齿轮轴承监测及诊断技术P--西交
西安交通大学科技成果——齿轮与刀具精密测量
西安交通大学科技成果——齿轮与刀具精密测量
成果简介
本项目在数控系统、伺服驱动系统以及机械系统等三个方面开展全新的选型设计，开发出可达到VDI/VDE2612/2613I级精度标准的齿轮与刀具精密测量系统，可以测量1级以上精度的齿轮及齿轮加工刀具，相较国内同类产品测量效率提高4倍。
本测量系统从机械结构和材料两个方面进行全新设计，并采用如有限元等现代设计方法进行分析，提高结构的稳定性和可靠性。
在结构上，关键零部件采用了花岗岩材料，可以明显降低温度对系统精度的不利影响；在导向结构上，应用标准精密直线导轨取代了非标密珠直线导轨，不仅简化了结构的安装工艺，还提高了系统的模块化程度，使得同一零部件在不同型号设备上具有一定的兼容性；采用ANSYS
分析机械结构精度与温度变化的关系，通过结构的优化设计降低温度对系统机械精度的影响。
数控系统是CNC齿轮测量机的关键技术。
与已有的国产测量中心数控系统相比，本项目所开发数控系统具备：①三维模拟量测头接口和高速数据采集通道，为齿轮测量机选用三维测头提供了技术支持；
②支持直线电机驱动单元，实现了直线轴的全闭环控制，提高了运动控制精度和系统动态响应频率，最终提高了齿轮测量中心的测量精度和测量效率。
伺服驱动硬件上采用直线电机，实现的“零”传动，消除了丝杠对导轨导向精度的影响，由于没有了传动环节，定位精度可以得到显著提高，消除了齿轮等传动背隙对定位精度的影响；主轴旋转电机采用直驱电机，通过连轴器直接驱动主轴旋转，达到精密定位的要求；选用智能伺服放大器，实现工作台与驱动器之间的闭环控制，同时在控制器与工作台之间形成第二层闭环控制，提高系统的伺服控制精度。
滚动轴承和齿轮振动信号分析与故障诊断方法
滚动轴承和齿轮振动信号分析与故障诊断方法目录一、内容综述 (2)二、滚动轴承振动信号分析 (3)1. 滚动轴承工作原理及结构特点 (4)2. 振动信号产生机制 (5)3. 振动信号采集与处理 (6)三、齿轮振动信号分析 (7)1. 齿轮工作原理及故障类型 (8)2. 振动信号特征提取 (10)3. 齿轮故障识别与诊断 (11)四、滚动轴承与齿轮振动信号分析方法 (12)1. 时域分析 (13)2. 频域分析 (14)3. 时频域联合分析 (16)五、故障诊断方法 (17)1. 基于振动信号特征的故障诊断 (18)2. 基于模型的故障诊断 (20)3. 基于智能算法的故障诊断 (21)六、实验与应用实例 (22)1. 实验设计 (24)2. 实验结果与分析 (25)3. 应用实例介绍 (26)七、结论与展望 (28)1. 研究结论 (29)2. 展望未来发展趋势 (29)一、内容综述本文档旨在全面阐述滚动轴承和齿轮振动信号分析与故障诊断方法的研究现状、发展趋势及其重要性。
随着工业领域的快速发展，滚动轴承和齿轮作为机械设备中的关键部件，其运行状态的正常与否直接关系到整个系统的稳定性和效率。
针对滚动轴承和齿轮的振动信号分析以及故障诊断方法的研究具有极其重要的实际意义。
滚动轴承和齿轮的故障诊断主要依赖于振动信号分析，通过对振动信号的特征提取和模式识别，实现对设备状态的实时监测和故障诊断。
随着信号处理技术和人工智能技术的不断进步，滚动轴承和齿轮振动信号分析的方法日趋成熟，为设备的故障诊断提供了有力的技术支持。
本文首先概述了滚动轴承和齿轮的基本结构、工作原理及其在机械设备中的重要地位。
然后重点介绍了振动信号分析的基本原理和方法，包括信号采集、特征提取、模式识别等关键环节。
接着详细阐述了基于振动信号的故障诊断方法，包括传统方法如频谱分析、包络分析等，以及近年来新兴的基于机器学习和深度学习的诊断方法。
对滚动轴承和齿轮振动信号分析与故障诊断方法的未来发展趋势进行了展望。
论述齿轮故障诊断常用的方法及其优缺点
论述齿轮故障诊断常用的方法及其优缺点齿轮是一种常用的传动元件，广泛应用于机械设备中。
传动系统中齿轮的故障对设备的运行造成严重影响，因此及早发现并进行故障诊断十分重要。
目前常用的齿轮故障诊断方法包括声发射技术、振动分析技术、热像技术和油液分析技术等。
声发射技术是一种将振动信号转化为声音信号进行故障诊断的方法。
通过设备表面安装传感器，实时监测设备的声音信号，并通过分析频谱、振幅等参数判断齿轮的故障情况。
声发射技术具有实时性强、便于实施的优点，能够及时发现齿轮故障并进行修复。
然而，该方法需要设备运行时进行监测，容易受到环境噪声的干扰，准确度还受到传感器安装位置的影响。
振动分析技术是一种通过监测设备振动信号进行故障诊断的方法。
通过安装加速度传感器等设备来实时监测设备的振动情况，并通过分析振动信号的频谱、时间域参数等来判断齿轮的故障情况。
振动分析技术具有灵敏度高、准确度好的优点，可以有效诊断齿轮故障。
但是，该方法需要专业的设备和人员进行操作，成本较高并且需要较长的时间进行数据采集和分析。
热像技术是一种通过监测设备表面温度分布进行故障诊断的方法。
通过红外热像仪等设备进行拍摄和分析设备表面的热图，判断设备是否存在异常温度分布，从而判断齿轮的故障情况。
热像技术具有快速、直观的优点，可以实时监测设备的热情况，识别齿轮的故障。
然而，热像技术容易受到环境温度的干扰，而且只能发现故障的存在，无法提供具体故障原因。
油液分析技术是一种通过监测设备工作油液中的杂质、磨粒等物质进行故障诊断的方法。
通过采集设备工作油液样本，并通过分析油液中的化学成分、颗粒物大小等参数来判断齿轮的磨损情况。
油液分析技术具有精确度高、可以提前预警的优点，能够实时监测设备的磨损状态。
但是，该方法需要专业设备和人员进行操作，需要对样本进行准确采集和分析。
综上所述，齿轮故障诊断的常用方法包括声发射技术、振动分析技术、热像技术和油液分析技术等。
每种方法都有其独特的优点和局限性。
浅析齿轮故障振动诊断技术(doc 7页)
浅析齿轮故障振动诊断技术(doc 7页)7-3 齿轮故障振动诊断技术7.3.1 概述齿轮传动在机械设备中应用很广，齿轮损伤是导致设备故障的重要原因，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、齿轮常见故障传动齿轮常见的故障按产生的原因划分有以下几种。
（1）齿面磨料磨损润滑油不清洁、磨损产物以及外部的硬颗粒侵入接触齿面都会在齿面滑动方向产生彼此独立的划痕，使齿廓改变，侧隙增大，甚至使齿厚过度减薄，导致断齿。
（2）齿面粘着磨损重载、高速传动齿轮的齿面工作区温度很高，如润滑不好，齿面间油膜破坏，一个齿面上的金属会熔焊在另一个齿面上，在齿面滑动方向可看到高低不平的沟槽，使齿轮不能正常工作。
（3）齿面疲劳磨损疲劳磨损是由于材料疲劳引起，当齿面的接触应力超过材料允许的疲劳极限时，在表面层将产生疲劳裂纹，裂纹逐渐扩展，就要使齿面金属小块断裂脱落，形成点蚀。
严重时点蚀扩大连成一片，形成整块金属剥落，使齿轮不能正常工作，甚至使轮齿折断。
（4）轮齿断裂轮齿如同悬臂梁，根部应力最大，且有应力集中，在变载荷作用下应力值超过疲劳极限时，根部要产生疲劳裂纹，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。
传动齿轮的常见故障按分布特征划分有以下两种。
（1）分布故障齿轮损伤分布在所有轮齿的齿面上，如磨料磨损等。
（2）局部故障齿轮损伤只在一个或几个轮齿上，如剥落、断齿等。
二、齿轮监测诊断方法监测诊断齿轮工作状态的方法大体分两大类：第一类是采集运行中的动态信息（一般是振动或噪声）根据它们的变化进行诊断；第二类是对润滑油进行分析，根据油中磨损产物的状况进行诊断。
在这里只介绍根据振动信号监测诊断齿轮状态的方法。
齿轮振动监测时，由于实际上的种种困难，一般都把传感器布置在齿轮箱的轴承盖上或轴承座附近刚性好的部位，所以传感器的输出不仅有被监测齿轮特定周期的振动信息，还有许多其它齿轮等零件的周期振动信息和随机振动信息，而且被监测齿轮的振动信息由于传递环节多，损失还很大（特别是高频成分）。
齿轮故障诊断技术ppt课件
2.齿轮的故障类型
齿轮由于某种原因不能正常工作的现象，或者说齿轮 在其使用过程中，由于某些原因而丧失工作能力或功能参 数漂移到界限值以外的现象，被称为齿轮故障。
从总体上讲，齿轮故障可划分为两大类: 一类是由制造和装配等原因造成的，如齿轮误差、齿 轮与内孔不同心、各部分轴线不对中、不平衡等;另一类 则是齿轮由于长期运行而形成的，如齿轮表面发生点蚀、 疲劳剥落、磨损、塑性流动、胶合以及齿根裂纹，断齿及 其他损伤等故障。
的脉冲。因此，它在频域中表现为在啮合频率两边产生了 一簇幅值较高、起伏较大、分布较窄的边频带。
均匀分布的故障信号特征
22
4.2.2频率调制
若载波信号为：
Asin(2fmt 0 )
制信号为：
sin(2frt)
频率调制可表示为： x(t) Asin[2fmt sin(2frt) 0 ]
20
（1）局部性缺陷：发生断齿或大的剥落等，当啮合点进入到缺 陷处，齿轮就产生一个冲击脉冲。由于脉冲信号可以分解为许多 正弦分量之和，因此在频谱上形成以啮合频率为中心的一系列边 频。其特点是边频数量较多，幅值较低，分布比较均匀平坦。
21
(2) 均布缺陷 是指比较均匀分布的缺陷，它相当于时域包络线较宽
齿轮调频信号 (a)齿距周期性变化产生调频信号
(b)频谱图
24
调频、调幅综合影响下的边频带
25
4.3典型故障与特征信号的关系
断齿或裂纹： 以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮所在
轴转频及其倍频为调制频率，调制边频带宽而高。 齿轮均匀磨损：
齿轮的啮合频率及其谐波的幅值明显增大。 齿面剥落等集中性故障：
齿轮故障诊断技术
1
西安交通大学科技成果——复杂齿轮三坐标测量分析技术
西安交通大学科技成果——复杂齿轮三坐标测量分析技术项目简介
复杂齿轮因其平稳可靠的传动、较高的承载能力等优点被广泛应用于航空航天、航海、汽车、拖拉机等。
齿轮的加工精度直接影响着其寿命和可靠性，因此，对齿轮的各项参数的检测就显得至关重要。
由于其齿面是一个十分复杂的空间曲面，其检测技术不如普通齿轮成熟，且复杂齿轮的专用检测仪器依赖进口，价格昂贵，技术封锁，难以实现推广应用。
本项目基于三坐标测量机开发了可用于弧齿锥齿轮等复杂齿轮精密检测的测量及分析技术。
应用该技术可利用三坐标测量机实现齿轮工件的齿廓偏差、螺旋线偏差、齿距偏差的精密测量。
市场前景及应用
齿轮的用途很广，是各种机械中重要的零件，近年来齿轮的设计和制造以及检测取得了显著的进步，在复杂齿轮的检测技术方面与国际上水平相差甚远。
本项目从复杂齿轮的齿廓曲面成形过程出发，推导出齿面方程及齿面法向方程，并建立数学模型，完成对测量路径的规划。
微位移传感器根据规划的测量路径运动，传感器示值的变化会反应出理论规划路径和实际齿面的差异，即实际齿面的误差情况。
齿轮故障监测与诊断
齿轮故障监测与诊断引言齿轮作为机械传动装置的重要组成部分，在工业生产过程中扮演着重要的角色。
齿轮故障可能会导致传动装置的失效，进而影响整个生产系统的稳定性与可靠性。
因此，对齿轮的故障监测与诊断显得尤为重要。
本文将介绍齿轮故障的常见类型、监测方法以及诊断技术，旨在为工程师提供相关知识以改善齿轮传动系统的运行。
齿轮故障的常见类型齿轮故障的常见类型包括齿面磨损、齿面损伤、齿根断裂和轴向偏移等。
齿面磨损是由于齿轮之间的相对滑动引起的，主要表现为齿面的变平、光亮和磨耗。
齿面损伤是因为齿轮传动系统在运行过程中受到冲击、振动或过载等因素的影响，造成齿轮齿面的断裂、脱落或裂纹等问题。
齿根断裂是由于齿轮齿面强度不足或负载过大引起的，造成齿根的断裂或塑性变形。
轴向偏移是指齿轮轴线之间的相对位移，可能会导致齿轮啮合不良，进而影响传动效果。
齿轮故障监测方法齿轮故障的监测方法可以分为在线监测和离线监测两种。
在线监测在线监测是指在齿轮传动装置运行过程中，利用各种传感器、信号采集装置和数据分析方法来实时监测齿轮的工作状态。
常见的在线监测方法包括：1.振动分析：通过安装加速度传感器或振动传感器来检测齿轮传动系统的振动信号，根据振动信号的频率、幅值和相位等特征来判断齿轮是否存在故障。
2.声学分析：利用麦克风等设备采集齿轮传动系统产生的声音信号，通过对声音信号的频谱分析和波形分析来判断齿轮的工作状态。
3.温度监测：通过安装温度传感器来检测齿轮传动系统的温度变化，高温可能是齿轮摩擦、磨损或润滑不良的表现。
4.油液分析：对齿轮传动系统的润滑油进行样品采集，并使用油液分析仪器检测油液中的金属颗粒、水分和污染物等指标，以判断齿轮的工作状态。
离线监测离线监测是指在齿轮传动装置停止运行后，通过对齿轮进行拆卸和检查来判断其工作状态。
常见的离线监测方法包括：1.目视检查：人工检查齿轮表面的磨损、损伤和断裂等情况，同时还可检查齿轮啮合间隙和轴向偏移等问题。
齿轮故障监测与诊断XXXX1010
4.2 调制效应产生的边频带
1) 幅值调制
齿轮振动信号的频谱上边频带的形成机理
4.2 调制效应产生的边频带
1) 幅值调制
齿轮缺陷分布对边频带的影响
4.2 调制效应产生的边频带
2) 频率调制
•频率调制可以认为是相位调制，相当于载 波信号受到调制信号的调制作用而变成宽频 信号。 •齿轮转速产生波动，表现在振动上为频率 调制。
一个称为调制波，频率较低→齿轮回转频率
4.2 调制效应产生的边频带
1) 幅值调制
设：齿轮啮合振动分量为：
齿轮轴的转频信号为：
4.2 调制效应产生的边频带
1) 幅值调制
则：幅值调制后的振动信号为 ：
式中：A—振幅；B—调制指数； fr—调制频率。
4.2 调制效应产生的边频带
1) 幅值调制
在频域中可表示为：动方向和改 变运动形式等功能。 • 齿轮传动装置是机械设备中必不可少的连 接和传递动力的通用零部件。 • 齿轮失效是诱发设备故障的重要因素。
1.2 齿轮故障诊断的发展与现状 • 齿轮箱故障诊断技术是当前国内外热门的研
究课题之一。
• 20世纪70年代初出现一些简单的齿轮箱故 障诊断技术，仅限于测量分析一些简单的振 动参数，例如：振动峰值、均方根值等，通 过观察这些参数的变化来掌握齿轮的运行状 态。
1
2
z2 z1
两个相啮合的齿轮按此 关系匀速地回转
3.3 齿轮振动影响因素
2）齿轮传动误差
• 实际齿轮不是绝对刚性的，同时由于如齿轮制造误 差、齿面温升、磨损等各种因素的影响，相啮合的
两个齿轮相对角速度不均匀，从动轮产生角加速度。
上述转角关系应修正为：
1
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齿轮的振动分析及频率特性
齿轮振动的频率特性
�
幅值调制
� 调制后的信号，除啮合频率分量外，增加 了 f z ± f r 分量，它以啮合频率为中心，以fr
为间距对称分布于两侧，称边频带
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齿轮监测及诊断技术
2011. 10. 05
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目录
齿轮的失效形式及原因 齿轮的振动分析及频率特性 齿轮故障诊断
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齿轮的振动分析及频率特性
齿轮的振动的频率特性
齿轮振动信号频谱 a）理想情况，（b）实际情况
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r2
齿轮的振动分析及频率特性
齿轮的振动分析
M = m1m2
(m1 + m2 )
换算质量
( M 2 − iM 1 )
如果不考虑摩擦力的影响， 且把 E (t )分解为 E (t ) = E1 + E2 (t ) 则上式可简化成
齿轮的振动分析及频率特性
齿轮的振动的频率特性
Y
一阶拟合频率 齿轮1产生的边频 二阶拟合频率
齿轮2产生的边频
f
一对啮合齿轮的振动信号频谱结构
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齿轮的振动分析及频率特性
齿轮振动的频率特性
�
�
�
实际中调幅与调频总是同时存在，边频成分是两种 调制单独作用时所产生的边频成分的叠加，所以诊 断时应注意 两者共同作用时，由于边频具有不同的相位，叠加 时为向量相加，叠加后的边频幅值有的增加，有些 减小→ 引起边频带不对称 边频具有不稳定性，调幅调频的相对相位关系 受 随机因素的影响，会改变边频带的形状
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齿轮的振动分析及频率特性
齿轮振动的频率特性
�
齿轮振动中的其它频率成分 � 附加脉冲
齿轮振动信号中分解出附加脉冲 (a)总信号，(b)附加脉冲，(c)调幅信号
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2 2 2 2
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齿轮的振动分析及频率特性
齿轮振动的频率特性
�
幅值调制
� 所以频域中形成啮合频率及其倍频成分两侧的边
频簇 fz ± jfr
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5
齿轮的失效形式及原因
齿面接触疲劳
�
�
齿面相对运动→脉动循环变化的接触应力 （剪应力）→应力超过材料剪切极限→表面 裂纹→裂纹扩展→齿面剥落 当齿轮材质不均或局部擦伤时，容易产生接 触疲劳
齿轮振动的频率特性
�
齿轮振动中的其它频率成分
� 附加脉冲
调制产生的信号(时域)对称于零线，实际测 到的信号不一定对称于零线。可把信号分解 成调制信号与附加脉冲的叠加 � 调制在频域中产生边频带 � 附加脉冲在频域中产生转频的低次谐波
�
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r2
=0
̇̇ + Cx ̇ + k (t ) x = k (t ) E1 + k (t ) E2 (t ) Mx
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齿轮的振动分析及频率特性
齿轮的振动分析
上式，左端是齿轮副本身的振动，右端是激振函数 即齿轮的振动来源为两部分 (1) k (t ) E1 常规振动，与齿轮的误差、故障无关 (2) k (t ) E2 取决于齿轮的综合刚度及故障函数 周期性变量，齿轮的振动由刚度 k (t ) 周期性变 化引起的
1 1 f z = f z1 = f z 2 = n1 z1 = n2 z2 60 60
z1、z2 齿轮的齿数
n1、n2 转速
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齿轮的振动分析及频率特性
齿轮振动的频率特性
� 一般当润滑油粘度低、高温时会产生这种现象 � 磨损会造成齿廓变形、齿厚变薄、侧隙变大→
断齿
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4
齿轮的失效形式及原因
齿面点蚀
�
轮齿工作时当齿面接触应力超过材料的接触 疲劳极限时，在载荷多次重复作用下，齿面 表层产生细微疲劳裂纹。裂纹的蔓延、扩 展，造成许多微粒从工作表面上脱落下来， 在表面出现许多月牙形的浅坑，称为齿面疲 劳点蚀
� 齿轮转速产生波动，表现在振动上为频率
调制 � 设载波信号为 A sin(2π f z t + ϕ ) � 调制信号为 β sin(2π f r t ) � 调频后的信号为
x (t ) = A s in [ 2 π f zt + β s in ( 2 π f rt ) + ϕ ]
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� 调频振动信号包含有无限多个频率分量，以啮合频
率为中心，以调制频率为间隔形成无限多对调制边 频带，形状取决于调制指数β
β =εz
�
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ε
齿轮相对角速度波动系数， z 齿数
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齿轮的振动分析及频率特性
齿轮振动的频率特性
�
频率调制
� 频率调制与幅值调制总的共同点
� � �
载波频率相等 边频带对应相等 边频带对称于载波频率
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齿轮的振动分析及频率特性
K, 1000 N/m
K, 1000 N/m
5
5 P
4 3 2 1
4 3 2 1
Ko B time T
time T
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A
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齿轮的振动分析及频率特性
齿轮振动的频率特性
�
啮合频率
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� 式中，J1 ( β )、J 2 ( β ) ⋯⋯ 为贝赛尔系数
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齿轮的振动分析及频率特性
齿轮振动的频率特性
�
频率调制
� 频谱为
A {J 0 ( β )δ ( f − f z ) + J1 ( β )δ ( f − f z + f r ) + J1 ( β )δ ( f − f z − f r ) 2 + J 2 ( β )δ ( f − f z + 2 f r ) + J 2 ( β )δ ( f − f z − 2 f r ) + ⋯⋯} X(f ) =
2
齿轮的失效形式及原因
齿面磨损
�
磨料磨损
� 齿轮工作中由于硬质磨粒长期的作用，导致齿面
金属在滑擦作用下脱落，齿面变薄
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齿轮的失效形式及原因
齿面磨损
�
黏附磨损（又称齿面胶合或擦伤）
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齿轮的失效形式及原因
弯曲疲劳与断齿
�
齿根受脉动循环弯曲应力作用→齿根部产生 裂纹→裂纹进一步扩展→剩余部分无法承受 外载荷→断齿
2011年10月12日
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齿轮的振动分析及频率特性
齿轮振动的频率特性
�
频率调制
制指数，等于由调制而产生的最大相位移； ϕ 初相角 � 将上式用贝赛尔函数展成无穷级数
x (t ) =
β 调 � 式中， A 振幅； f z 载波频率； f r 调制频率；
A {J 0 ( β ) sin[2π f z t + ϕ ] + J1 ( β ) sin[2π ( f z − f r )t + ϕ ] 2 + J1 ( β ) sin[2π ( f z + f r )t + ϕ ] + J 2 ( β ) sin[2π ( f z − 2 f r )t + ϕ ] + J 2 ( β ) sin[2π ( f z + 2 f r )t + ϕ ] + ⋯}