基于典型振动特征的齿轮箱故障诊断方法

中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1007-0745(2012)08-0031-02

摘要：根据齿轮箱在齿形误差、断齿、轴有较严重的不平衡、轴承疲劳剥落和点蚀以及箱体共振等典型故障的振动特征，提出了基于典型振动特征的齿轮箱故障诊断方法。经实例验证，该方法能较好地找出故障点，对于齿轮箱的故障诊断具有实际指导作用。

关键词：齿轮箱 振动特征 故障诊断

引言

齿轮箱由于具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点[1]，是用于改变转速和传递动力的最常用的传动部件，是机械设备的一个重要组成部分，也是故障易于发生的一个部件，其运行状态对整机的工作性能有很大的影响。据统计，在齿轮箱失效中，齿轮的失效比率约为60%，可见齿轮传动是诱发机器故障的重要部位。因此，进行齿轮箱故障诊断研究有着重要的意义。

1、齿轮箱故障诊断方法

齿轮箱的故障诊断方法[2]主要有振动法、噪声谱分析法油液分析法、混沌诊断识别法、专家系统法等。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。振动法主要包括时域分析法和频域分析法。

2、典型故障的振动特征[1]

2. 1齿形误差

(1)齿形误差时，频谱产生以啮合频率及其高次谐波为载波频率，齿轮所在轴转频与其倍频为调制频率的啮合频率上出现调制现象，谱图上在啮合频率及其倍频附近产生幅值小且稀疏的边频带。

(2)解调谱上出现转频阶数较少，一般以一阶为主。

(3)当齿形误差严重时，由于激振能量较大，产生以齿轮各阶固有频率为载波频率，齿轮所在轴转频与其倍频为调制频率的齿轮共振频率上出现调制现象。

2. 2断齿

(1)时域表现为幅值很大的冲击型振动，频率等于有断齿轴的转频。

(2)频域上在啮合频率及其高次谐波附近出现间隔为断齿轴转频的边频带；边频带一般数量多、幅值较大、分布较宽。

(3)解调谱中常出现转频及其高次谐波，甚至出现10阶以上。同时由于瞬态冲击能量大，时常激励起固有频率，产生固有频率调制现象。

2. 3轴有较严重的不平衡

(1)轴有较严重的不平衡时，在齿轮传动中将导致齿形误差。形成以齿轮啮合频率及其倍频为载波频率；以齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制现象。

(2)调制边频带数量少而稀，解调谱上一般只出现所在轴的转频。有故障轴的转频成分有较大程度的增加。

2. 4轴承疲劳剥落和点蚀

(1)滚动轴承内外环及滚动体疲劳剥落和点蚀后，在其频谱中高频区外环固有频率附近出现明显的调制峰群，产生以外环固有频率为载波频率，以轴承通过频率为调制频率的固有频率调制现象。

(2)由于滚动轴承产生的振动在传动箱中与齿轮振动相比能量较小，解调谱中调制频率幅值较小，一般只出现1阶。

2. 5箱体共振

箱体共振时，谱图上出现了箱体的固有频率成分，一般情况下共振能量很大，而其它频率成分则很小或没有出现。

3、实例验证

图1为某开卷机齿轮箱的结构简图，运用上述方法对其异常振动进行诊断[3]。过程如下：

(1)经测定，测点③的振动较为显著，加速度说明此齿轮箱在测点③附近存在故障。但尚不能确定具体部位。

(2)从测点③时域波形(图1-1)中，可清晰地看出有一周期脉冲，脉冲间隔为134ms，频率值为7.5Hz，与输入轴小齿轮所在轴的转频（ ）一致。

(3)测点③频谱图(图1-2)上存在大量的边频，由于谱线密集难以辨认，故取80～200Hz频段进行细化处理。从细化谱图(图1-3)上可看出7.5Hz的边频。

(4)为了进一步验证结论，进行了倒频谱分析(图1-4)，可看到有一周期成分，其倒频率为134ms 。

通过以上分析，说明很可能是小齿轮个别齿断齿或严重磨损，时域波形上齿轮每转一周就出现一次较大的冲击，以及频谱图中边频带的间隔均证明了这一点。大修时更换了小齿轮，异常振动消失。

4、结论

齿轮箱振动故障诊断技术在于精确判定啮合频率及变频带幅值的变化趋势。细化谱分析方法及倒频谱分析技术对啮合频率及边频带辨识精度高、准确可靠，有广泛的应用价值。本文提出的基于典型振动特征的齿轮箱故障诊断方法能较好地找出故障点，对齿轮箱的故障诊断具有实际指导意义。

参考文献：

[1]崔玉杰.典型齿轮箱故障振动特征与诊断策略研究[J].天津冶金,2004,(05).

[2]陈宇晓.齿轮箱故障的振动诊断方法[J].宁波职业技术学院学报, 2003,(02).

[3]陈珊珊,卢天燚,何凤英.齿轮箱异常振动的诊断[J].中国设备工程,2004,(08).