、輪和傳動(dòng)軸組成，齒輪軸系的扭振包括軸的扭振和齒輪的彈性振動(dòng)。5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 齒輪處于正常或異常狀態(tài)下，齒的嚙合對(duì)會(huì)發(fā)生沖擊嚙合振動(dòng)（兩種狀態(tài)下振動(dòng)水平是有差異的）其振動(dòng)波形表現(xiàn)出振幅受到調(diào)制的特點(diǎn)，既調(diào)幅又調(diào)頻。(1) 齒輪振動(dòng)的邊頻帶譜 齒輪振動(dòng)的頻譜非常復(fù)雜，除了有明顯嚙合頻率和嚙合頻率的高次諧波、外還有許多按一定規(guī)律分布的小譜線，這就是齒輪振動(dòng)中的邊頻帶。它是由幾種動(dòng)載同時(shí)作用產(chǎn)生幾種振動(dòng)疊加產(chǎn)生的調(diào)制。通常，載頻為嚙合頻率及高次諧波，而軸的轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率。齒輪振動(dòng)的邊頻帶體現(xiàn)出載頻或調(diào)制信號(hào)的頻率，對(duì)于分析齒輪的故障將十分有用。 5.

15、3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息齒輪振動(dòng)信號(hào)既有調(diào)幅又有調(diào)頻，這兩種調(diào)制在頻譜中均表現(xiàn)為嚙合頻率及其諧波的兩側(cè)有邊頻帶，各邊頻帶的間隔即是調(diào)制信號(hào)的頻率。(2) 振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制原理 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 幅值調(diào)制 原因：由于齒面載荷波動(dòng)對(duì)振幅的影響而造成。齒輪的偏心偏心使齒輪嚙合時(shí)一邊緊一邊松，從而產(chǎn)生載荷波動(dòng)，使振幅按此規(guī)律周期性地變化。齒輪的加工誤差加工誤差（例如節(jié)距不勻）及齒輪故障使齒輪在嚙合中產(chǎn)生短暫的“加載”和“卸載”效應(yīng)，也會(huì)產(chǎn)生幅值調(diào)制。幅值調(diào)制從數(shù)學(xué)上看相當(dāng)于在時(shí)域中兩個(gè)信號(hào)乘積，而在頻域上相當(dāng)與兩個(gè)信

16、號(hào)的卷積。載波，頻率較高嚙合頻率fm調(diào)制信號(hào)，低頻回轉(zhuǎn)頻率fr(2) 振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制原理5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 時(shí)域中的幅值調(diào)制（相乘）在頻域中反映為頻移，即原載頻的譜線的位置移動(dòng)了fo，而且由調(diào)制前一條譜線fm變?yōu)閮蓷l譜線（fmfo，fmfo），分布在原譜線fm的兩側(cè)，形成邊頻帶。5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 頻率調(diào)制 齒輪載荷不均勻、齒距不均勻及故障造成的載荷波動(dòng)，除了對(duì)振動(dòng)幅值產(chǎn)生影響外，同時(shí)也必然產(chǎn)生扭矩波動(dòng)，使齒輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動(dòng)。這種波動(dòng)表現(xiàn)在振動(dòng)上即為頻率調(diào)制（也可以認(rèn)為是相位調(diào)制）。頻率調(diào)制波的頻譜也

17、是在載頻譜線的兩側(cè)產(chǎn)生等間隔的邊頻帶，邊頻帶的間隔就是調(diào)制信號(hào)(往往是與齒輪故障有關(guān)的信號(hào))的頻率。對(duì)于齒輪傳動(dòng)，任何導(dǎo)致產(chǎn)生幅值調(diào)制的因素也同時(shí)會(huì)導(dǎo)致頻率調(diào)制。兩種調(diào)制總是同時(shí)存在的。對(duì)于質(zhì)量較小的齒輪副，頻率調(diào)制現(xiàn)象尤為突出 。(2) 振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制原理5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 齒輪振動(dòng)信號(hào)的頻率調(diào)制和幅值調(diào)制的共同點(diǎn)在于：載波頻率相等；邊帶頻率對(duì)應(yīng)相等；邊帶對(duì)稱于載波頻率。 實(shí)際齒輪系統(tǒng)中調(diào)幅和調(diào)頻效應(yīng)總是同時(shí)存在的，所以，頻譜上的邊頻成分為兩種調(diào)制的疊加。 雖然這兩種調(diào)制中的任何一種單獨(dú)作用時(shí)所產(chǎn)生的邊頻都是對(duì)稱于載波頻率的，但兩者疊加時(shí)，由于

18、邊頻成分具有不同的相位，所以是向量相加。疊加后有的邊頻幅值增加了（相位相同），有的反而下降了（相位相反），這就破壞了原有的對(duì)稱性。 5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息齒輪振動(dòng)時(shí)，由于各種因素的影響往往既有以嚙合頻率為基頻的振動(dòng)，又有它的高階諧頻分量；而軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率也常常有高階諧頻分量。齒輪振動(dòng)的各調(diào)制邊頻可寫為 式中fm為齒輪副的嚙合頻率；fr1，fr2為主動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；P1, 2, 3,為嚙合頻率各階諧頻的序數(shù)；M，N=1,2,3分別為主、被動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的各階諧頻序數(shù)。 由此可見，齒輪振動(dòng)的邊頻帶分布非

19、常復(fù)雜，如果齒輪箱中同時(shí)有幾對(duì)齒輪嚙合，其邊頻帶往往重疊一起，很難直接從頻譜圖中識(shí)別特征頻率。21rrmNfMfPff邊 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 1、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其低階諧頻主要由于轉(zhuǎn)軸對(duì)中不良、軸變形、零件松動(dòng)等原因引起，使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生附加脈沖2、齒輪的嚙合頻率及其諧頻、邊頻帶（由齒形誤差、齒面損傷等引起）(3) 齒輪振動(dòng)頻譜的組成成分被周期信號(hào)調(diào)制的振動(dòng)信號(hào)（對(duì)稱于零線）被附加脈沖調(diào)制的振動(dòng)信號(hào)（不對(duì)稱于零線）5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 3、齒輪副的各階固有頻率由于齒輪嚙合時(shí)齒間撞擊（往往由故障所致）而引起的齒輪自由衰減振動(dòng)。振動(dòng)表現(xiàn)為衰減曲線，

20、位于高頻區(qū)，幅值較小4、齒輪加工機(jī)床分度齒輪的嚙合頻率及其諧波分度齒輪的誤差較大影響到被加工齒輪的齒形精度譜線在嚙合頻率附近。隨著齒輪的跑合，分度誤差的影響會(huì)由于齒面磨損而減少，對(duì)應(yīng)頻譜幅值降低(3) 齒輪振動(dòng)頻譜的組成成分5.3 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 5.4 齒輪故障方法齒輪故障方法 振動(dòng)和噪聲信號(hào)是齒輪故障特征信息的載體，目前能夠通過各種信號(hào)傳感器、放大器及其他測(cè)量?jī)x器，很方便地測(cè)量出齒輪箱的振動(dòng)和噪聲信號(hào)，通過各種分析和處理，提取其故障特征信息，從而診斷出齒輪的故障。 目前常用的信號(hào)分析處理方法有以下幾種： 頻域分析，包括功率譜、細(xì)化譜； 時(shí)域分析方

21、法，包括時(shí)域波形、調(diào)幅解調(diào)、相位解調(diào)等； 時(shí)頻域分析方法，包括短時(shí)FFT，維格納分布，小波分析等； 瞬態(tài)信號(hào)分析方法，包括瀑布圖等。 倒頻譜分析； 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 5.4 齒輪故障方法齒輪故障方法 由于齒輪的振動(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)的譜線會(huì)發(fā)生特定的變化。 由于齒輪故障在頻譜圖上反映出的邊頻帶比較多，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。 （1）頻率細(xì)化分析技術(shù)）頻率細(xì)化分析技術(shù) 1 頻譜分析法頻譜分析法 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 可選頻帶的頻率

22、細(xì)化分析可選頻帶的頻率細(xì)化分析法法 Zoom-FFTZFFT的步驟為：移頻（復(fù)調(diào)制，將要分析的頻帶移到以零為中心對(duì)稱的頻帶），低通數(shù)字濾波(對(duì)移頻后分析頻帶以外的高頻成分濾波)，重抽樣(降低采樣頻率，提高頻率分辨率)，F(xiàn)FT及譜分析和頻率成分調(diào)整。需要存放中間數(shù)據(jù)的內(nèi)存空間巨大而限制了最大細(xì)化倍數(shù)，低通濾波器性能限制了精度和最大細(xì)化倍數(shù)，計(jì)算量較大，頻率成分調(diào)整較復(fù)雜。 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 基于復(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1）確定中心頻率及細(xì)化倍數(shù)。 2）構(gòu)造一個(gè)復(fù)解析帶通濾波器 3）選抽濾波。 4）復(fù)調(diào)制移頻。 5）作點(diǎn)FFT和譜分析，取正頻率部

23、分 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 模擬信號(hào)實(shí)例模擬信號(hào)實(shí)例模擬電流工頻信號(hào)50.1Hz，模擬調(diào)制信號(hào)頻率0.121Hz，用來驗(yàn)證在特征頻率很小，被工頻信號(hào)淹沒的情況下，基于復(fù)解析帶通濾波器的細(xì)化選帶頻譜分析方法對(duì)于相鄰頻率分量的分離效果。模擬信號(hào)采樣頻率為2048Hz，加Hanning窗，進(jìn)行FFT變換，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)1024，頻率分辨率為2Hz。圖 (b)為未細(xì)化的頻譜，由圖我們可以看出，幾個(gè)譜峰完全疊加在一起，形成了一個(gè)譜峰。 180/101 .502cos*180/40121. 02cos1tttx020406080-2-1012時(shí) 間 t幅值 A484950515200.511.52頻 率 Hz幅

24、值 A 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 細(xì)化結(jié)果（含校正）細(xì)化結(jié)果（含校正）484950515200.511.52頻 率 Hz幅值 A理論值細(xì)化值細(xì)化校正值頻率49.97949.97349.975幅值0.50.47270.4796頻率50.150.09350.102幅值10.96020.9602頻率50.22150.22750.222幅值0.50.47500.4819細(xì)化校正結(jié)果如表所示，顯然，經(jīng)過細(xì)化分析，模擬調(diào)制信號(hào)的載波頻率和調(diào)制頻率成分被完全分離開來， 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 頻率細(xì)化分析技術(shù)應(yīng)用頻率細(xì)化分析技術(shù)應(yīng)用 齒輪振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析 從(a)圖中可幾以看出，在所分析的0-2kHz頻率范圍內(nèi)

25、，有1-4階的嚙合頻率的譜線，還可較清晰地看出有間隔為25Hz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。 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 頻率細(xì)化分析技術(shù)應(yīng)用頻率細(xì)化分析技術(shù)應(yīng)用 利用頻譜細(xì)化分析技術(shù)，對(duì)其中900-1100Hz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8.3Hz，它是由于轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為8.3Hz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。 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 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 倒頻譜分析

26、倒頻譜分析 對(duì)于同時(shí)有多對(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)生邊頻帶，幾個(gè)邊頻帶交叉分布在一起，僅進(jìn)行頻率細(xì)化分析有時(shí)還無法看清頻譜結(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)一步做倒頻譜分析。 倒頻譜能較好地檢測(cè)出功率譜上的周期成分，將原來譜上成簇的邊頻帶譜線簡(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)。 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 倒頻譜分析優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)周期性的能力倒頻譜分析優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)周期性的能力齒輪箱振動(dòng)信號(hào)邊頻帶的倒譜分析齒輪箱振動(dòng)信號(hào)邊頻帶的倒譜分析 1-嚙合頻率；2，3-高次諧波；A1A6

27、80Hz諧波；B1 B6為50Hz諧波(a)振動(dòng)信號(hào)頻譜 包含嚙合頻率(4.3kHz)的三次諧波，由于頻率分辨率太低(50Hz ),沒有邊頻帶(b)2000線功率譜（3.5-13.5kHz） 包含三次諧波，但不包含兩根軸回轉(zhuǎn)頻率的低次諧波(c)7.5-9.5kHz的細(xì)化頻譜 看到軸轉(zhuǎn)速形成的邊頻帶(d)倒譜 清楚地表明了對(duì)應(yīng)兩根軸回轉(zhuǎn)頻率（80Hz和50Hz）地分量A1,B1 而在高分辯率譜圖(c)中卻難以分辯。 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù) 倒頻譜分析優(yōu)點(diǎn)：精確辨識(shí)頻譜中的周期特性倒頻譜分析優(yōu)點(diǎn)：精確辨識(shí)頻譜中的周期特性功率譜正常狀態(tài)的功率譜無明顯周期性，而從異常狀態(tài)的功率譜中可看出有大量間距為正常狀態(tài)的功率譜無明顯周期性，而從異常狀態(tài)的功率譜中可看出有大量間距為10Hz的邊頻。的邊頻。在倒譜上能清晰的看到兩個(gè)倒頻率在倒譜上能清晰的看到兩個(gè)倒頻率1）對(duì)應(yīng)于輸入軸轉(zhuǎn)速的倒頻譜諧波）對(duì)應(yīng)于輸入軸轉(zhuǎn)速的倒頻譜諧波35.6Hz。2）10.4Hz的倒頻率的倒頻率因?yàn)檩敵鲚S的回轉(zhuǎn)頻率為因?yàn)檩敵鲚S的回轉(zhuǎn)頻率為5.4Hz，其二次諧波為，其二次諧波為10.8Hz而不是而不是10.4Hz。最后，找到二檔齒輪是調(diào)制源，其回轉(zhuǎn)頻率準(zhǔn)確為最后，找到二檔齒輪是調(diào)制源，其回轉(zhuǎn)頻率準(zhǔn)確為10.4Hz。由此說明了倒譜辨識(shí)周期性的精確度。由此說明了倒譜辨識(shí)周期性的