目 录
摘要 ··················································································································· 1
关键词 ··············································································································· 1
引言 ··················································································································· 1
一、齿轮故障诊断原理 ·················································································· 1
二、现场监测与故障诊断 ·············································································· 1
(一)冷轧厂开卷设备及主要材料参数 ·························································· 1
(二)测试参数及测点布置 ··············································································· 2
(三)故障分析 ···································································································· 2
(四)诊断结论 ···································································································· 3
三、啮合频率及其谐波 ·················································································· 4
四、幅值调制和频率调制所构成的边频带················································· 4
(一)幅值调制 ···································································································· 4
(二)频率调制 ···································································································· 5
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五、由齿轮转频的低次谐波构成的附加脉冲 ············································ 5
六、由齿轮加工误差形成的隐含成分 ························································· 5
(一)某采油平台原油外输泵（螺杆泵）传动齿轮局部断齿 ····················· 5
(二)某浮式储油轮热介质提升泵齿轮啮合不良 ·········································· 6
结语 ··················································································································· 6
致谢 ··················································································································· 7
参考文献 ··········································································································· 7
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浅析齿轮故障诊断及技术分析
摘要：齿轮故障通常具有相似的现象，即振动和噪声明显增加，但产生齿轮故障的原因却很难从表象作出判断。本文从振动分析的角度阐述齿轮振动的时域与频域特征，并结合实测案例进行分析。
关键词：齿轮故障；振动特征；时域；频域；案例分析
引言：
简述了齿轮故障诊断的原理，并通过冷轧厂开卷机齿轮故障的诊断实例，阐述了齿轮故障诊断的方法，并进一步说明了齿轮故障诊断技术在现场中的应用。
齿轮的运行情况直接影响整个机器或机组的作，因此，齿轮是现场监测和诊断的主要对象。对齿轮故障诊断的经典方法是振动频谱分析，它以传统的振动理论为依据，利用诊断仪器对其振动的数据和波形进行采集，然后进行分析诊断，找出其故障的原因和所在的部位。本文从齿轮故障诊断的原理手，通过对冷轧厂开卷机大齿轮箱的异常振动进行振动分析及故障诊断来介绍齿轮故障诊断技术在场的应用。
一、齿轮故障诊断原理
一对齿轮副可以看作是一个振动系统，按照傅里叶变换的原理，可将齿轮的振动信号分解为若干个谐波分量之和。当齿轮发生故障后，齿轮的啮合刚度降低，从而产生强烈的振动，测得的振动信号畸变加剧，在频谱图上，啮合频率处的谱值会显著增大，而故障齿轮的振动信号往往表现为回转频率对啮合频及其倍频的调制，调制频率即齿轮轴的回转频率。在频谱图上形成以啮合频率为中心，2个等间隔分布的边频带。所以，采用频谱分析方法能有效地找出齿轮的各种故障。
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二、现场监测与故障诊断
(一)冷轧厂开卷设备及主要材料参数
冷轧厂开卷机设备简图及主要技术参数冷轧厂开卷机设备的简图见图1，其主要技术参数:电动机转速为1 280 r/min;齿轮均为斜齿轮;联轴器为齿式联轴器。图中的②一⑥点轴承均为心滚子轴承。
(二)测试参数及测点布置
测试参数为速度、加速度，测点布置如图1的①一⑥所示。
(三)故障分析
2004年以来，开卷机的振动增大，为此进行振动测试，共测试了②，③，④，⑤共4个测点，其中③测点的水平方向速度振值显著，加速度振值达107. 30 m/s，已是标准值的3倍多(标准值为30m/s ) ，峭度指标为20. 2，这预示齿轮箱在测点③附近存在故障。在测点③水平方向的时域波形图(图2)中清晰地显示出每转一周都出现一个脉冲信号，脉冲间隔为134 ms，频率值7.5 Hz。这恰与大齿轮箱高速轴(小齿轮所在轴)转速频率一致。测点③水平方向频谱图(图3)上，由于故障
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信号的影响调制出大量的边频，谱线密集难以辨认，故取80一200 Hz频段细化处理(图4)。为了进一步验证结论，又进行了该点的倒频谱分析(图5)，从倒频谱图上更清楚地看到主要的频率成分，其倒频率为134 ms(即7. 5 Hz)，正好对应大齿轮箱高速轴的转速频率。
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(四)诊断结论
根据齿轮故障诊断的原理，哪一对齿轮的啮率所对应的峰值较高，就说明哪一对齿轮出现了故障。边频带的间隔等于哪一根轴的旋转频率，就说哪一根轴上的齿轮出现了故障。经过上述分析，初判定开卷机大齿轮箱的小齿轮存在着故障。
不久，对该机进行停机检修，发现小齿轮上有个轮齿出现塑性变形，其中2个轮齿齿面上有凹坑，比较严重，属于小齿轮个别齿出现了局部损伤，因此，在啮合时，我们的分析判断得到了证实。
更换新齿轮后，再次进行测量，测点③的水平方向的速度幅值从3.9 mm/s降到2.9 mm/s，加速度幅值从107. 3 m/s降到6.2 m/s，峭度指标从原来的20. 2降到3. 17。说明该机已正常运行。
时域波形图上基本显示出正弦波状态(图6)，的脉冲信号已消除。从频谱图中看，187. 7 Hz、367.5 565 Hz是该轴的啮合频率及其2倍频，3倍频(此时该转速为340 r/min，啮合频率为1~7. 3 Hz)。啮合频率的边频幅值也很小(图7)，这也说明故障已不存在。
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齿轮传动的常见故障有齿断裂，齿磨损，齿面疲劳（点蚀、剥落）和齿轮安装不当。
由结构和工作时受力条件决定，齿轮传动的振动信号较为复杂，故障诊断需同时进行时域与频域分析。齿轮工作过程中的故障信号频率基本表现为两部分，一为啮合频率及其谐波（高频部分）构成的载波信号；二为低频成分的幅值和相位变化所构成的调制信号。
三、啮合频率及其谐波
当轮齿进人或脱离啮合时，载荷和刚度均突然增大或减小，形成啮合冲击。齿轮啮合频率为fm=f1•Zl=f2•Z2，当齿轮出现故障时，将引起啮合频率及其各次谐波幅值的变化。
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四、幅值调制和频率调制所构成的边频带
(一)幅值调制
幅值调制相当于两个信号在时域上相乘。假定载波信号为g(t)，调制信号为e(t)，则调制后的时域总信号为
X (t) =g (t) • e (t)
将上式转换到频域上，则为X(f)＝G(f) •E (f).通常幅度调制的调制频率为旋转频率。
(二)频率调制
齿轮的转速波动，若载波信号为A sin (2пfmt+φ0），调制信号为βsin2пfmt，频率调制可表示为x (t) =A sin [2пfmt +βsin (2пf1t )＋φ0]。频率调制不仅产生围绕啮合频率fm的一族边频带，而且在相位信号中产生一个正弦波。通常频率调制的频率为分度不均匀齿轮的转频。实际上，齿轮故障中调幅与调频现象可能同时存在，因而在频谱上得到调幅与调频综合影响下形成的边频带。
五、由齿轮转频的低次谐波构成的附加脉冲
齿轮的低频故障（不平衡、不对中等）也会对齿轮振动时域波形产生影响，但不会在齿轮频率两侧产生边频带。
六、由齿轮加工误差形成的隐含成分。
该成分的振动通常由加工机床分度齿轮误差造成，它对齿轮的整体运行影响很小。
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以下是一个齿轮故障的案例分析。
(一)某采油平台原油外输泵（螺杆泵）传动齿轮局部断齿
1、设备形式及参数。电机驱动直联双螺杆泵，螺杆之间以同步齿轮传动，齿轮齿数z=67;电机转速n=995r/min (16.57Hz) 。
2、故障现象。泵的非驱动端（同步齿轮安装在此侧）振动速度值增加，图8、图9是时域波形及频谱图。 图10是图9的局部细化谱。
3、振动特征及分析。在时域波形图中（图8)出现明显的冲击峰值，表明齿轮可能存在局部缺陷；频谱图（图9)中有齿轮啮合频率及二倍谐频，边频丰富，从图10可以看到，边频为转子工频，这说明啮合频率的振动幅值被转子工频冲击振动调制。
图8时域波形图
图9频谱图
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图10二倍啮合频率局部放大图
4、齿轮局部缺陷。
齿轮箱拆检后发现齿轮局部断齿，缺陷齿共五个。
(二)某浮式储油轮热介质提升泵齿轮啮合不良
1、设备形式与参数。电机驱动直联齿轮泵，电机转速n=1 478r/min、齿轮齿数z=12。
2、故障现象。该泵运行时发出连续尖啸，非驱动端轴承温度偏高。非驱动端轴承位置的时域和频域谱见图11、图12。
3、振动特征及分析。时域图中有很高的冲击值，频谱图中存在较高峰值的齿轮啮合频率及二倍频，且其振动速度值高于一倍频，但边频很少且幅值较低，表明齿轮啮合频率的振动并不是由于齿轮本身缺陷造成；齿轮泵非驱动端轴承温度偏高。
图11时域图
图12频谱图
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4、诊断结论。由此可以判断，该齿轮泵齿轮啮合严重不良，主要原因是两齿轮轴平行度超差。
拆检后发现齿轮泵非驱动端的滑动轴承偏磨，造成两齿轮中心线不平行，导致齿轮啮合故障。更换轴瓦后，设备运行正常。
结语
在齿轮箱各类零件损坏的比例中，齿轮约占60%，为此，应利用齿轮故障诊断技术――频谱分析定期地对齿轮箱进行状态监测并作趋势分析，及时发现故障隐患，以保障机械设备的正常工作。
致谢：
本文是在指导老师悉心指导和亲切关怀下，经过不断的学习和修改完成的。
老师严谨的学风，渊博的学识，谦逊的为人，丰富的实践经验，高瞻远瞩、敏锐的科学眼光，将是我永远学习的楷模；老师乐观、正直、朴实的生活态度，令我深深敬佩。老师的谆谆教诲，将使我终生受益。在此，谨致以衷心的感谢和崇高的敬意。
参考文献
[1]张正松.旋转机械振动监测及故障诊断.北京:机械工业出版社，1991.
[2]钟秉林，黄仁.机械故障诊断学.北京;机械工业出版社，2002.
[3]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.
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