齿轮故障的原因及诊断
故障诊断
ＧＵ ＺＨＡＮＧ Ｚ Ｈ Ｅ Ｎ Ｄ Ｕ Ａ
Ｎ
齿轮故障的原因及诊断
孔文涛 许益华
（兰州石化公司合成橡胶厂 兰州 ７３００６０）
【摘 要】在分析齿轮可能发生故障的原因和论述齿轮故障的基本特征
及诊断方法的基础上，利用齿轮的噪声特征，采用边频带方法，对变速器齿轮进行了故障诊断。其结果表明变速器中一对常啮合齿轮中的从动轮具有偏心和磨损故障。【关键词】 调制 边频带 噪声特性
的诊断己成为可能。
１ 引言
变速器是机械中最基本的装置， 齿轮是变速器内的基本原件。齿轮在运转中有可能产生某些故障。齿轮产生故障后，其传动质量急剧下降，产生较大的振动和噪声，将使变速器工作性能下降，甚至有可能丧失工作能力，因此对齿轮故障进行诊断，对提高变速器工作能力，降低齿轮的振动和噪声都很重要。齿轮的故障，过去主要是靠有经验的操作者用耳朵直接倾听运转中齿轮的声响的变化来判断，该方法的成功与否完全取决于操作者的实际经验。近年来，由于测试手段的不断发展和完善，对齿轮的故障进行精确
作者简介
孔文涛（１９７３—） 工程师，主要从事设备管理工作。
２ 齿轮可能发生的故障
２．１齿轮制造误差引起的故障
齿轮在制造过程中不可避免的存在误差，但我们可以采取措施将齿轮制造误差限制在允许的范围内。如果齿轮制造误差超出允许的范围，将使齿轮的振动和噪声增大。虽然这种故障不会严重影响齿轮运行，但工作情况不好。
２．２齿轮安装误差引起的故障
由于箱体孔的制造误差及装配过程中所产生的误差，直接影响齿轮副的相互位置精度，将导致变速器运转中的振动与噪声。２．３轮齿的损伤
由于齿轮制造误差、配置不良或在不适当的条件下运转，如齿轮受多次重复载荷作用及冲击、
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故 障 诊 断
图
１ 故障齿轮的噪声颇率特征
长期在负荷较大的情况下工作及润滑不良等，均会使齿轮轮齿产生种种损伤，按照齿轮的损伤的发生状态可分为以下四种［１］ ：
（１）磨损；
（２）表面疲劳；（３）塑性变形；
（４）轮齿折断。
图
２ 调制前频谱图
轮齿损伤是较严重的齿轮故障，一旦出现，工作情况会出现急剧恶化。产生上述故障的齿轮，都能够产生很大的振动和噪声，在振动和噪声频谱上能够相应地反映出某些特征，因此分析振动和噪声频谱图就能够诊断出齿轮的故障。
图
３ 调制后频谱图
３ 齿轮故障的基本特征
齿轮故障分大周期故障和小周期故障［２］。大周期故障是指以齿轮的回转频率为基本频率特征的故障。如偏心、裂纹和断齿等，它们有的以误差形式影响频谱，有
的则以突变的刚度形式影响响应。小周期故障是指以轮齿的啮合频率为基本频率特征的故障如胶合、图４ 空档噪声频谱图
点蚀和磨损等，它们大都以变相位的误差形式影响频谱。其基本４
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特征表现如下：
（１）具有大周期故障的齿轮在回转频率及其谐波处的振幅随故障的恶化而加大，而具有小周期故障的齿轮在啮合频率及其谐波处的振幅随故障的恶化而加大。（２）具有大周期故障的齿轮在啮合频率及其谐波处产生以故障齿轮的回转频率为间隔的边频带族，并随着故障的恶化而加剧。
（３）具有大周期故障的齿轮，在啮合频率及其谐波处的振幅与故障关系不大，而具有小周期故障的齿轮，在回转频率及其谐波处的振幅与故障无关。图１显示了故障齿轮的噪声频率特征。
４ 齿轮故障的诊断方法
齿轮故障方法有时间信号观察法和频谱分析法，但时间信号观察法比较粗略，进行精确诊断比较困难， 而频谱分析法克服上述缺点，是目前广泛应用较为有效的方法［１］。下面介绍几种利用频谱分析进行故障诊断的方法。４．１观察特定频率处能量的方法
齿轮机构的正常频谱图一般是确定的，其工作时能量变化不会很大，通常用正常谱的能量加上噪声的能量作为判据，用此来区分故障信号。Ｈｏｇｇ给出一个判断异常信号的公式［３］，即
Ａｃ（ｆ）＝Ｃ１（１．５－ｎ）＋ Ａ（ｆ）
式中：ｆ－重要频率Ａｃ（ｆ）－检验频谱振幅
Ｃ１－常数ｎ－噪声电平Ａ（ｆ）－ 测量的频谱振幅在测得频谱图的重要频率处，如果振幅超过Ａｃ（ｆ），
则判定齿轮有
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故障，否则即为正常情况。４．２频谱幅值比较法
当频率成份很丰富，而且幅位变化激烈时，观察频谱图上特定频率幅值比较困难，频率有微小变化，谱线的变化就很大。为了观察这种情况，并判断出故障，采用三点取大法。在连续三点与频率值对应的幅值取大者，用这个
［２］
表１ 变速器中齿轮啮合频率
表２ 变速器中转轴的频率
率为ｆ２，其啮合频率为ｆ３。当调制频率间距为Ｘ时，故障就存在于小
正常。齿轮上。调制后的边频带频率是：
上限边频带一次为ｆｃ＋ｆ１，二次为
４．３边频带法ｆｃ＋２ｆ１，三次为ｆｃ＋３ｆ１……，下限边
在噪声测试中，测得频谱图频带一次为ｆ－ｆ，二次为ｆｃ－２ｆ１，三ｃ１
得频率成分往往比较丰富，当齿次为ｆ－３ｆ ……。
ｃ１
轮存在偏心或周节误差时，将存同理，如果缺陷存在于大齿在调制现象，反映在频谱图上，则轮上，则边频的间距为ｆ２。因此，用在啮合频率附近出现了许多边频。此种方法可以在频谱图上查找齿偏心或周节误差越大，边频谱线轮缺陷的信息。出现得就越多［３］。如正弦信号
ｆ（ｔ）＝Ｂｃｏｓ（２πｆｃｔ＋￠）式中：ｆ（ｔ）－ 时间函数的信号 ｆｃ－载彼频率Ｂ－信号振幅
￠－相位
考虑幅值调制，则Ｂ是时间的函数，即
∞
Ｂ（ｔ）＝Ａ（１＋∑a n cos 2πnf m t ）
式中： Ａ－常数ｆｍ－调制频率
ａｎ－幅值调制系数
故该幅值调制信号为：
∞
ｆ（ｔ）＝Ａ［（１＋∑a n cos 2πnf m t ）ｃｏｓ（２πｆｃｔ＋￠）］n =t
将调制前后现象画成图形（图２和图３）加以观察，可见，调制前后频率成份并不相同，调制后增加了几个频率分量，出现了上下边频。如果有两个齿轮啮合，假设小齿轮转轴频率为ｆ１，大齿轮轴频
n =t
包络线作为判据来判断齿轮的故障，超过包络线者为故障，否则为
由齿轮故障的基本特征得知，正常齿轮与故障齿轮的噪声频谱有明显差异，正常齿轮频谱图上啮合频率的峰值很突出，而其谐波峰值以很大的速度衰减。齿轮磨损后，齿轮啮合频率及其谐波的幅值增大很多，尤其是谐波幅值增加更多。随着磨损程度的增加，高阶谐波越来越突出。从图４中可以看出，啮合频率７９３ＨＺ的谐波幅值较大，可以得出常啮合齿轮中的从动齿轮出现故障的一个原因是齿面磨损。５ 诊断实例
从频谱图中还可以看出，在
表１和表２是变速器中各个齿７９３ＨＺ附近的调制现象比较严重。轮的啮合频率和各个转轴的频率。根据齿轮故障的基本特征，可以
图４是变速器中空档噪声频谱断定常啮合齿轮中的从动齿轮可图。从图中可以看出，在频率７９３ＨＺ能具有很大的偏心或周节误差缺附近，存在着许多变频，变频间距陷。经过检验得知，该齿轮具有的为２１．４ＨＺ。对照表１和表２得知，是偏心故障。
通过上述分析，得出了变速７９３ＨＺ是变速器中一对常啮合齿的
啮合频率，２１．４ＨＺ是中间轴轴频。器中常啮合齿轮中的从动齿轮存因此根据变频带分析法得知，变在着故障，故障的原因是齿轮偏速器中一对常啮合齿轮中的从动心和齿轮轮齿表面磨损。
齿轮存在着故障。参考文献
［１］易良榘． 简易振动诊断现场实用技术． 北京机械工业出版社，２００３．［２］沈庆根．化工机器故障诊断技术。浙江大学出版社，１９９４．
［３］何正嘉等．机械设备非平稳信号的故障诊断原理及应用。北京：高等教育出版社，２００１．
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