实用诊断知识：齿轮故障的振动特征详解

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齿轮诊断的特点

齿轮是旋转机械上的重要部件，其运行状态的好坏直接影响到整个机组的正常工作。所以，齿轮一直是现场监测诊断的重点。

由于制造、安装、维护和工作环境等多种因素的影响，齿轮机构容易产生种种缺陷，图1列举了齿轮的几种常见缺陷。通过监测诊断及时发现并排除齿轮的各种故障，确保机器正常运转十分必要。

a) 齿形加工误差；b) 两齿轮轴不平行；c) 齿轮单端接触；d) 齿轮磨损

图1 齿轮机构的几种常见缺陷

诊断齿轮故障有多种方法，其中最经典的方法是振动频谱分析。在对齿轮进行振动测量分析时，应注意下面几点：

  · 注意齿轮振动信号在传递途中存在严重衰减。由于齿轮结构布局的特点，测点远离故障源，齿轮的振动信号在传递途中要通过很长的路径，即：齿轮→轴→轴承→轴承座→测点，在迂回曲折的传递途中，高频信号大多消失。所以在振动测量时，须认真搜索，仔细测量，尽量提高信噪比。

  · 结构复杂的齿轮箱，往往同时有几副齿轮对在运行，振源多，在振动频谱中包含有数个齿轮啮合频率及其调制转速频率，谱线密集，难以分辨，给识别故障带来相当的难度，因此，需要使用分辨率较高的仪器。

  · 坚持定期监测，建立标准谱。齿轮早期故障的振动信号相当弱小，加之在传递途中能量损耗较大，给齿轮早期故障诊断增加了难度。所以最好对齿轮坚持定期监测，及早发现故障苗头。为了从频谱的变化中识别齿轮状态，应当建立齿轮在正常状态下的基准谱，以供判断齿轮状态。图2是一对齿轮在正常状态的基准谱。只要将测得的齿轮振动信号频谱与基准谱进行比较，很容易发现频率结构的变化，分析谱图中原有频率的消长和新生频率的萌生情况，即可判断齿轮状态的变化，再结合其他相关信息即可判断齿轮的状态。

F

r1

为输入轴（低速轴）转频；

f

r2

为高速轴（输出轴）转频；

f

m

为齿轮啮合频率

图2 齿轮机构基准频谱示例

齿轮振动信号的频率结构

齿轮振动信号中包含着多种频率成分，其中主要的有3种：

(1) 齿轮啮合频率

齿轮啮合频率伴随着齿轮的啮合运动而产生，在数值上它等于齿轮的齿数乘以旋转频率，即：

式中，fm 为齿轮啮合频率 (Hz)；fr 为齿轮回转频率 (Hz)；z 为齿轮齿数；n 为齿轮转速 (r/min)。

一对运行中的齿轮，不管处于何种状态，啮合频率总是存在的。且一对互相啮合的齿轮，其啮合频率对其中任何一个齿轮都是相等的。

(2) 齿轮自振频率

凡是有缺陷的齿轮，在运行中将产生高电平脉冲，这通常会激起齿轮的自振频率（亦称固有频率）。自振频率的出现是齿轮失效的一个关键性指标。对于直齿圆柱齿轮，其自振频率按下式计算：

式中，fc 为齿轮自振频率 (Hz)；k 为齿轮副的弹簧常数；m 为齿轮副的等效质量。

其他类型齿轮的自振频率尚无计算方法，一般由试验测定。

齿轮固有频率一般为1~10kHz，比滚动轴承的固有频率要低一些，这种包含固有频率的高频振动当经过曲折的途径传到齿轮箱时一般已经衰减了，多数情况只能测到齿轮的啮合频率。

(3) 齿轮边频带（或称齿轮旁瓣）

当齿轮存在故障时，由于载荷波动而产生幅值调制，因转速波动而产生频率调制。由此，在啮合频率或固有频率两旁产生一簇簇边频。其调制信号可因各种不同的缺陷而产生，如齿轮轮齿不均匀啮合，齿侧游隙超差，齿轮偏心较大，轮齿局部缺陷，齿轮载荷变化等。因此，这些齿轮的边频带就成了判断齿轮故障非常有价值的信息。

(4) 齿轮的其他频率成分

齿轮振动信号中，有时还包含其他的频率成分，其中有因转子不平衡、轴不对中、机械松动等，造成的一系列的和频、差频分量，以及与在齿轮加工过程中存在的“鬼线”等。在这些频率中，有的频率成分与齿轮故障没有多大关系，甚至还对识别齿轮故障带来了干扰。所以，须充分了解各种振动信号的频率特性和产生的根源。

齿轮诊断常用频谱分析方法

  · 功率谱分析：这是现场诊断应用最多的一种频谱分析方法。在理论、实用上都比较成熟。采用功率谱分析，对齿轮大面积磨损、点蚀等故障的诊断效果很好，而对局部故障敏感性较差。

  · 细化谱分析：采用细化谱分析的目的是为了提高分辨率，有助于识别齿轮的边频结构，常常用来作为功率谱的辅助分析手段。

  · 倒谱分析：这也是诊断齿轮的常用方法，对识别齿轮边频结构很有效。另外，倒谱分析对齿轮信号的传递路径不甚敏感，这为选择测点提供了方便。如果仪器的信噪比较高，采用倒谱分析效果更好。

来源：因联智慧诊断微信公众号（ID：gh_7bfa6a26e890）