第9章 齿轮常见故障与诊断

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1、第九章齿轮常见故障与诊断本章重点：1、齿轮啮合频率的定义2、正常齿轮的时域与频域特征3、齿轮均匀磨损的时域与频域特征4、齿轮偏心的时域与频域特征5、齿轮不同轴的时域与频域特征6、齿轮局部异常的时域与频域特征7、齿距误差的时域与频域特征8、不平衡齿轮的时域与频域特征一、齿轮故障的常见形式与原因齿轮由于结构型式、材料与热处理、操作运行环境与条件等因素不同，发生故障的形式也不同，常见的齿轮故障有以下几类形式。(1)齿面磨损(2)齿面胶合和擦伤(3)齿面接触疲劳(4)弯曲疲劳与断齿第九章齿轮常见故障与诊断第九章齿轮常见故障与诊断主要原因有以下几个

2、方面：1、制造误差（主要有偏心、齿距偏差和齿形误差等）偏心是指齿轮（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。齿距偏差是指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。而齿形误差是指渐开线齿廓有误差，如右图所示。2、装配不良齿轮装配不当会造成工作状态劣化。如图(a)所示，当一对互相啮合的齿轮轴不平行时，会在齿宽方向只有一端接触，或者出现齿轮的直线性偏差等，使齿轮所承受的载荷在齿宽方向不均匀，不能平稳地传递动扭矩，如图(b)所示，使齿的局部承受过大的载荷，有可能造成断齿。第九章齿轮常见故障与诊断第九章齿轮常见故障与诊

3、断3．润滑不良对于高速重载齿轮，润滑不良会导致齿面局部过热，造成色变、胶合等故障。导致润滑不良的原因是多方面的，除了油路堵塞、喷油孔堵塞外，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。4．超载对于工作负荷不平稳的齿轮驱动装置(例如矿石破碎机、采掘机等)，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，或者长期过载导致大量轮齿根部疲劳裂纹、断裂。5．操作失误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。二、齿轮的振动机理1、齿轮的力学模型分析如图所示为齿轮副的力学模型，其中齿轮具有一定的质量

4、，轮齿可看作是弹簧，所以若以一对齿轮作为研究对象，则该齿轮副可以看作一个振动系统。第九章齿轮常见故障与诊断图中的齿轮啮合刚度是k(t)，为周期性的变量，一是随着啮合点位置而变化，二是参加啮合的齿数在变化。由此可见齿轮的振动主要是由k(t)的这种周期变化引起的。2、幅值调制与频率调制齿轮振动信号的调制现象中包含有很多故障信息，所以研究信号调制对齿轮故障诊断是非常重要的。从频域上看，信号调制的结果是使齿轮啮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。（1）幅值调制幅值调制是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响而造成的。幅值调

5、制从数学上看，相当于两个信号在时域上相乘；而在频域上，相当于两个信号的卷积。载波信号频率相对来说较高；调制信号频率相对于载波频率来说较低。在齿轮信号中，啮合频率成分通常是载波成分，齿轮轴旋转频率成分通常时调制波成分。第九章齿轮常见故障与诊断第九章齿轮常见故障与诊断n1、n2主、从动轮转速，Z1、Z2主、从动轮齿数。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啮合频率及其倍频成分两侧的边频族。啮合频率fc：（2）频率调制齿轮载荷不均匀、齿距不均匀及故障造成的载荷波动，除了对振动幅值产生影响外，同时也

6、必然产生扭矩波动，使齿轮转速产生波动。这种波动表现在振动上即为频率调制(也可以认为是相位调制)。第九章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。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。三、齿轮故障诊断常用的信号分析处理方法由于齿轮故障在频谱图上反映出的边频带比较多，因此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，可采用频率细化技术提高分辨率。第

7、九章齿轮常见故障与诊断倒频谱能够明显地显示出功率谱上的周期成分，将原来成族的边频带谱线简化为单根谱线，便于观察。可由此检测出齿轮故障时振动频谱中的等间隔边频带。第九章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1、正常齿轮的时域特征与频域特征（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。（2）频域特征正常齿轮的信号反映在功率谱上，有啮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率及其高次谐波。第九章齿轮常见故障与诊断2、故障情况下振动信号

8、的时域特征与频域特征（1）均匀磨损第九章齿轮常见故障与诊断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。时域特征：正弦波的啮合波形遭到破坏第九章齿轮