齿轮箱故障诊断的研究 毕业论文.doc

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1、齿轮箱故障诊断的研究Gearbox Fault Diagnosis Of Research摘 要随着科学技术的不断发展，机械设备向着高性能、高效率、高自动化和高靠性的方向发展。齿轮箱由于具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，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。它的损伤和失效常常导致传动系统或整机的故障，从而导致重大安全事故。 本文首先从齿轮箱故障定义出发分别介绍了齿轮箱各个部位在出现故障时会出现什么样的征兆和现象。 然后从齿轮的角度出发，介绍了齿轮箱中齿轮在日常工作中会出现哪些故障和

2、发生故障时所出现的现象以及解决方法。其次从齿轮产生故障时的调制现象和边频带分布特点进行研究。找到相应的解决办法最后介绍了时域和频域以及小波分析在齿轮箱故障诊断中的应用。以及我国风力发电的发展现状和发展趋势，并对风电齿轮箱的现状进行了介绍。关键词：时域、频域、风电。ABSTRACTAlong with the development of science and technology, mechanical equipment toward high performance, high efficiency, high automation and high depend Sexual dire

3、ction. Gearbox due to its ratio fixed, transmission torque, compact structure etc, and is used to change speed and transmit power transmission components of the most commonly used mechanical equipment, is an important part of the fault, is prone to a component of the machine, the operation state of

4、the working performance has very big effect. Its damage and failure often led to drive system or machines fault, resulting in serious accidents. This paper from the gearbox fault definition respectively introduces gearbox each place in malfunction Will appear what kind of warning signs and phenomena

5、. Then from the Angle of gears, introduces the gearbox of gear in daily work will appear what faults and fault phenomena, and what happen solutions. Second gear noise fault from the modulation phenomenon and edge band distribution characteristics were studied. Find the corresponding solution and fin

6、ally introduces the time domain and frequency domain and wavelet analysis in gearbox fault diagnosis of application. And the development of wind power in China, and the present situation and development trend of wind power gearbox status were introduced. Key words: for time domain .for frequency dom

7、ain, the wind power. 目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1选题的背景11.2研究的目的与意义11.3国内外研究现状2第2章齿轮箱故障诊断的内涵32.1 齿轮箱故障的定义32.2 齿轮箱故障诊断目的和意义32.3齿轮箱常见的故障形式及分类32.3.1齿形误差32.3.2齿轮均匀磨损32.3.3轴不对中42.3.4 断齿42.3.5 箱体共振42.3.6 轴轻度弯曲42.3.7 轴严重弯曲42.3.8 轴不平衡42.3.9 轴向窜动42.3.10 轴承疲劳剥落和点蚀52.4齿轮箱常见故障征兆52.4.1齿轮箱在性能方面的故障征兆52.4.2设备在外观方面的故障征

8、兆52.5齿轮箱故障诊断发展历程62.5.1 机理研究62.5.2信号处理技术62.6本章小结6第3章 齿轮箱中齿轮故障诊断及机理83.1齿轮震动机理机器故障信号的组成83.1.1齿轮常见故障83.1.2 齿轮震动机理113.2齿轮箱日常的清理和维护153.3本章小结15第4章 齿轮箱中齿轮故障诊断及调制现象174.1齿轮产生故障时的调制现象和边频带分布特点174.1.1齿轮振动信号的啮合频率及其各次谐波174.1.2齿轮振动信号的啮合频率调制现象184.1.3 齿轮振动信号的齿轮固有频率的调制现象184.1.4 箱体固有频率调制现象184.2 激振能量对不同调制振动的影响184.3 齿轮振动

9、信号中的其他成分194.4齿轮箱冲击振动的几种基本形式204.5本章小结20第5章 齿轮箱故障方法理论研究225.1 时域、频域分析225.2 小波分析235.3傅里叶变换与小波变换255.3.1 基本概念255.3.2离散化的处理255.3.3 快速算法255.3.4时频分析265.3.5 压缩、消噪、特征提取265.4本章小结26第6章 齿轮箱在我国风力发电上的重要作用276.1 我国风电齿轮箱现状276.2 我国风力发电的现状286.3 国外风力发电现状286.4本章小结29结论30参考文献31致谢33附录33第1章 绪 论1.1选题的背景齿轮箱作为机械设备中一种必不可少的连接和传递动力

10、的通用零部件，在金属切削机床、航空、电力系统、农业机械、运输机械、冶金机械等现代工业设备中得到了广泛的应用。在今天科学技术飞速发展的时代，机械装备向着大型化、高效率、自动化和高性能的方向发展，作为传递运动和动力的齿轮装置几乎在大型设备中都具有重要的作用。但由于其本身结构复杂，工作环境恶劣等原因，齿轮箱容易受到损害和出现故障。齿轮失效又是诱发机器故障的重要因素。据统计，传动机械中80的故障是由齿轮引起的，旋转机械中齿轮故障占其故障的10左右。齿轮故障将直接影响设备的安全可靠运行，降低加工精度和生产效率。随着设备的不断大型化、高速化、复杂化、自动化和连续化，齿轮箱的故障和失效给整个生产和社会造成的

11、损失将越来越大，行驶中汽车的齿轮箱将直接造成人身伤亡；而一些处于连贯工作状态的设备，如电力行业的发电机组、钢铁行业的轧辊机组，由于齿轮箱的意外故障造成的停机停产的损失难以估计。我国的水泥行业，水泥磨齿轮箱故障使水泥产量每年减少200万吨以上。我国某科学测量船在一次航行中发生主减速器传动齿轮局部折断，只得被迫减速航行，以致整个船队的行动受到影响。十年前，一家很有声望的美国齿轮公司所生产的提升机，在进行建筑物外表清洁作业时齿轮箱轮齿发生断裂，造成清洁工人从高空坠落，这一事故的发生使这家公司的产品质量信誉受到了很大的影响。1986年10月，一架英国斯威士兰公司的直升机在英国北海油田上空执行任务时，传

12、输动力的齿轮突然断裂，造成飞机失事例。1.2研究的目的与意义齿轮箱的故障诊断技术是建立在多个学科基础之上的交叉学科，综合了机械、力学、电子、数学、物理、计算机等学科的基本理论，具有工程应用性强、技术基础可靠、与高技术发展密切相关的特点。采用这一先进技术对齿轮及齿轮箱进行状态监测与故障诊断，可实现齿轮箱由事后维修、定期维修到视倩维修的根本转变，减少一些不必要的经济损失，从而创造更大的经济效益和社会效益，具有重大的意义。1.3国内外研究现状早在一个世纪前，人们就已经开始对齿轮箱的振动和噪声进行研究。但直到20世纪60年代中期，齿轮的振动和噪声问题才成为评价一个齿轮装置好坏的重要因素，引起了世界范围

13、内的广泛关注。英国学者HOptiz在1968年就齿轮振动与噪声的机理，发表了一些著名的研究曲线，阐述了齿轮箱的振动和噪声是传动功率和齿轮传动误差及齿轮精度的函数。另外，美国的Buckingham和德国的Niemann也对齿轮箱的振动和噪声提出了自己的见解和看法。20世纪70年代初开始出现了一些简单的齿轮箱故障诊断，仅仅限于直接分析测量一些简单的振动参数，如振动峰值Pk、均方根值RMS等，通过观察这些参数的变化来掌握齿轮的运行状态。为了排除机器载荷变化的影响，还可采用一些无量纲参数，如峰值系数CF等。用一些简易的方法诊断齿轮和齿轮箱的故障，虽然取得了一定的成功，但对齿轮箱故障的诊断灵敏度不高，诊

14、断准确率很低。从20世纪70年代末到20世纪80年代中期，齿轮箱故障诊断的频域法发展很快，其中BRandall和ITaylor等人做了很多有益的研究，积累了一些故障诊断的实例，对齿轮磨损和齿断裂等故障诊断较为成功。 在齿轮箱典型故障机理研究和特征提取方面，由于齿轮箱的结构复杂，工作环境一般比较恶劣，各种干扰较大，涉及问题较多，国内外学者虽然取得了一定的成绩，但对于齿轮和轴的故障机理研究仍然不够深入，需要进一步的完善和研究。第2章齿轮箱故障诊断的内涵2.1 齿轮箱故障的定义一般是指设齿轮箱失去或降低其规定功能的事件或现象，表现为它的某些零件失去原有的精度或性能，使设备不能正常运行、技术性能降低，

15、致使设备中断生产或效率降低而影响生产。设备在使用过程中，由于磨擦、外力、应力及化学反应的作用，零件总会逐渐磨损和腐蚀、断裂导致因故障而停机。加强设备保养维修，及时掌握零件磨损情况，在零件进入剧烈磨损阶段前，进行修理更换，就可防止故障停机所造成的经济损失。2.2 齿轮箱故障诊断目的和意义 齿轮及齿轮箱作为机械设备中一种必不可少的连接和传动的通用零部件，在现代工业设备中得到了广泛的应用。可以说，齿轮传动系统是当今世界上应用最为广泛的机械传动机构，而齿轮又是罪容易损坏的零部件之一。齿轮箱的故障和实效将给整个生产造成巨大的损失。因此，对于齿轮传动中故障诊断的研究具有非常重要的理论和现实意义。也随着现代

16、技术的发达，我们对设备的精确及各种耐用性能的要求更加高，所以对设备故障的诊断技术的完备度就更高了。2.3齿轮箱常见的故障形式及分类 齿轮箱系统是包含齿轮、传动轴、轴承和箱体结构等的复杂系统。其中，箱体结构在整个系统起支承与密封作用，其出现故障的概率很低，所以，在齿轮箱中，故障主要发生在齿轮、传动轴和轴承中。据统计，齿轮、轴和滚动轴承故障点齿轮箱故障的90以上。在齿轮箱的故障诊断中，一般只需给出是否产生故障和故障发生的位置。根据振动信号的特点，一般常见的典型故障形式有：2.3.1齿形误差齿形误差是指齿轮齿形偏离理想的齿廓线，其中包括制造误差、安装误差和服役后产生的误差。这里主要指在齿轮投入使用后

17、产生的齿形误差，包括齿面塑性变形、表面不均匀磨损和表面疲劳等。断齿也造成齿形误差，但由于其振动信号的特征与这些齿形误差有着明显的差异，所以把它列为单独的故障形式，以便于故障诊断。2.3.2齿轮均匀磨损齿轮均匀磨损主要是指齿轮投入使用后在啮合过程中出现的材料摩擦损伤的现象，主要包括磨粒均匀磨损和腐蚀均匀磨损。齿轮轮齿均匀磨损时不会造成严重的齿形误差，其振动信号的特征也大有判别，所以不归结为齿形误差。2.3.3轴不对中轴不对中主要是指联轴器两端的轴由于设计、制造、安装或者使用过程中的问题，使轴系虽平行但不对中，造成轴上的齿轮产生分布类型的齿形误差。振动信号与单一齿轮齿形误差不同的是，轴不对中时所有

18、轴上的齿轮均会产生齿形误差而导致信号的调制现象。2.3.4 断齿断齿是一种齿轮的严重故障，主要有疲劳断齿和过载断齿两种形式，其中大多数为疲劳断齿。断齿时其振动信号冲击能量大，不同于齿形误差和齿轮均匀磨损。2.3.5 箱体共振箱体共振是由冲击能量激励起齿轮箱箱体的固有频率而产生的共振现象。箱体共振产生很大的冲击振动能量，是一种非常严重的故障，一般是由箱体的外部激励而引起的。2.3.6 轴轻度弯曲齿轮箱中轴也经常产生故障。当轴产生轻度弯曲时，也会导致该轴上的齿轮产生齿形误差。与单一齿轮齿形误差故障不同的是，轴弯曲时该轴上所有齿轮均会产生较大的齿形误差。2.3.7 轴严重弯曲轴严重弯曲是齿轮箱的一种

19、较为严重的故障形式。当轴发生严重弯曲时，时产生较大冲击能量，造成严重的后果，其振动信号也不同于轻度弯曲。2.3.8 轴不平衡轴不平衡是齿轮箱中轴的种典型故障。所谓不平衡，是指轴由于偏心的存在而引起的不平衡的振动，这种偏心可以是由于制造、安装和投入使用后的变形产生。当产生轴不平衡时，在齿轮传动中也将导致齿形误差，但这种故障与单纯的齿形误差有着明显的区别。2.3.9 轴向窜动轴向窜动主要发生在使用斜齿轮的情况下，当同一轴上有两个同时参与啮合的斜齿轮，而轴向又没有很好的定位与锁定装置时，有时就会发生轴向窜动现象，这主要是由于其轴向受力不平衡造成的。轴向窜动将严重影响齿轮传动精度和平衡性，还可能造成齿

20、轮轮齿端面的冲击磨损，是一种较为严重的故障。2.3.10 轴承疲劳剥落和点蚀齿轮箱中滚动轴承的典型故障为内、外环和滚动体的疲劳剥落和点蚀。轴旋转时，内、外环和滚动体在接触过程中会发生机械冲击，产生被称为冲击脉冲变动幅度较大的力。齿轮箱中滚动轴承发生故障时，其能量较齿轮产生的振动能量小得多，因而是诊断的难点之一。2.4齿轮箱常见故障征兆2.4.1齿轮箱在性能方面的故障征兆1、功能异常 指设备的工作状况突然出现不正常现象，这是最常见的故障症状。例如：设备启动困难、启动慢，甚至不能启动。设备突然自动停机。设备在运转过程中功率不足、速率降低、生产效率降低。设备运转过程中突然紧急制动失灵、失效等。 这种

21、故障的征兆比较明显，所以容易察觉。 2、过热高温 一种原因是冷却系统有问题，是缺冷却液或冷却泵不工作。如果是齿轮、轴承等部位过热，多半是因为缺润滑油所导致。油、水温度过高或过低。设备过热现象有时可以通过仪表板、警示灯直接反映出来，但有时需要进行温度点检才能检查出来。3、油、气消耗过量润滑油、冷却水消耗过多，表明设备有些部位技术状况恶化，有出现故障的可能。 压缩气体的压力不正常等。4、润滑油出现异常 润滑油变质较正常时间要快，可能与温度过高等有关系。润滑油中金属颗粒较多，一般与轴承等摩擦量有关，可能需要更换轴承等磨损件。 5、电学效应 电阻、导电性、绝缘强度和电位等变化。 2.4.2设备在外观方

22、面的故障征兆 1、异常响声、异常振动 设备在运转过程中出现的非正常声响，是设备故障的“报警器”。设备运转过程中振动剧烈。 2、跑冒滴漏 设备的润滑油、齿轮油、动力转向系油液、制动液等出现渗漏。压缩空气等出现渗漏现象，有时可以明显地听到漏气的声音。循环冷却水等渗漏。 3、有特殊气味 电动机过热、润滑油窜缸燃烧时，会发散发出一种特殊的气味。电路短路、搭铁导线等绝缘材料烧毁时会有焦煳味。橡胶等材料发出烧焦味。2.5齿轮箱故障诊断发展历程 目前的齿轮箱故障诊断研究主要集中在震动信号处理与分析、故障机理研究、典型故障特征的提取、诊断方法研究和人工智能的应用几个方面。2.5.1 机理研究故障机理研究是为了

23、将故障隐患消除在设计阶段，一般从机械动力学出发、研究故障的原因和效应，齿轮箱故障的原因主要有制造误差、装配不良、超载、操作失误等方面，在齿轮箱的部件实效中齿轮、轴承所占的比重约为60%和19%，所以在齿轮箱震动的故障诊断主要是齿轮和轴承的故障诊断。齿轮运行的主要故障有：齿轮磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳和齿断等。 在齿轮箱典型故障机理研究和特征提取方面，主要基于震动机理。一般来说，随着震动能量的不同，齿轮箱震动信号中将产生齿轮合频率调制、齿轮固有频率调制、箱体固有频率调制、滚动轴承外环固有频率调制4中不同的调制现象，不管齿轮正常与否，齿轮合时其适合频率总会出现，但其它频率。只在齿轮、轴承或

24、轴出现故障时才出现。另外，一旦有故障，在和4中频率附近都将产生轴的旋转频率及其谐波的调制。2.5.2信号处理技术 震动信号的处理和分析方法也在突飞猛进，早起信号提取主要借助于傅里叶变换、计算量很大，知道FFT出现以后，经典信号分析方法才得到迅猛发展。然而傅里叶变换存在频率成分的分辨率不高、谱图有畸变、随机欺负明显不光滑，不适于段数据等缺陷，于是人们重新提出来分辨率较高的现代谱分析法，如最大谱估计法、回归谱估计法等。 小波分析是正在迅速发展的一种新分析方法，具有良好的时频局部化特性和特别的去噪能力，在故障诊断中得到了广泛的应用并取得了一定的成果。为了得到特殊频段的分析，小波包分解是比小波分解更精

25、细的一种分解，目前的应用主要集中在小波去噪和早期的故障诊断。2.6本章小结齿轮是最常见的机械传动零件，由于它具有结构紧凑，效率高，寿命长，工作可靠，理论传动比恒定不变和维护方便等优点，因而在机械传动的各个方面获得广泛应用，但齿轮传动也有它的缺点：不能缓和冲击作用，当制造不精确，材质良，热处理不当，使用条件恶劣，安装不正确时，往往会引起较大的振动、噪声和开裂等故障。在齿轮箱的各类零部件中，齿轮本身产生的故障比例最大，据统计其故障率达60，其余零件中的故障率为：轴承占19，轴占10，箱体占7，紧固件占3，齿轮箱中零部件的常见失效形式油封占1t121。齿轮故障按其振动特征来分类，还可分为分布故障和局

26、部故障。前者分布在一个齿轮的各个轮齿上，如磨损、点蚀等；后者集中于一个或几个齿上，如剥落、磨损，等从齿轮故障诊断的角度出发，凡是使齿廓偏离理想形状和位置的变化，都属于齿轮故障，所以当轴或滚动轴承产生故障时，也一定会影响到齿轮啮合状态，使齿轮表现出一定的故障形式。第3章 齿轮箱中齿轮故障诊断及机理3.1齿轮震动机理机器故障信号的组成3.1.1齿轮常见故障齿轮箱零部件一般包含有齿轮、滚动轴承和轴，而且在这三类主要零部件失效时产生的故障通常会互相影响，所以分析齿轮、滚动轴承和轴的主要失效形式对齿轮箱故障诊断具有重要的意义。通常齿轮投入使用后，由于齿轮制造不良或操作维护不善，会产生各种形式的失效，致使

27、齿轮失去正常功能而失效。失效形式又随齿轮材料、热处理、安装和运转状态等因素的不同而不同，常见的齿轮失效形式有：齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、弯曲疲劳与断齿。1齿面磨损齿轮在啮合过程中，往往在轮齿接触表面上出现材料磨擦损伤的现象。凡磨损量不影响齿轮在预期寿命内应具备的功能的磨损，均称为正常磨损。齿轮正常磨损的特征是齿面光亮平滑，没有宏观擦伤，各项公差在允许范围内。如果由于齿轮用材不当，或在接触面间存在硬质颗粒，以及润滑油供应不足或不清洁，往往引起齿轮的早期磨损，有微小的颗粒分享出来，使接触表面发生尺寸变化，重量损失，并使齿形改变，齿厚变薄，噪声增大严重磨损的结果将齿轮失效。磨损失效形式

28、可分为：磨粒磨损、腐蚀磨损和齿轮端面冲击磨损。（1）齿轮磨粒磨损由于润滑油中夹杂直径大于30pm以上的磨粒，或者污物、金属屑末、尘埃和砂粒等进入齿的工作表面，引起磨粒磨损。齿轮齿面受到磨粒磨损，沿滑道方向有细而均匀的条痕，齿面发暗。磨粒磨损进一步发展的结果，会使齿形改变，齿厚变薄，甚至出现“刀片”状齿尖，啮合间隙增大，传动时噪声增大，有时还由于齿厚过薄导致断齿。磨粒磨损多发生在齿根、齿项处的滑动接触部位，而在节圆处较少发生。(2)腐蚀磨损腐蚀磨损是以化学腐蚀作用为主，并伴有机械磨损的一种损伤形式。当润滑油中含有酸、碱和水等易对金属产生腐蚀的化学物质时，就会与齿面发生化学反应，由腐蚀导致齿面损伤

29、。化学腐蚀磨损齿轮的宏观特征是常呈现有腐蚀麻坑，并在工作齿面上沿滑动速度方向呈现出均匀而细小的磨痕。磨损产物都为红褐色小片，其中主要成分为三氧化二铁。化学腐蚀磨损是由于润滑剂中存在污染物或杂质，与齿轮材料发生化学或电化学反应而引起的，同时腐蚀部分由于啮合摩擦和润滑剂的冲刷而脱落，形成化学腐蚀磨损。（3） 齿轮轮齿端面冲击磨损齿轮轮齿端面冲击磨损是变速箱齿轮在换档时，轮齿端面经常受到冲击载荷而导致齿端面磨损。如果齿轮表面硬度过低，则齿端面容易磨损或打毛；硬化层过浅，则易被压碎而暴露出心部软组织；齿轮心部硬度过高或金相组织中碳化物级别超差，则轮齿尖角处易出现崩裂现象。2. 齿面胶合和擦伤齿轮两啮合

30、齿面的金属，发生胶合磨损是在一定压力下直接接触，“焊合”后又有相对运动，金属从齿面上撕落，或从一个齿面向另一个齿面转移而引起损伤的现象，这是一种较严重的磨损形态。它通过接触面局部发生粘合，在相对运动下粘合处分离，致使接触面上有小颗粒被拉拽出来，这种过程反复进行多次而使齿面发生破坏。胶合和擦伤一般发生在重载或高速的齿轮传动中，主要是由于润滑条件不合适而导致齿面问的油膜破裂。胶合磨损的宏观特征是齿面沿滑动速度方向呈现深、宽不等的条状粗糙沟纹，在齿顶和齿根处较为严重，此时噪声明显增大。胶合分为冷粘合和热粘合。冷粘合的沟纹比较清晰，热粘合可能伴有高温烧伤引起的变色。冷粘合撕伤是在重载低速传动的情况下形

31、成的。由于局部压力很高，表面油膜破裂，造成轮齿金属表面直接接触，在受压力产生塑性变形时，接触点由于分子相互的扩散和局部再结晶等原因发生粘合，当滑动时粘合结点被撕开而形成冷粘合撕伤。热粘合撕伤通常是在高速或重载中速传动中，由于齿面接触点局部温度升高，油膜及其他表面膜破裂，表面金属熔合而后又撕裂形成的。新齿轮未经摩合时，也常常在某一局部产生胶合现象，使齿轮擦伤。3.齿面接触疲劳(点蚀、剥落)齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的切应力，在交变应力作用下会产生微观的疲劳裂纹。润滑油进入裂纹后，在啮合过程中将裂纹封闭和挤压，润滑油在高压下促使疲劳

32、裂纹蔓延和扩展，就将齿表面的金属微粒剥落下来，形成许多麻点(凹坑)，这种破坏方式称为“点蚀”。如果表面的疲劳裂纹扩展得较深、较远，将许许多多麻点连接起来，造成大块金属脱落，这种现象就称为“剥落。剥落和点蚀的形成机理相同，无本质区别，只是程度不同而已。其损坏形式有麻点疲劳剥落、浅层疲劳剥落和硬化层疲劳剥落三种。（1） 麻点疲劳剥落齿轮在接触应力作用下，工作表面呈痘斑、片状的疲劳损伤，称为麻点疲劳剥落。麻点疲劳剥落又分初始麻点(非扩展性的)和破坏性麻点(扩展性的)。初始麻点是由于齿面存在微小的加工误差，表面不平，接触不均匀，齿轮在正常工作载荷作用下，使表面局部产生了高出材料疲劳极限的应力，经过一段

33、循环次数后产生疲劳剥落，形成深度小于01mm，直径小于lmm的细小麻点。破坏性麻点是在接触应力圈套，循环次数较多的情况下，初始麻点中产生的次生裂纹，发展成剥落面积较大、较深的剥落坑，麻点深度一般约小于04mm。麻点剥落过程如图(图1)所示：齿轮齿面在滚动带滑动的接触过程中，因表面凹凸不平，表面摩擦较大，在受挤压时，表面部分地被压平，形成小的表面折叠，其尖端处产生应力集中，在反复切应力的作用下产生局部塑性变形而导致裂纹形成。在有润滑情况下，由于毛细管作用使润滑油进入裂缝，当齿轮运动时，高压油挤入裂缝，形成油楔。在油楔反复交变冲击作用下，裂纹进一步扩展，同时在裂纹顶端受到垂直弯曲应力作用，最终形成

34、麻点剥落。（2）浅层疲劳剥落比麻点剥落大而深的接触疲劳损伤称为浅层疲劳剥落，呈鳞片状，通常坑深约O4mm，但在硬化层深度以内。这种剥落常发生在齿轮表面粗糙度低、相对摩擦力小的场合。（3）硬化层疲劳剥落经表面强化处理的齿轮在工作过程中出现大块状剥落，深度达到硬化层过渡区，称为硬化层疲劳剥落。它是表面硬化齿轮严重剥落的一种形式。软齿面不易出现这类损伤现象。实践证明，点蚀一般都发生在靠近节线的齿根部分。局部性点蚀现象并不危险，齿轮实际上还能继续长期工作，这种局部性点蚀是由于存在齿面局部突起部分，在突起部分上面开始随的载荷很高，因而发生强烈点蚀，但局部点蚀结果使原来不传递载荷的表面也参加工作，因而使突

35、起表面上接触应力下降，这种局部点蚀也就停止发展。发生点蚀的面积率是与负荷的反复次数有关的，据日本横山正明等人的研究统计，当负荷循环次数超过107次以后，点蚀面积率就急剧上升。实验显示，润滑油有促进疲劳裂纹的成长和产生麻斑的作用，润滑油的黏度愈低，油量愈充裕，则点蚀现象愈严重，因此，点蚀是闭式传动最普遍的破坏方式。对于开式齿轮传动，由于润滑油不够充分，并且存在磨料性碎屑，因而磨损总是先于点蚀的。4.弯曲疲劳与断齿轮齿承受载荷，如同悬臂梁，其根部受到脉动循环的弯曲应力作用。当这种周期性的应力过高时，会在根部产生裂纹，并逐渐扩展。当剩余部分无法承担外载荷时，就会发生断齿。在齿轮工作中，由于严重的冲击

36、和过载接触线上的过分偏载以及材质不均都可能引起断齿。对于齿轮的弯曲疲劳，诊断的重点应放在裂纹扩展期。这方面已经有了一些成功的实例。常见的断齿形式有整个轮齿沿齿根的弯曲疲劳断裂、轮齿局部断裂和轮齿出现裂纹等。齿轮轮齿弯曲疲劳断口特征有明显的三个区域：裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和最终瞬断区。5.轴不平衡、不对中和弯曲不论工艺和加工精度多高，齿轮箱中的轴都会有不平衡产生，但是只要不平衡量控制在一定的范围，就不会对齿轮箱的正常运行工况产生影响。但是如果不平衡量超过一定的限度，就会对齿轮箱的正常运行工况产生较大的影响，严重时会产生重大事故。齿轮箱中的轴产生较严重的不平衡问题，一般来源于下列几个方面：1.制

37、造过程中工艺和加工存在问题，新制造的轴也会产生严重的不平衡现象。2.在使用过程中轴受到过大的瞬时冲击载荷的作用，产生弯曲或永久变形。3.长期在较大的偏载工况下工作，由于疲劳作用产生永久变形。齿轮箱中有多对轴通过联轴器连接在一起，形成一个轴系工作，就可能会由于设计、制造和安装或者使用过程中的问题使轴系产生不对中，不对中会对齿轮箱的正常运行工况产生较大的影响。在使用过程中轴受到过大的瞬时冲击载荷的作用或长期在较大的偏载工况下工作，轴会产生轻度弯曲或严重弯曲。轴的失效形式多数情况下也会引起齿轮的啮合状态变化，表现为齿轮的失效。特别需要注意的问题是，在齿轮箱中齿轮和滚动轴承都是安装在轴上的，所以轴或轴

38、系产生故障，必然也使安装在轴上的齿轮的啮合状态发生很大变化，有时甚至使滚动轴承的工作状态生产很大变化，所以轴或轴系故障特征的提取和诊断一定要和安装在其上的啮合齿轮的工作状态结合起来。3.1.2 齿轮震动机理（！）齿轮的力学模型分析如图1所示为齿轮副的力学模型，其中齿轮具有一定的质量，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，其振动方程为公式中x沿作用线上齿轮的相对位移；c 齿轮啮合阻尼；k（t）齿轮啮合刚度；T1，T2作用于齿轮上的扭矩；r2齿轮的节圆半径；i齿轮副的传动比；e（t）由于轮齿变形和误差及故障而造成的个齿轮在作用线方向上的相对位移；mr 换算

39、质量。（1-2）图1 齿轮副力学模型mr=m1m2/(m1+m2) 若忽略齿面摩擦力的影响，则(T2-iT1)/r2=0，将e（t）分解为两部分：e(t)=e1+e2(t) （1-3）e1为齿轮受载后的平均静弹性变形；e2(t)为由于齿轮误差和故障造成的两个齿轮间的相对位移，故也可称为故障函数。这样式(1-1)可简化为 （1-4）由式(1-4)可知，齿轮的振动为自激振动。该公式的左侧代表齿轮副本身的振动特征，右侧为激振函数。由激振函数可以看出，齿轮的振动来源于两部分：一部分为k（t）e1，它与齿轮的误差和故障无关，所以称为常规振动；另一部分为k（t）e2(t),它取决于齿轮的综合刚度和故障函数

40、，这一部分可以较好地解释齿轮信号中边频的存在以及与故障的关系。式(1-4)中的齿轮啮合刚度k(t)为周期性的变量，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。k(t)的变化可用两点来说明：一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一轮齿的刚度发生了变化，二是参加啮合的齿数在变化。例如对于重合系数在1-2之间的渐开线直齿轮，在节点附近是单齿啮合，在节线两侧某部位开始至齿顶、齿根区段为双齿啮合（图2）。显然，在双齿啮合时，整个齿轮的载荷由两个齿分担，故此时齿轮的啮合刚度就较大；同理，单齿啮合时啮合刚度较小。 图2 齿面受载变化 图3 啮合刚度变化曲线从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮

41、合，齿轮的啮合刚度就变化一次。由此可计算出齿轮的啮合周期和啮合频率。总的来说，齿轮的啮合刚度变化规律取决于齿轮的重合系数和齿轮的类型。直齿轮的刚度变化较为陡峭，而斜齿轮或人字齿轮刚度变化较为平缓，较接近正弦波（图3）。若齿轮副主动轮转速为n1、齿数为Z1；从动轮转速为n2、齿数为Z2，则齿轮啮合刚度的变化频率（即啮合频率）为无论齿轮处于正常或异常状态下，这一振动成分总是存在的。但两种状态下振动水平是有差异的。因此，根据齿轮振动信号啮合频率分量进行故障诊断是可行的。但由于齿轮信号比较复杂，故障对振动信号的影响也是多方面的，特别是由于幅值调制和频率调制的作用，齿轮振动频谱上通常总是存在众多的边频带

42、结构，给利用振动信号进行故障诊断带来一定的困难。（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。比较典型的例子是齿轮的偏心使齿轮啮合时一边紧一边松，从而产生载荷波动，使振幅按此规律周期性地变化。齿轮的加工误差（例如节距不匀）及齿轮故障使齿轮在啮合中产生短暂的“加载”和“卸载”效应，也会产生幅值调制。幅值调制从数学上看，相当于两个信号在时域上相乘；而在频域上，相当于两个

43、信号的卷积，如图4所示。这两个信号一个称为载波，其频率相对来说较高；另一个称为调制波，其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是调制波成分。图4 单一频率的幅值调制若xc(t)=Asin(2fct+)为齿轮啮合振动信号，a(t)=1+Bcos2fZt为齿轮轴的转频振动信号，则调幅后的振动信号为x(t)=A(1+Bcos2fXt)*sin(2fct+) （1-6）式中A为振幅；B幅值调制指数；fz调制频率，它等于齿轮的旋转频率。上述调制信号在频域可表示为|x(f)=A(f-fc)+1/2AB(f-fc-fZ)+1/2AB(f-fc+fZ) （

44、1-7）由此可见，调制后的信号中，除原来的啮合频率分量外，增加了一对分量 （fcfz）和(fc一fz)它们是以fC为中心，以fz为间距对称分布于两侧，所以称为边频带（图1-7）.对于实际的齿轮振动信号，载波信号、调制信号都不是单一频率的，一般来说都是周期函数。由式（1-4）可知，一般情况下，k(t)e2(t)可以反映由故障而产生的幅值调制。设y(t)=k(t)e2(t) （1-8）则k (t)为载波信号，它包含有齿轮啮合频率及其倍频成分，e2(t )为调幅信号，映齿轮的误差和故障情况。由于齿轮周而复始地运转，所以齿轮每转一圈，e2(t就变化一次，e2(t )包含齿轮轴旋转频率及其倍频成分。在时

45、域上，y(t)=k(t)e2(t) （1-9）在频域上，Sy(f)=SK(f)*Se(f) （1-10）式中,Sy（f）,Sk(f)和Se(f)分别为y(t),k（t）和e2(t )的频谱。由于在时域上载波信号k(t)和调幅信号e2（t）为相乘，在频域上调制的效果相当于它们的幅值频谱的卷积。即近似于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，从而在频谱上形成若干组围绕啮合频率及其倍频成分两侧的边频族（图5）。由此可以较好地解释齿轮集中缺陷和分布缺陷产生的边频的区别。图6(a)为齿轮存在局部缺陷时的振动波形及频谱。这时相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲长度等于齿轮的旋转

46、周期。由此形成的边频带数量多且均匀。 图6(b）为齿轮存在分布缺陷的情形。由于分布缺陷所产生的幅值调制较为平缓，由此形成的边频带比较高而且窄。并且，齿轮上的缺陷分布越均匀，频谱上的边频带就越高、越集中。3.2齿轮箱日常的清理和维护(1)使用专业的清洗装置，如超声波清洗机。 (2)对清洗及清洗后的工序进行严密的控制。制定合理的清洗工序，不同产品的清洗工序要根据实际生产进行摸索；清洗后零件摆放的周围环境应保持干净，并使用正确的方法进行保存。 (3)零件清洗干净或装配后不得再进行后续加工，如打磨等。 (4)零件或部件要进行两次清洗。对于整台齿轮箱，各零件要在装配试车前清洗一次，待试车完后，要再清洗一次，目的是将试车时产生的各种杂质(如未清理的铁屑，齿轮磨合期产生的铁末)清理干净，重要产品的试车时间应相对长些；对于单个零件(非整台订货)，要在入库前和出库后装配前各清洗一次。 (5)对于在齿轮箱实际运转过程中产生的铁屑无法清理时，可在适当位置增加磁性吸铁，并对其进行定期清理3.3本章小结研究齿轮箱故障的诊断方法，我们对齿轮的研究也必不可少。其中包括齿轮常见的故障，以及齿轮震动机理等，都很必要齿轮出现故障时常产生冲击，出现不同程度的调制现象，在频谱图中出现形式各异的调制边