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1、故障诊断方法与应用齿轮常见故障与诊断一、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故障诊断方法与应用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
2、中心和旋转中心不重齿轮（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。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。故障诊断方法与应用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)：齿齿轮轮轴轴不不平平行行时时，会会在在齿齿宽宽方方向向只只有有一一端端接接触触，或或者者出出现现齿齿轮轮的的直直线线性性偏偏差差等等，使使齿齿轮轮所所承承受受的的载载荷荷在在齿
3、宽方向不均匀，不能平稳地传递动扭矩，齿宽方向不均匀，不能平稳地传递动扭矩，图图(b)(b)：齿的局部承受过大的载荷，有可能造成断齿。：齿的局部承受过大的载荷，有可能造成断齿。 第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断故障诊断方法与应用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，造成色变、胶合等故障。过热，造成色变、胶合等故障。 导致润滑不良的原因是多方面的，如：油路导致润滑不良的原因是多方面的，如：油路堵塞、喷油孔堵塞，润滑油中进水、润滑油
4、变质、堵塞、喷油孔堵塞，润滑油中进水、润滑油变质、油温过高等都会造成齿面润滑不良。油温过高等都会造成齿面润滑不良。故障诊断方法与应用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（4 4）超载）超载 对于工作负荷不平稳的齿轮驱动装置对于工作负荷不平稳的齿轮驱动装置( (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，就会造成轮齿过载断裂，或者有适当的保护措施，就会造成轮齿过载断裂，或者长期过载导致大量轮齿根部疲劳裂纹、断裂。长期过载导致大量轮齿根部疲劳裂纹、断裂。（5 5）操作失误）操作失误
5、 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。故障诊断方法与应用齿轮常见故障与诊断二、齿轮的振动机理二、齿轮的振动机理1 1、齿轮的力学模型分析、齿轮的力学模型分析 齿齿轮轮具具有有一一定定的的质质量量，轮轮齿齿可可看看作作是是弹弹簧簧，所所以以若若以以一一对对齿齿轮轮作作为为研研究究对对象象，则则该该齿齿轮轮副副可可以以看作一个振动系统。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 齿齿轮轮的的振振动动主主要要是是由由k(t)k(t)的的这这种种周周期期变变化化引引起起的。的。 k(t
6、)k(t) 为为周周期期性性的的变变量量：一一是是随随着着啮啮合合点点位位置置而而变变化化，二二是是参参加加啮啮合合的的齿齿数数在变化。在变化。故障诊断方法与应用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式中：式中：n1、n2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。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
7、合刚度的变化频率称为啮合频率。故障诊断方法与应用齿轮常见故障与诊断 2 2、幅值调制与频率调制、幅值调制与频率调制 齿齿轮轮振振动动信信号号的的调调制制现现象象中中包包含含有有很很多多故故障障信信息息，从从频频域域上上看看，信信号号调调制制的的结结果果是是使使齿齿轮轮啮啮合频率周围出现边频带成分。合频率周围出现边频带成分。 信号调制可分为两种：幅值调制和频率调制。信号调制可分为两种：幅值调制和频率调制。 第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断故障诊断方法与应用齿轮常见故障与诊断 （1 1）幅值调制）幅值调制 幅幅值值调调制制是是由由于于齿齿面面载载荷荷波波动动对对振振动动幅幅值值的
8、的影影响响而而造造成成的的。幅幅值值调调制制从从数数学学上上看看，相相当当于于两两个个信信号号在在时时域上相乘；而在频域上，相当于两个信号的卷积。域上相乘；而在频域上，相当于两个信号的卷积。 载载波波信信号号频频率率相相对对来来说说较较高高；调调制制信信号号频频率率相相对对于于载载波波频频率率来来说说较较低低。在在齿齿轮轮信信号号中中，啮啮合合频频率率成成分分通通常常是载波成分，齿轮轴旋转频率成分通常是调制波成分。是载波成分，齿轮轴旋转频率成分通常是调制波成分。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断故障诊断方法与应用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
9、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边频族。啮合频率及其倍频成分两侧的边频族。故障诊断方法与应用齿轮常见故障与诊断（2 2）频率调制）频率调制 齿齿轮轮载载荷荷不不均均匀匀、齿齿距距不不均均匀匀及及故故障障造造成成的的载载荷荷波波动动，除除了了对对振振动动幅幅值值产产生生影影响响外外，同同时时也也必必然然产产生生扭扭矩矩波波动动，使使齿齿轮轮转转速速产产生生波波动动。这这种种波波动动表表现现在在振振动动上上即即为为频频率率调调制制
10、( (也也可可以以认认为为是是相相位位调制调制) )。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断故障诊断方法与应用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。两种调制总是同时存在的。对于质量会导致频率调制。两种调制总是同时存在的。对于质量较小的齿轮副，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
11、很多边频成分。故障诊断方法与应用齿轮常见故障与诊断三、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 当当边边频频带带的的间间隔隔（故故障障频频率率）小小于于分分辨辨率率时时，就就分分析不出齿轮的故障，可采用频率细化技术提高分辨率。析不出齿轮的故障，可采用频率细化技术提高分辨率。第九章第九章 齿轮常见故障与诊断齿轮常见故障与诊断故障诊断方法与应用齿轮常见故障与诊断 倒倒频频谱谱能能够够明明显显地地显显示示出出功功率率谱谱上上的的周周期期成成分分，将将原原来来成成族族的的边边频频带带谱谱线线简简化化为为单单根根谱谱线线，便便于于观观察察。可可由由此此检检测测出出齿齿轮轮
12、故故障障时时振振动动频频谱谱中中的的等等间间隔边频带。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故障诊断方法与应用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，其波形为周期性的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波衰减波形。其低频信号具有近似正弦波的啮合波形。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
13、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故障诊断方法与应用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 齿轮均匀磨损是指齿轮均匀磨损是指由于齿轮的材料、润由于齿轮的材料、润滑等方面的原因或者滑等方面的原因或者长期在高负荷下工作长期在高负荷下工作造成大部分齿面磨损。
14、造成大部分齿面磨损。 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故障诊断方法与应用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 频域特征：齿面均匀磨损时，啮合频率及其谐波分频域特征：齿面均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量量n n倍频在频谱图上的位置保持不变，但其幅值大小发倍频在频谱图上的位置保持不变，但其幅值大小发生改变，而且高次谐波幅值相对增大较多。分析时，生改变，而且高次谐波幅值相对增大较多。分析时，要分析三个以上谐波的幅值变化才能从频谱上检测出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。这种特征。 随着磨损的加剧，还有可能产生分
15、数谐波，有时随着磨损的加剧，还有可能产生分数谐波，有时在升降速时还会出现呈非线性振动的跳跃现象。在升降速时还会出现呈非线性振动的跳跃现象。故障诊断方法与应用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故障实例故障实例故障诊断方法与应用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）齿轮偏心）齿轮偏心 齿齿轮轮偏偏心心是是指指齿齿轮轮的的中中心心与与旋旋转转轴轴的的中中心心不不重重合，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。 时时域域特特征征：当当一一对对互互相相啮啮合合的的齿齿轮轮中中有有一一个个齿齿轮轮存存在在偏偏
16、心心时时，其其振振动动波波形形由由于于偏偏心心的的影影响响被被调调制制，产生调幅振动。产生调幅振动。故障诊断方法与应用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 频频域域特特征征：齿齿轮轮存存在在偏偏心心时时，其其频频谱谱结结构构将将在在两两个个方方面面有有所所反反映映：一一是是以以齿齿轮轮的的旋旋转转频频率率为为特特征征的的附附加加脉脉冲冲幅幅值值增增大大；二二是是以以齿齿轮轮一一转转为为周周期期的的载载荷荷波波动动，从从而而导导致致调调幅幅现现象象，这这时时的的调调制制频频率率为为齿齿轮轮的的回回转转频频率，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
17、多。故障诊断方法与应用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）齿轮不同轴）齿轮不同轴 齿齿轮轮不不同同轴轴故故障障是是指指由由于于齿齿轮轮和和轴轴装装配配不不当当造造成成的的齿齿轮轮和和轴轴不不同同轴轴。不不同同轴轴故故障障会会使使齿齿轮轮产产生生局局部部接接触，导致部分轮齿承受较大的负荷。触，导致部分轮齿承受较大的负荷。 时域特征：时域信号具有明显的调幅现象。时域特征：时域信号具有明显的调幅现象。 频频域域特特征征：在在频频谱谱上上产产生生以以n n倍倍啮啮合合频频率率为为中中心心，以以故故障障齿齿轮轮的的旋旋转转频频率率为为间间隔隔的的一一阶阶边边频
18、频族族。同同时时，故故障齿轮的旋转特征频率在频谱上有一定反映。障齿轮的旋转特征频率在频谱上有一定反映。故障诊断方法与应用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（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齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲，的振动波形是典型的以齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲，如图所示。具有局部异常故障的齿轮，将以旋转频率为如图所示。具有局部异常故障的齿轮，将以旋转频率为主
19、要频域特征。主要频域特征。故障诊断方法与应用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故障实例故障实例故障诊断方法与应用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（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：频域上包含旋转频率的上包含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
20、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等。间隔的边频等。故障诊断方法与应用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（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：齿轮产生以调幅为主、调频为辅的振动。时域特征：齿轮产生以调幅为主、调频为辅的振动。频域特征：在啮频域特征：在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，齿轮轴的旋转频率及轴的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。故障诊断方法与应用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故障诊断方法与应用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故障诊断方法与应用齿轮常见故障与诊断
