齿轮箱故障的振动诊断方法

２００３ 年 ４ 月 第 ３ 卷第 ２ 期
宁波职业技术学院学报
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Apr, 2003 Vol. 3 No.2
齿轮箱故障的振动诊断方法
陈宇晓
（宁波职业技术学院工学院 浙江 宁波 ３１５８００） 摘 要：齿轮箱故障振动诊断主要有振动时域分析法、振动频域直接分析法及振动频域二次分析法，三种方 法各有特点， 其应用场合也不同， 应根据故障的复杂性及生产系统的类型来选择。 关键词：齿轮箱；时域分析法；频域直接分析法；频域二次分析法 中图分类号：O32 文献标识码： B 文章编号：1671 - 2153(2003)02 - 0080 - 03
齿轮箱是旋转机械中的重要部件， 它具有传递 运动、扭矩和变速的作用。据统计，在齿轮箱失效 中，齿轮的失效比率约为 ６０％， 轴承的失效比率约 为 １９％，轴的失效比率约为 １０％，箱体的失效比率约 为 ７％，紧固件的失效比率约为 ３％，油封的失效比率 约为 １％［１－２］。因此齿轮箱的故障诊断中，关键问题 是齿轮的故障诊断。齿轮在运行中若产生故障，则 齿轮箱的振动、幅射的噪声、润滑油中磨损物的含 量及形态等都会从各自的角度反映出故障的征兆， 从而使齿轮箱的故障诊断成为可能。 齿轮箱的故障 诊断方法主要有振动法、 噪声谱分析法［３］、 油液分析 法［４］、 混沌诊断识别法［５］、 专家系统法［６］等。 由于工 业现场测试条件及分析技术所限， 有些征兆的提取 与分析不易实现， 有些征兆反映的故障状态不敏感， 相对来讲， 齿轮的振动是目前公认的最佳征兆提取 量，它对运行状态的反映迅速、真实、全面，能很 好地反映出大部分齿轮故障的性质与范围， 并有许 多先进有效的方法可供选用， 所以齿轮箱故障诊断 最主要的方法为振动法。 振动法分时域诊断与频域 诊断二大类， 而频域诊断法又可分为振动频域直接 分析法与振动频域二次分析法二种。 一、振动时域分析法 该法将各种故障状态的振动时域信号与正常状 态的振动时域信号相比较， 从而识别齿轮箱的故障 ［７－９］ 状况 。 时域分析方法主要分时域统计分析法 （包
收稿日期：２００３－０３－１０ 作者简介：陈宇晓，男，宁波职业技术学院工3
年第 2 期
陈宇晓：齿轮箱故障的振动诊断方法
之间的差异很大，则信号的变化很剧烈，自相关函 数值就小；反之， 如果时间间隔τ很大时信号幅值仍 很接近，则信号的变化比较缓慢，自相关函数值就 大。这点在齿轮箱的故障诊断中有一定的意义。时 域同步平均法是在混有噪声干扰的齿轮箱信号中提 取周期性分量的有效方法，也称相干检波法，其基 本思路为， 当随机信号中包含有确定性的周期信号 时， 如果截取信号的采样周期等于周期性信号的周 期，将所截得的信号叠加平均，就能将该周期信号 从随机信号、 非周期信号及与指定周期不一致的其 他周期信号中分离出来， 而保留指定的周期分量及 其高频谐波分量。 振动时域分析法能有效消除与时 标周期无关的分量， 可直观地查出个别齿的节距误 差、剥落与断裂现象。一般用手提测振仪器可直接 测得时域有量纲参数及对时域波形进行分析。 而进 行时域无量纲参数分析、时域相关分析、时域同步 平均分析则需把测得的数据传输给微机， 用专用软 件进行分析。 因振动时域分析法提供的故障信息量 有限，一般不能回答故障发生部位等问题，故常用 于齿轮箱故障的简易诊断或非连续生产系统中的齿 轮箱故障诊断。 二、振动频域直接分析法 该法是目前齿轮箱故障诊断最常用的方法， 它 把以时间为横坐标的时域信号通过付里叶变换分解 为以频率为横坐标的频域信号，从而得出频谱图， 求得关于原时域信号频率成分的幅值和相位信息。 振动频域直接分析法通过分析齿轮箱的频谱图， 直 接得出诊断结论。 较高档的测振仪器可直接得出被 测信号的频谱图。 该法广泛应用于齿轮箱故障的较 精密诊断或连续生产系统中的齿轮箱故障诊断。 文 ［１０］ 献 提出了齿轮缺陷的频谱特征， 指出当频谱图的 啮合频率处有峰值时，意味着齿轮有问题，当出现 啮合频率的高次谐波时，意味着劣化程度加剧。文 献［１１］提出了齿面有异物时的频谱特征为谱图上出现 多个特征频率的倍频峰。 文献［１２］进一步分析了齿轮 传动中几种典型故障的振动图谱， 提出齿轮在啮合 过程中，尤其当齿轮磨损，齿隙增大时，都会产生 啮合振动，这种激振力的频率为齿轮的啮合频率， 同时由于某一齿的集中性缺陷、 齿轮的偏心等也会 造成齿轮啮合时一边紧一边松， 使轮齿在啮合中产 生短暂的“加载”和“卸载”效应，产生幅值调制 和频率调制信号。 同时提出齿轮崩齿的频谱图特征 除幅值和频率调制外，还存在频域边频带结构。文 献［１３］提出了尖峰能量在多轴齿轮装置振动分析中的
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括直方图法） 、时域相关分析法、时域同步平均法。 时域统计分析法通过求出信号的各种统计参数， 对 齿轮箱的故障状况进行分析。 统计参数可分为有量 纲参数与无量纲参数二种。 有量纲参数主要有：（１） 信号的均值，又称为一次矩，它描述了信号的平均 变化情况， 代表信号的静态部分或直流分量。 （２）信 号的有效值 （均方根值） 描述了信号的动态波动情 ， 况和强度。 （３）信号的峰 － 峰值，表示最大峰值与其 相邻的最低谷值之间的幅值，又称为“通频幅值” 。 无量纲参数主要有：（１）脉冲指标值， 表示波形高度 的指标，其值为峰值除以绝对平均幅值。 （２）歪度 指标值， 表示以平均值为中心， 波形的对称性。 （３） 峭度指标值，表示波形的尖峭程度及有无冲击。直 方图法亦是对时域波形进行统计分析的一种方法， 包括幅值计数分析与时间计数分析。 幅值计数分析 以幅值大小为横坐标， 每个幅值间隔内出现的频次 为纵坐标的图形来表示， 根据信号历程中某些量值 出现的次数，对齿轮箱的故障状况进行分析。时间 计数分析以时间为横坐标， 某时间断间隔内出现的 频次为纵坐标的图形来表示， 根据信号落入给定幅 值范围内的时间大小， 对齿轮箱的故障状况进行分 析。 齿轮箱故障诊断中的时域相关分析法主要采用 自相关分析， 自相关函数描述信号在不同时刻的相 互依赖关系， 该函数还从另一方面反映了信号幅值 变化剧烈的程度。 如果时间间隔τ很小时信号幅值
应用实例， 指出了尖峰能量法与常规加速度测量法 的区别为：在尖峰能量信号处理过程中， 带通滤波器 抑制低频振动信号而仅允许高频成分通过， 大振幅 和高重复率的脉冲产生大的尖峰能量值， 尖峰能量 谱能提供轴承和齿轮缺陷更详细的信息。 文献［１４－１５］ 提出了大型齿轮箱振动信号的调制分析方法， 即根 据故障信号的调制函数类型及边频带特征来判断故 障的类型，文献［１６］给出了该法应用的另一个实例。 文献［１７］根据加速度频谱图中的峰值频率结合转频及 啮合频率， 直接对增速器的故障进行诊断。 文献［１８］ 提出了应用频域一次故障原因分析法对离心压缩机 组齿轮箱进行诊断的方法：即从最有特征的、 有代表 性的频域征兆参数中去寻找故障的一次原因即直接 主导原因， 然后再去分析产生一次原因的二次原因、 三次原因，最后找出故障所在。 ［１９－２０］分析了轧机 文献 齿轮箱的故障状态， 并根据测得的速度和加速度频 谱图直接判断故障状况。 文献［２１－２３］提出了根据速度 频谱图直接判断齿轮箱故障情况的应用实例， 其主 要观点为：当齿轮啮合频率的倍频成分的增长大于啮 合频率的增长时，说明齿轮可能发生点蚀和磨损。 三、振动频域二次分析法 该法通过对频谱图提供的信息进行进一步处 理，以提高故障诊断的准确性，它需把测得的频谱 图传输给微机，用专用软件进行分析。该法广泛应 用于齿轮箱故障的精密诊断或连续生产系统中的齿 轮箱故障在线诊断。 目前在齿轮箱诊断中采用的二 次分析法主要有：功率谱分析法、 倒频谱分析法［２４］、 频率细化分析法［２５－２６］、小波分析法［２７－３０］。功率谱是 在频域中对信号能量或功率分布的描述，包括自功率 谱和互功率谱， 齿轮箱故障诊断中一般采用自功率 谱，自功率谱与幅值谱提供的信息量相同，在相同 条件下，自功率谱比幅值谱更为清晰，它可由幅值 谱计算得到， 也可由自相关函数的付里叶变换求得。 功率谱分析法对齿轮的大面积磨损、 点蚀等均匀故 障有比较明显的诊断效果， 但对齿轮的早期故障和 局部故障不敏感。 所谓倒频谱，就是对功率谱的对数 值进行付里叶逆变换的结果， 该法受传感器的测点 位置及传输途径的影响小， 能将原来频谱图上成族 的边频带谱线简化为单根谱线，以便提取、分析原 频谱图上肉眼难以辩别的周期性信号。 由于一般齿 轮箱中都有许多转轴和齿轮， 因而有很多不同的旋 转频率和啮合频率， 每个旋转频率都可能在每个啮 合频率周围调制出一个边带信号， 因而齿轮箱振动 频谱图中， 可能出现很多大小和周期都不相同的周
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