齿轮箱振动信号频谱分析与故障诊断

齿轮箱振动信号频谱分析与故障诊断

郭钊

英利能源（中国）有限公司河北保定071000

摘要：随着科技的快速发展，齿轮已经成为现代工业中主要的零部件之一，由于齿轮箱传动比是固定的，传动力矩大，结构紧凑，被各种机械设备广泛的应用，成为各种机械的变速传动部件，但是齿轮是诱发机械故障的重要部位，所以对齿轮箱故障诊断是十分必要的，本文基于齿轮箱振动及调制边频带形成机理的分析，提出用谱平均及倒频谱分析相结合的方法，对监测系统输出信号进行频域分析，诊断齿轮箱故障，并分析产生的原因。

关键词：齿轮箱；振动信号；频谱分析；故障诊断

一、齿轮传动装置故障基本形式及振动信号特征

对于齿轮传动装置来说零件失效的主要表现为齿轮和轴承，而齿轮所占比例很大，所以根据提取的故障信号特征，提出行之有效的诊断方法是十分必要的，这样才能更好地诊断齿轮传动装置的问题所在。

1.齿形误差

当齿轮出现齿形误差的时候，频谱产生啮合频率及高次谐波为载波频率，齿轮所在的轴转频及倍频为调制频率的啮合频率调制现象，谱图上在啮合频率及倍频附近会产生幅值比较小的边频带，当齿形误差比较严重的时候，激振能量很大，就会产生固有频率，齿轮所在轴转频及倍频为调制频率的齿轮共振频率调制现象。

2.齿面均匀磨损

当齿轮使用以后齿面会出现磨损失效，当磨损的时候，使得轮齿齿形的局部出现改变，箱体振动信号与齿形误差也有很大的不同之处，啮合频率及高次谐波的幅值也会增加，由于齿轮的均匀摩擦，就不会产生冲击振动信号，所以不会出现明显的调制现象。当摩擦达到一定程度以后，啮合频率及谐波幅值就会增加，而且越来越大，同时振动能量也在增加。

3.箱体共振

齿轮传动装置箱体共振是比较严重的问题，这主要是因为受到箱体外的影响，激发箱体的固有频率，导致共振的形成。

4.轴的弯曲

轴轻度弯曲就会造纸齿轮齿形误差，形成以啮合频率及倍频为载波频率，如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，就会对啮合频率调制，但是谱图上的边带数量少，但是轴向振动能量很大。当轴严重弯曲的时候，时域会出现冲击振动，这于单个断齿和集中性故障产生的冲击振动有很大的区别，这是一个严重的冲击过程。冲击会激励箱体的固有频率，如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，就会出现啮合频率调制，谱图上边带数量比较宽，轴向振动能量变得很大。

5.断齿

断齿会导致齿轮的严重失效，其中大多是由于断齿疲劳断齿，断齿时域有很大的冲击振动，其中频率等于断齿轴的转频。啮合频率及高次谐波附近出现间隔为断齿轴转频的边频带，对于边频带数量多、幅值大、分布较宽，另外瞬态冲击能量很大，会激励固有频率，最终产生固有频率调制现象。

6.轴不平衡

当轴不平衡的时候，齿轮传动会出现齿形误差，以齿轮所在的轴转频为调制频率的啮合频率调制现象，但是一般的频谱边带数量很少。

7.轴承疲劳剥离和点蚀

对于齿轮传动装置中，滚动轴承也容易导致故障，主要是内、外环和滚动体出现点蚀和疲劳剥落，这是比较严重的故障，当出现故障以后，在频谱中高频区外环固有频率附近出现明显的调制峰群，以轴承通过频率为调制频率的固有频率调制现象，滚动轴承的振动能量很小，在解调谱中调制频率幅值很小，一般情况下只有一阶。

二、齿轮箱故障的分析诊断方法

在齿轮箱故障诊断中，振动检测是现在主要使用的方法，其中齿轮振动主要包括齿轮的周向振动、齿轮的径向和轴向振动及齿轮的固有振动等，齿轮的振动信号可以有效的反映出其缺陷，同时也是分析齿轮故障诊断的有效依据。

1.频谱分析及其特点

振动信号的频谱分析是齿轮故障信息的基本研究方法，齿轮的制造与安装误差、剥落和裂纹等故障会影响到振动的激励源，齿轮振动信号中会含有轴的回转频率及倍频。故障齿轮的振动一般为回转频率对啮合频率和倍频的调制，就会在频谱中有啮合频率和边频带，最终形成一系列的频带群，边频带反映出故障源信息，边频带的间隔反映的是故障源的频率，幅值的变化反映了故障的程度。所以齿轮故障诊断的实质是对边频带的识别。所以吃了的振动频谱图的谱线是由齿轮的转动频率、低阶谐频、齿轮的啮合频率、倍频、啮合频率的边频带和齿轮幅的各阶固有频率等组成的，齿轮幅的频率会由于齿轮啮合撞击产生振动，而且位于高频区而且振幅很小，容易被噪音信号淹没。

2.倒频谱分析原理

倒频谱分析也被叫做二次频谱分析，是现在信号处理的重要技术，倒频谱识别法可以把在谱图上的边频带谱线简化成单根谱线，这样便于观察，这样可以有效的识别出复杂频谱图上的周期结构，并且可以分离和提取出密集泛频信号中的周期成分，所以根据齿轮箱的信号特点，采用幅值倒频谱分析故障是可以实现的。

3.时域平均与频谱平均技术原理

在设备工作时齿轮箱内的噪音很大，所以在齿轮箱故障诊断的时候，经常使用同步平均技术对噪声进行消除，来有效的提高诊断信息的准确度，平均技术可以分为时域平均和频谱平均技术，所谓的时域平均法就是在检测信号时消除噪声对检测的干扰，但是前提就是要有一个外部同步触发信号去参与信号数据块的采样，以确保信号的同步，对于旋转机械振动信号处理时，一般会利用键相信号作为数据块采样的起始触发信号，使得每次采样都会从一个点开始，对于键相信号是由涡流传感器或光电传感器提供的。但是有时时域平均会受到很多条件的限制，就不能获得同步信号，这个时候就需要使用谱平均法，这种方法主要是由信号本身产生同步的办法获得好的平均效果，其主要操作步骤就是对连续采集的数据进行傅立叶变换，然后对频域信号进行平均处理，这种变换方式限制了噪音功率，，同时对信号分量相加的优点，很大程度上改善频域中的单一谱线的信噪比。

三、诊断策略

应该对加速度和速度进行两时域特征分析和三频域分析，对于振动信号的时域表现的是平均振动能量，时域峰值、峭度和峰值指标可以反映出振动信号的冲击成分，在时域一般会选择振动信号大小、峰值、峭度、峰值的特点进行诊断。齿轮箱故障诊断中频谱分析振动加速度信号中齿轮拟合频率和轴承固有频率的高频。由于齿轮箱的结构十分的复杂，影响振动频率的成分很多，所以应明确的判断故障的发生，对故障问题建立档案。主要建立各轴的转频、齿轮啮合频率、滚动轴承运动学和动力学特征频率，主要为了建立档案和诊断建立参数表，还应该建立被诊断齿轮箱各测点诊断速度的时域信号和包络时域信号档案值，建立相应的频谱界限档案

结语

齿轮箱故障诊断是一项难度很大的工作，只有实现故障自动化诊断和智能诊断才能快速准确的判断出故障点，本文主要对齿轮传动装置典型故障进行分析，为建立自动诊断和智能诊断奠定基础，通过查找资料，可以系统的对齿轮故障问题进行分析总结，对生产过程中出现的齿轮问题进行很好的概括，提高诊断的准确性。

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