齿轮常见故障信号特征与精密诊断
齿轮的故障诊断(推荐)
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------齿轮的故障诊断(推荐）齿轮的故障诊断齿轮的故障诊断齿轮的故障诊断一、齿轮的常见故障一、齿轮的常见故障齿轮是最常用的机械传动零件，齿轮故障也是转动设备常见的故障。
据有关资料统计，齿轮故障占旋转机械故障的 10.3%。
齿轮故障可划分为两大类，一类是轴承损伤、不平衡、不对中、齿轮偏心、轴弯曲等，另一类是齿轮本身（即轮齿）在传动过程中形成的故障。
在齿轮箱的各零件中，齿轮本身的故障比例最大，据统计其故障率达 60%以上。
齿轮本身的常见故障形式有以下几种。
1. 断齿断齿是最常见的齿轮故障，轮齿的折断一般发生在齿根，因为齿根处的弯曲应力最大，而且是应力集中之源。
断齿有三种情况：①疲劳断齿由于轮齿根部在载荷作用下所产生的弯曲应力为脉动循环交变应力，以及在齿根圆角、加工刀痕、材料缺陷等应力集中源的复合作用下，会产生疲劳裂纹。
裂纹逐步蔓延扩展，最终导致轮齿发生疲劳断齿。
②过载断齿对于由铸铁或高硬度合金钢等脆性材料制成的齿轮，由于严重过载或受到冲击载荷作用，会使齿根危险截面上的应力超过极限值而发生突然断齿。
1 / 18③局部断齿当齿面加工精度较低、或齿轮检修安装质量较差时，沿齿面接触线会产生一端接触、另一端不接触的偏载现象。
偏载使局部接触的轮齿齿根处应力明显增大，超过极限值而发生局部断齿。
局部断齿总是发生在轮齿的端部。
2. 点蚀点蚀是闭式齿轮传动常见的损坏形式，一般多出现在靠近节线的齿根表面上，发生的原因是齿面脉动循环接触应力超过了材料的极限应力。
在齿面处的脉动循环变化的接触应力超过了材料的极限应力时，齿面上就会产生疲劳裂纹。
裂纹在啮合时闭合而促使裂纹缝隙中的油压增高，从而又加速了裂纹的扩展。
《齿轮故障诊断》PPT课件
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齿轮故障诊断
22
(3) 胶合
2）措施
• 采用角变位齿轮，降低齿高； 以↓滑动系数；
• 采用小模数，以↓相对滑动速 度；
• 采用抗胶合好的润滑油、齿轮 副材料(相同的材料胶合的可 能性大)、专门的添加剂；
• ↑光洁度，以↓Ff ； • 材料的硬度及配对。
2020/11/1
齿轮故障诊断
(1) 定轴轮系
1
2 34
2' 4' 5
定轴轮系：当齿轮系转动时，若其中各齿轮的轴线相对于 机架的位置都是固定不动的。
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齿轮故障诊断
11
(2) 行星轮系
2 2 3
H H
1
1
3
行星轮系：当齿轮系转动时，若其中至少有一个齿轮的 几何轴线绕另一齿轮的固定几何轴线运动。
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齿轮故障诊断
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齿轮故障诊断
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新技术还在发展中
Miniature Machining
Meso Machining Si Surface
& LIGA
Micromachining
10-3
10-4
10-5
10-6
Critical Dimentions (m)
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齿轮故障诊断
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标准渐开线齿轮啮合图
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齿轮故障诊断
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二、齿轮的主要失效形式
过载折断 轮齿折断 弯曲疲劳折断
齿面损伤
点蚀 胶合 齿面磨损 塑性变形
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轮齿损伤比例
损伤类型 断齿 点蚀 划痕 磨损 其它
齿轮常见故障类型及诊断方法
的应力集中， 交变载荷易使根部产生裂纹最终导致 断裂 ， 裂纹的扩展可以是沿横向的， 也可以是沿斜线 向上 的… 。因此 ， 裂 形 式 可 能是 齿 根 ， 可 能 是 断 也
齿顶 部分 ， 如图 １ 示 。 所
图 ２ 齿 的磨 损 与点 蚀
４ 实例分析
图 ５为齿轮箱实测频谱图， ５ 为修理前的频 图 ａ 谱， 可以看 出， 在各阶啮合频率 附近均有明显的边
带， 且总 的振动 量级 均较 高 ； ５ 图 ｂ是修理后 的结 果 ，
部放大， 用来判断或读出故障的特征信息 。
细化谱边频诊断故障一般从 ２方 面着手 ： １ （）
利用 边带 的对 称性 ， 出 ±ｎ （ 找 ｎ＝１ ２ … ） ， ， 的频
率关 系 ， 确定 是否 成 为一 组 边带 ， 如果 是 边 带 ， 可 则
知道啮合频率 和调制信号频率 ； ２ 比较 各次 （）
测量中边带幅值变化 的趋 势。由此 ２点 ， 就可判断
故 障 的类 型 和故 障发 展 的程 度 。
磨损的因索 ， 故齿轮磨损后齿的几何形状 、 厚度均产
１ 常见故 障类型 和失效 比例
１ 齿的断裂 ， ） 故障比例为 ４ ％ ； １ ２ 齿 面疲 劳 （ ） 点蚀 、 落等 ） 失效 比例 为 ３％ ； 剥 ， １
３ 齿 面划 痕 ， 效 比例 为 １％ ； ） 失 ０ ４ 齿 面磨 损 ， 效 比例 为 １％ ； ） 失 ０
中图 分 类 号 ：Ｈ１２ Ｔ ３
在齿 轮箱 的诊 断 中 ， 几乎 涉 及 了旋转 机 械 中 大
疲 劳 和 过 负荷 断 裂从 本 质上 说 是 由 于设 计 、 制 造 、 配不 良而 引 起 的轴 系 共振 、 的弯 曲 、 装 轴 系统 速 度 的急 剧 变化 、 不平 衡载 荷等原 因造成 的 。
齿轮主要振动故障特征及实测频谱案例
齿轮主要振动故障特征及实测频谱案例一、齿轮故障的频谱特征1、齿的磨损、过载齿轮的均匀性磨损、齿轮载荷过大等原因引起的故障，都会在轮齿之间产生很高的冲击力，此时会产生以啮合频率的谐波频率为载波的频率，其中啮合频率的幅值相对正常状态将明显增大，但在啮合频率及其谐波周围不产生边频带。
随着齿轮磨损劣化，啮合频率及谐波幅值会继续增长。
2、断齿、齿面剥落等属于齿轮集中缺陷的局部性故障，在齿轮运行至缺陷部位时，会激发瞬时的冲击，产生一个高幅值的波峰。
此时，啮合频率将受到旋转频率的调制，在啮合频率其及谐波两侧产生一系列的边频带，其频谱特点是边频带数量多、范围广、分布均匀且较为平坦。
随着此类缺陷的扩大，边频带在宽度范围及幅值上也会增大。
3、点蚀、胶合点蚀、胶合等分布比较均匀的缺陷，同样也将产生周期性冲击脉冲和调幅、调频现象。
但是，与断齿等局部性故障不同的是，由于点蚀、胶合都属于浅表缺陷，在齿轮啮合时不会激发瞬态冲击，因此在啮合频率及其谐波两侧分布的边频带阶数少且集中，其频谱特点是边频带数量分布范围窄、幅值起伏变化大。
二、诊断实例对某减速箱的例行巡检过程中发现，该齿轮箱存在周期约为0.5s 的振动冲击，但减速箱本身振动值没有明显变化。
该减速箱为核心设备，一旦该设备出现问题停运，整条生产线将被迫停车，造成巨大的经济损失。
鉴于现场减速箱无明显振动，通过听棒听诊及振动检测等常规方式均无法判断出振动冲击的部位及形成原因，故对该减速箱进行现场振动信号采集和诊断。
查看频谱图，明显存在第三轴和第四轴四级啮合频率(28.15Hz )，且振动能量的缓慢增加，说明磨损在缓慢增长。
随着状态恶化，振动值缓慢增长，三级与四级啮合频率幅值增长明显，同时啮合频率周围开始产生以第三轴转频(2.01Hz )为间隔的边频，而且边频带体现的特征为数量多、范围广(24~60Hz )、分布均匀且较为平坦，如下图所示。
通过时域波形图可以发现，时域信号明显存在着周期约为0。
齿轮故障诊断常用信号分析处理方法
齿轮故障诊断常用信号分析处理方法振动和噪声信号是齿轮故障特征信息的载体，目前能够通过各种信号传感器、放大器及其他测量仪器，很方便地测量出齿轮箱的振动和噪声信号，通过各种分析和处理，提取其故障特征信息，从而诊断出齿轮的故障。
以振动与噪声为故障信息载体来进行齿轮的精密诊断，目前常用的信号分析处理方法有以下几种：(1)时域分析方法，包括时域波形、调幅解调、相位解调等；(2)频域分析，包括功率谱、细化谱；(3)倒频谱分析；(4)时频域分析方法，包括短时FFT，维格纳分布，小波分析等；(5)瞬态信号分析方法，包括瀑布图等。
上述各种信号分述处理方法前面均已介绍，在此仅针对齿轮振动的特点介绍其中最常用的几种分析方法。
一、频率细化分析技术由于齿轮的振动频谱图包含着丰富的信息，不同的齿轮故障具有不同的振动特征，其相应的谱线会发生特定的变化。
由于齿轮故障在频谱图上反映出的边频带比较多，因此进行频谱分析时必须有足够的频率分辨率。
当边频带的间隔（故障频率）小于分辨率时，就分析不出齿轮的故障，此时可采用频率细化分析技术提高分辨率。
以某齿轮变速箱的频谱图［见图1(a)］为例，从图中可几以看出，在所分析的0 ~ 2kHz频率范围内，有1~4阶的啮合频率的谱线，还可较清晰地看出有间隔为25Hz的边频带，而在两边频带间似乎还有其他的谱线，但限于频率分辨率已不能清晰分辨。
利用频谱细化分析技术，对其中900～1 100Hz的频段进行细化分析，其细化频谱如图1 (b)所示。
由细化谱中可清晰地看出边频带的真实结构，两边频带的间隔为8. 3Hz，它是由于转动频率为8.3Hz的小齿轮轴不平衡引起的振动分量对啮合频率调制的结果。
本例表明，用振动频谱的边频带进行齿轮不平衡一类的故障诊断时，必须要有足够的频率分辨率，否则会造成误诊或漏诊，影响诊断结果的准确性。
二、倒频谱分析对于同时有多对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图，由于每对齿轮啮合都将产生边频带，几个边频带交叉分布在一起，仅进行频率细化分析有时还无法看清频谱结构，还需要进一步做倒频谱分析。
齿轮故障原因分析以及精密诊断
齿轮故障诊断往往需要借助更精细的信号分析技术 手段，以达到提高信噪比以便能有效提取故障特征 的目的。
这一过程很难在一个简单的仪器中实现，加之诊断 方法也不尽完善，所以到目前为止，还没有专门的 齿轮故障诊断仪问世。
现场简易诊断-5/92
齿轮的常见故障(两大类)
① 由制造和装配等原因造成的故障。
齿轮误差、齿轮与内孔不同心、各部分轴线不对中、不 平衡等。
机械设备状态监测与故障诊断
—— 精密诊断
本章内容
齿轮的故障诊断
齿轮的精密诊断-2/35
齿轮传动的故障原因及所占比例
现场简易诊断-3/92
齿轮箱中主要部件及故障所占比例
现场简易诊断-4/92
齿轮故障诊断的困难
在于其振动信号在传递中所经环节比较多，包括齿 轮、轴、轴承、轴承座等，因而高频信号成分 (20kHz以上）在传递过程中基本上都损失掉了。
线条状裂纹 延性断裂
脆性断裂
突然折断形成的 脆性断裂带
3. 齿轮运行时造成的故障
齿面塑性变形
在过大的接触应力作用下，齿面因材料屈服而发生塑性流 动，引起齿面塑性变形。
此种损伤通常发生于较软齿面，也可能发生于淬火等硬化 处理的齿面。
压痕
波纹损伤
现场简易诊断-14/92
碾击塑变
列为简易诊断对象的齿轮
磨粒划痕
刮伤
现场简易诊断-9/92
干涉磨损 槽痕
3. 齿轮运行时造成的故障
齿面接触疲劳——点蚀
齿轮在实际啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动， 而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生 脉动载荷。载荷和脉动力的作用使齿轮表面层深处产生脉 动循环变化的剪应力，当这种剪应力超过齿轮材料的疲劳 极限时，接触表面将产生疲劳裂纹，随着裂纹的扩展，最 终使齿面剥落小片金属，在齿面上形成小坑，称之为“点 蚀”。
齿轮的故障诊断
齿轮的故障诊断齿轮的故障诊断一、齿轮的常见故障齿轮是最常用的机械传动零件，齿轮故障也是转动设备常见的故障。
据有关资料统计，齿轮故障占旋转机械故障的10.3%。
齿轮故障可划分为两大类，一类是轴承损伤、不平衡、不对中、齿轮偏心、轴弯曲等，另一类是齿轮本身（即轮齿）在传动过程中形成的故障。
在齿轮箱的各零件中，齿轮本身的故障比例最大，据统计其故障率达60%以上。
齿轮本身的常见故障形式有以下几种。
1. 断齿断齿是最常见的齿轮故障，轮齿的折断一般发生在齿根，因为齿根处的弯曲应力最大，而且是应力集中之源。
断齿有三种情况：①疲劳断齿由于轮齿根部在载荷作用下所产生的弯曲应力为脉动循环交变应力，以及在齿根圆角、加工刀痕、材料缺陷等应力集中源的复合作用下，会产生疲劳裂纹。
裂纹逐步蔓延扩展，最终导致轮齿发生疲劳断齿。
②过载断齿对于由铸铁或高硬度合金钢等脆性材料制成的齿轮，由于严重过载或受到冲击载荷作用，会使齿根危险截面上的应力超过极限值而发生突然断齿。
③局部断齿当齿面加工精度较低、或齿轮检修安装质量较差时，沿齿面接触线会产生一端接触、另一端不接触的偏载现象。
偏载使局部接触的轮齿齿根处应力明显增大，超过极限值而发生局部断齿。
局部断齿总是发生在轮齿的端部。
2. 点蚀点蚀是闭式齿轮传动常见的损坏形式，一般多出现在靠近节线的齿根表面上，发生的原因是齿面脉动循环接触应力超过了材料的极限应力。
在齿面处的脉动循环变化的接触应力超过了材料的极限应力时，齿面上就会产生疲劳裂纹。
裂纹在啮合时闭合而促使裂纹缝隙中的油压增高，从而又加速了裂纹的扩展。
如此循环变化，最终使齿面表层金属一小块一小块地剥落下来而形成麻坑，即点蚀。
点蚀有两种情况：①初始点蚀（亦称为收敛性点蚀）通常只发生在软齿面（HB＜350）上，点蚀出现后，不再继续发展，甚至反而消失。
原因是微凸起处逐渐变平，从而扩大了接触区，接触应力随之降低。
②扩展性点蚀发生在硬齿面（HB＞350）上，点蚀出现后，因为齿面脆性大，凹坑的边缘不会被碾平，而是继续碎裂下去，直到齿面完全损坏。
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。
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齿轮常见故障信号特征与精密诊断
齿轮故障比较复杂，上节所述的几种信号分析处理方法针对齿轮故障诊断是非常有效的，但在实际工作中，通常是先利用常规的时域分析、频谱方法对齿轮故障做出诊断，这种诊断结果有时就是精密诊断结果，有时还需要利用上节所述的分析处理方法进一步对故障进行甄别和确认，最终得出精密诊断结果。
一、正常齿轮的时域特征与频域特征
没有缺陷的正常齿轮，其振动主要是由于齿轮自身的刚度等引起的。
(1)时域特征
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形，如图1所示。
(2)频域特征
正常齿轮的信号反映在功率上，有啮合频率及其谐波分量，即有nf c（n＝1,2,…），且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小；同时，在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波mf r（m＝1，2，…），其频谱如图2所示。
图1 正常齿轮的低频振动波形
图2 正常齿轮的频波
二、故障情况下振动信号的时域特征与频域特征
1.均匀磨损
齿轮均匀磨损是指由于齿轮的材料、润滑等方面的原因或者长期在高负荷下工作造成大部分齿面磨损。
(1)时域特征
齿轮发生均匀磨损时，导致齿侧间隙增大，通常会使其正弦波式的啮合波形遭到破坏，图3是齿轮发生磨损后引起的高频及低频振动。
图3 磨损齿轮的高频振动(a)和低频振动(b)
(2)频域特征
齿面均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量nf c（n＝1，2，…）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，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。
图4所示反映了磨损后齿轮的啮合频率及谐波值的变化。
随着磨损的加剧，还有可能产生1/k（k=2，3 ，4 ，…）的分数谐波，有时在升降还会出现如图5所示的呈非线性振动的跳跃现象。
2.齿轮偏心
齿轮偏心是指齿轮的中心与旋转轴的中心不重合，这种故障往往是由于加工造成的。
(1)时域特征
当一对互相啮合的齿轮中有一个齿轮存在偏心时，其振动波形由于偏心的影响被调制，产生调幅振动，图6为齿轮有偏心时的振动波形。
图4 均匀磨损时的频谱
图5 振幅跳跃现象
图6 偏心齿轮的振动时域波形
(2)频域特征
齿轮存在偏心时，其频谱结构将在两个方面有所反映：一是以齿轮的旋转频率为特征的附加脉冲幅值增大；二是以齿轮一转为周期的载荷波动，从而导致调幅现象，这时的调制频率为齿轮的回转频率，比所调制的啮合频率要小得多。
图7为具有偏心的齿轮的典型频谱的特征。
图7 齿轮偏心的频谱
3.齿轮不同轴
齿轮不同轴故障是指由于齿轮和轴装配不当造成的齿轮和轴不同轴。
不同轴故障会使齿轮产生局部接触，导致部分轮齿承受较大的负荷。
(1)时域特征
当齿轮出现不同轴或不对中时，其振动的时域信号具有明显的调幅现象。
如图8所示为其低频振动信号呈现明显的调幅现象。
图8 不同轴齿轮波形
图9 不同轴齿轮的频谱
(2)频域特征
具有不同轴故障的齿轮，由于其振幅调制作用，会在频谱上产生以各阶啮合频率nf c(n＝1，2,…）为中心，以故障齿轮的旋转频率f r为间隔的一阶边频族，即nf c士f r（n＝1，2,…）。
同时，故障齿轮的旋转
特征频率mf r（m＝1，2,…）在频谱上有一定反映。
图9为典型的具有不同轴故障齿轮的特征频谱。
4．齿轮局部异常
齿轮的局部异常包括齿根部有较大裂纹、局部齿面磨损、轮齿折断、局部齿形误差等，图10表示了几种常见的异常情况。
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，如图11所示。
图10 齿轮的局部异常
1-齿根部有裂纹；2-局部齿面磨损；3-局部齿形误差；4-断齿
图11 局部异常齿轮的振动波形
具有局部异常故障的齿轮，由于裂纹、断齿或齿形误差的影响，将以旋转频率为主要频域特征，即mf r
（m＝1，2,…），如图12所示。
图12 局部异常的齿轮频谱
5.齿距误差
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。
几乎所有的齿轮都有微小的齿距误差。
(1)时域特征
具有齿距误差的齿轮，其振动波形理论上应具有调频特性，但由于齿距误差一般在整个齿轮上以谐波形式分布，故在低频下也可以观察到明显的调幅特征，如图13所示。
图13 有齿距误差齿轮的振动波形
(2)频域特征
有齿距误差的齿轮，由于齿距的误差影响到齿轮旋转角度的变化，在频率域表现为包含旋转频率的各次谐波mf r（m=1，2，…）、各阶啮合频率nf c(n=1，2，…)以及以故障轮的旋转频率为间隔的边频nf c士mf r（n，m＝1，2,…）等，图14表示具有齿距误差的齿轮的频谱特征。
图14 有齿距误差齿轮的频谱
6.不平衡齿轮的时域特征与频域特征
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。
(1)时域特征
具有不平衡质量的齿轮在不平衡力的激励下会产生以调幅为主、调频为辅的振动，其振动波形如图15所示。
图15 不平衡齿轮的振动波形
(2)频域特征
由于齿轮自身的不平衡产生的振动，将在啮合频率fc及其谐波两侧产生mf c±nf r( m，n＝1, 2, 3,…)的边频族；同时，受不平衡力的激励，齿轮轴的旋转频率及其谐波nfr的能量也有相应的增加，如图16所示。
图16 不平衡齿轮的频谱
三、常见齿轮故障的振动时域波形、频谱特征对照
表1-1是几种常见齿轮故障的振动时域波形、频谱特征的对照。
四、齿轮箱常见故障诊断
实际工程中是没有孤立的齿轮副，所有的齿轮副都需要安装到齿轮箱中或安装到特定的支架上，还需要配以轴承或轴瓦。
因此，对齿轮的故障诊断实际上是对齿轮箱的故障诊断。
对齿轮箱的故障诊断综合了对转子（参考旋转机械部分）、滚动轴承和齿轮故障诊断内容，在此给出一个简表供参考。
齿轮箱各不同部件故障的振动特征如表1-2所示。
表1-1 常见齿轮故障的振动时域波形及频谱特征的对照
表1-2 齿轮箱故障的振动特征简表。