據(jù)統(tǒng)計(jì)，在齒輪箱失效零件中，齒輪本身的失效比重最大約占60%，可見齒輪傳動(dòng)是誘發(fā)機(jī)器故障的重要部位。因此，進(jìn)行齒輪箱故障診斷研究有著重要的意義。

　　齒輪箱中的軸、齒輪和軸承在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，若發(fā)生故障，其振動(dòng)信號(hào)的能量分布就會(huì)發(fā)生變化，振動(dòng)信號(hào)是齒輪箱故障特征的載體。在齒輪箱典型故障機(jī)理研究和特征提取方面，由于齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境一般比較惡劣，各種干擾較大，涉及問題較多，國內(nèi)外學(xué)者雖然取得了一定的成績(jī)，但對(duì)于齒輪和軸的故障機(jī)理研究仍然不夠深入，需要進(jìn)一步的完善和研究。

　　通過理論研究和實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)具有故障的齒輪箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，其中在領(lǐng)域分析中除了傳統(tǒng)的頻譜分析外，還采用細(xì)化譜分析以及解調(diào)分析方法，并與正常狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行比較，從而提取該故障的特征。根據(jù)其故障信號(hào)的特征，提出行之有效的診斷方法。

　　1 典型故障特征

　　利用振動(dòng)理論和試驗(yàn)研究分析了齒輪箱中齒形誤差、齒輪均勻磨損、箱體共振、軸輕度彎曲、斷齒、軸不平衡、軸嚴(yán)重彎曲、軸向竄動(dòng)、軸承疲勞剝落和點(diǎn)蝕九種典型故障的振動(dòng)特征。

　　1.1 齒形誤差

　　齒形誤差時(shí)，頻譜產(chǎn)生以嚙合頻率及其高次諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象，譜圖上在嚙合頻率及其倍頻附近產(chǎn)生幅值小且稀疏的邊頻帶;解調(diào)譜上出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻階數(shù)較少，一般以一階為主。而當(dāng)齒形誤差嚴(yán)重時(shí)，由于激振能量較大，產(chǎn)生以齒輪各階固有頻率為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的齒輪共振頻率調(diào)制現(xiàn)象。

　　圖1為某水磨機(jī)減速器齒形不好時(shí)的頻譜圖、解調(diào)譜圖該齒輪副嚙合頻率為281.75I-Iz，轉(zhuǎn)頻為12.35I-Iz，從解凋譜圖上可以看出，一階轉(zhuǎn)頻很大，而其倍頻幅值較小或沒有出現(xiàn)。

　　齒形誤差的主要特征為：

　　(1)以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率.齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制;當(dāng)齒形誤差嚴(yán)重時(shí)，由于激振能量較大，以齒輪各階固有頻率為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的齒輪共振頻率調(diào)制;

　　(2)振動(dòng)能量(包括有效值和峭度指示)有一定程度的增大;

　　(3)包絡(luò)能量(包括有效值和峭度指示)有一定程度的增大。

　　1.2 齒輪均勻磨損

　　齒輪均勻磨損時(shí)由于無沖擊振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生，所以不會(huì)出現(xiàn)明顯的調(diào)制現(xiàn)象。當(dāng)磨損發(fā)展到一定程度時(shí)，嚙合頻率及其各階諧波幅值明顯增大，而且階數(shù)越高，諧波增大的幅度越大。同時(shí)，振動(dòng)能量(包括有效值和峭度指標(biāo))有較大幅度的增加。

　　圖2為某水泥磨機(jī)減速機(jī)齒輪均勻磨損頻譜圖，均勻磨損后出現(xiàn)了嚙合頻率(5250Hz)及其2倍頻(1035Hz)、3倍頻(156.3Hz)、4倍頻(20898Hz)、5倍頻(256.84)，根據(jù)測(cè)試的結(jié)果來看，各階諧波幅值明顯增高，高階增大的幅度大。

　　齒輪均勻磨損的主要特征為：

　　(1)齒輪嚙合頻率及其諧波的幅值明顯增大，階數(shù)越高，幅值增大的幅度越大;

　　(2)振動(dòng)能量(包括有效值和峭度指標(biāo))有較大幅度的增加。

　　1.3 箱體共振

　　箱體共振時(shí)，在譜圖上出現(xiàn)了箱體的固有頻率成份，一般情況下共振能量很大，而其它頻率成份則很小或沒有出現(xiàn)。

　　圖3為某水泥磨機(jī)發(fā)生箱體共振時(shí)的頻譜圖。從圖中可以看出，磨機(jī)大齒輪嚙合頻率52.50Hz(箱體固有頻率在52.50Hz附近)振動(dòng)能量很大，該機(jī)停機(jī)后進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)該頻率成份由該車間的另一臺(tái)同種號(hào)的水泥磨機(jī)通過地基傳過來引起減速機(jī)殼共振幅值仍較大。

　　箱體共振的主要特征為振動(dòng)能量很大。

　　1.4 斷齒

　　斷齒時(shí)域表現(xiàn)為幅值很大的沖擊型振動(dòng)，頻率等于有斷齒軸的轉(zhuǎn)頻。而頻域上在嚙合頻率及其高次諧波附近出現(xiàn)間隔為斷齒軸轉(zhuǎn)頻的邊頻帶;邊頻帶一般數(shù)量多、幅值較大、分布較寬。解調(diào)譜中常出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻及其高次諧波，甚至出現(xiàn)l0階以上。同時(shí)由于瞬態(tài)沖擊能量大，時(shí)常激勵(lì)起固有頻率，產(chǎn)生固有頻率調(diào)制現(xiàn)象。

　　圖4為某變速箱中間軸常嚙合齒輪斷齒時(shí)振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)、頻譜、細(xì)化譜及解調(diào)譜，在斷齒齒輪1階嚙合頻率468.7Hz附近出現(xiàn)明顯的有上述特點(diǎn)的邊頻帶，解調(diào)譜出現(xiàn)調(diào)制頻率為中間軸的轉(zhuǎn)頻11.o7}k及高次諧波。由于斷齒產(chǎn)生的瞬態(tài)沖擊能量大，時(shí)常激勵(lì)起齒輪固有頻率，產(chǎn)生固有頻率調(diào)制現(xiàn)象，圖4(d)上出現(xiàn)了一組以1082Hz為中心頻率(自由態(tài)下斷齒齒輪某階固有頻率為1069Hz)，以中間軸轉(zhuǎn)頻1107Hz為調(diào)制頻率的邊頻帶。在另一次變速箱中間軸常嚙合齒輪斷齒時(shí)也發(fā)現(xiàn)了上述現(xiàn)象。

　　斷齒的主要特征為：

　　(1)以齒輪嚙合頻率及其高次諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制，調(diào)制邊頻帶寬而高，解調(diào)譜出現(xiàn)所在軸的轉(zhuǎn)頻和多次高階諧波;

　　(2)以齒輪各階固有頻率為載波頻率.齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的齒輪共振頻率調(diào)制，調(diào)制邊頻帶寬而高，解調(diào)諧出現(xiàn)所在軸的轉(zhuǎn)頻和多次高階諧波：

　　(3)振動(dòng)能量(包括有效值和峭度指標(biāo))有較大幅度的增加;

　　(4)包絡(luò)能量(包括有效值和峭度指標(biāo))有較大幅度的增加。

　　1.5 軸輕度彎曲

　　軸輕度彎曲時(shí)，在齒輪傳動(dòng)中將導(dǎo)致齒形誤差，形成以嚙合頻率及其倍頻為載波頻率，以齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象，如果彎曲軸上有多對(duì)齒輪嚙合，則會(huì)出現(xiàn)多對(duì)嚙合頻率調(diào)制但一般譜圖上邊帶數(shù)量少而稀，它與齒形誤差雖有類似的邊帶，但其軸向振動(dòng)能量明顯加大。

　　圖5為一臺(tái)車床v軸發(fā)生了300tan左右的2階軸彎曲時(shí)的振動(dòng)速度頻譜、細(xì)化譜和解調(diào)譜，譜圖上出現(xiàn)了以19/76齒的Ⅳ軸與v軸嚙合頻率262.8Hz的2倍頻526.6Hz為中心頻率，以v軸轉(zhuǎn)頻3.45HZ為調(diào)制頻率的邊頻帶。

　　軸輕度彎曲的主要特征為：

　　(1)以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制，調(diào)制邊頻帶數(shù)量少而稀，解調(diào)譜上一般只出現(xiàn)所在軸的轉(zhuǎn)頻;

　　(2)如果彎曲軸上有多對(duì)齒嚙臺(tái)，則會(huì)出現(xiàn)多對(duì)嚙合頻率調(diào)制;

　　(3)振動(dòng)能量(包括有效值和峭度指標(biāo))有一定程度的增加;

　　(4)包絡(luò)能量(包括有效值和峭度指標(biāo))有一定程度的增加.

　　1.6 軸嚴(yán)重彎曲

　　軸嚴(yán)重彎曲時(shí)，時(shí)域有明顯的沖擊振動(dòng)，以一定的時(shí)間間隔出現(xiàn)，沖擊持續(xù)了整個(gè)周期的I/3以上.這與單個(gè)斷齒和集中型故障產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)有明顯區(qū)別，這是軸嚴(yán)重彎曲造成的齒輪嚙合過程中連續(xù)多次沖擊振動(dòng)構(gòu)成的一次大的沖擊過程。當(dāng)沖擊能量很大時(shí)激勵(lì)起箱體的固有頻率，振幅很大軸嚴(yán)重彎曲振動(dòng)能量很大，為一種嚴(yán)重故障.產(chǎn)生箱體共振調(diào)制現(xiàn)象。軸嚴(yán)重彎曲時(shí)，形成以嚙合頻率及其倍頻、齒輪固有頻率、箱體固有頻率為載波頻率，以齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象，如果彎曲軸上有多對(duì)齒輪嚙合，則會(huì)出現(xiàn)多對(duì)嚙合頻率調(diào)制譜圖上邊帶數(shù)量較寬，軸向振動(dòng)能量明顯加大。

　　圖6為一臺(tái)C523立式車床傳動(dòng)箱Iv軸嚴(yán)重彎曲時(shí)振動(dòng)加速度的時(shí)域波形、解調(diào)譜，圖6(b)中出現(xiàn)了Ⅳ軸轉(zhuǎn)頻3.47Hz及其倍頻的調(diào)制頻率。

　　軸嚴(yán)重彎曲的主要特征為：

　　(1)以齒輪嚙合頻率及其諧波、齒輪固有頻率、箱體固有頻率為載波頻率，以齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制，如果彎曲軸上有多對(duì)齒輪嚙合，則會(huì)出現(xiàn)多對(duì)嚙合頻率調(diào)制，譜圖上邊帶數(shù)量較寬.解調(diào)譜Hj現(xiàn)所在軸的轉(zhuǎn)頻和多階高次諧波;

　　(2)如果彎曲軸E有多對(duì)齒輪嚙合，則會(huì)出現(xiàn)多對(duì)嚙臺(tái)頻率調(diào)制;

　　(3)振動(dòng)能量(包括有效值和峭度指標(biāo))有較大程度的增加;

　　(4)包絡(luò)能量t包括有效值和峭度指標(biāo))有大幅度的增加。

　　1.7 軸向竄動(dòng)

　　當(dāng)軸上有兩個(gè)同時(shí)參與嚙合的斜齒輪時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生軸向竄動(dòng)現(xiàn)象此時(shí).時(shí)域表現(xiàn)為頻率與有故障軸上相嚙合的兩對(duì)齒輪中較大的嚙合頻率相等，一周內(nèi)有正負(fù)各一次大的尖峰沖擊振動(dòng).頻域中嚙合頻率幅值明顯增大。

　　圖7變速箱疲勞壽命試驗(yàn)中一次中間軸后軸承在軸上裝配不到位，軸承鎖緊螺母沒擰緊，松動(dòng).中間軸發(fā)生軸向竄動(dòng)時(shí)振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)和頻譜，由于中間軸上常嚙合輪與2、3、4檔齒輪旋向相反，齒輪從一對(duì)齒嚙合過渡到另一對(duì)齒嚙合過程中軸向合力大小方向變化一個(gè)周期，軸竄動(dòng)一個(gè)周期，一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)中兩次換向時(shí)產(chǎn)生沖擊，如圖7(a)為一正一負(fù)兩個(gè)沖擊，其頻率成分與竄動(dòng)軸上較大嚙合頻率469.97一致，嚙合頻率幅值增大(如圖7(b))軸向竄動(dòng)的主要特征為：

　　(1)一根軸上有方向相反的兩個(gè)斜齒輪;

　　(2)有故障軸上齒數(shù)多的齒輪嚙合頻率的幅值大幅度增加;

　　(3)振動(dòng)能量(包括有效值和峭度指標(biāo))有較大程度的增加

　　1.8 軸有較嚴(yán)重的不平衡

　　軸有較嚴(yán)重的不平衡時(shí)，在齒輪傳動(dòng)中將導(dǎo)致齒形誤差.形成以嚙合頻率及其倍額為載波頻率.以齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象.但一般譜圖上邊帶數(shù)量少而稀。但在譜圖中其有放障軸的轉(zhuǎn)頻成分明顯加大。

　　圖8為一臺(tái)新制造的精密車床在出廠前檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輸出軸發(fā)生有較嚴(yán)重不平衡時(shí)的振動(dòng)加速度和速度頻譜、細(xì)化譜和解調(diào)譜，譜圖上出現(xiàn)了以39/44齒的嚙臺(tái)頻率1198.85Hz為中心頻率.以輸出軸和與其嚙臺(tái)的軸的轉(zhuǎn)頻30.59Hz和2539Hz為調(diào)制頻率的邊頻帶，并且轉(zhuǎn)頻成分的幅值相當(dāng)大，軸有較嚴(yán)重的不平衡時(shí)的主要特征：

　　(1)以齒輪嚙合頻率及其諧渡為載波頻率.齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制，調(diào)制邊頻帶數(shù)量少而稀，解調(diào)譜上一般只出現(xiàn)所在軸的轉(zhuǎn)頻;

　　(2)有故障軸的轉(zhuǎn)頻成分有較大程度的增加;

　　(3)振動(dòng)能量(包括有效值和峭度指標(biāo))有一定程度的增加;

　　(4)包絡(luò)能量(包括有效值和峭度指標(biāo))有一定程度的增加。

　　1.9 軸承疲勞剝落和點(diǎn)蝕

　　滾動(dòng)軸承內(nèi)外環(huán)及滾動(dòng)體疲勞剝落和點(diǎn)蝕后，在其頻譜中高頻區(qū)外環(huán)固有頻率附近出現(xiàn)明顯的調(diào)制峰群，產(chǎn)生以外環(huán)固有頻率為載波頻率，以軸承通過頻率為調(diào)制頻率的固有頻率調(diào)制現(xiàn)象，由于滾動(dòng)軸承產(chǎn)生的振動(dòng)在傳動(dòng)箱中與齒輪振動(dòng)相比能量較小，解調(diào)譜中調(diào)制頻率幅值較小，一般只出現(xiàn)1階。

　　圖9為E0—140變速箱中間軸后軸承(型號(hào)50308)內(nèi)圈滾道有1/2圈嚴(yán)重疲勞剝落，另半圈有一處大的剝落坑時(shí)振動(dòng)加速度頻譜和濾波后解調(diào)譜一在2000—3000Hz范圍內(nèi)2258.3Hz頻率附近出現(xiàn)了含有34.79Hz和23.8o成分的調(diào)制峰群，而實(shí)測(cè)自由態(tài)下外環(huán)一階固有頻率為2246o9，計(jì)算所得外環(huán)及滾動(dòng)體通過頻率分別為3447Hz和23O6}{z。由于滾動(dòng)軸承產(chǎn)生的振動(dòng)在傳動(dòng)箱中與齒輪振動(dòng)相比能量較小，解調(diào)譜中調(diào)制頻率幅值較小，一般只出現(xiàn)1階(如圖9(b))

　　2 診斷策略

　　為了綜合利用典型故障的特征，必須采用對(duì)加速度和速度進(jìn)行兩時(shí)域(原始時(shí)域信號(hào)和包絡(luò)時(shí)域信號(hào))特征值分析和三頻域(頻譜、細(xì)化譜、解調(diào)譜)分析的方法。由于振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域均方值反映了平均振動(dòng)能量，時(shí)域峰值、峭度和峰值指標(biāo)在一定程度上反映出振動(dòng)信號(hào)是否含有沖擊成分，而包絡(luò)時(shí)域均方值可直接反映出振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)大小，峰值、峭度和峰值指標(biāo)則可直接反映出振動(dòng)沖擊信號(hào)的尖銳程度，所以在時(shí)域一般選用這四個(gè)特征值作為診斷參量，在齒輪箱故障診斷中頻譜主要用于分析振動(dòng)加速度信號(hào)中齒輪嚙合頻率和軸承內(nèi)、外環(huán)固有頻率等中高頻成分;細(xì)化譜主要用于分析振動(dòng)速度信號(hào)中各軸轉(zhuǎn)頻和軸承各組件通過頻率等低頻成分;解調(diào)譜主要用于分析振動(dòng)加速度信號(hào)中各軸轉(zhuǎn)頻和軸承各組件通過頻率等低頻成分。齒輪箱因結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其振動(dòng)的頻率成分很多，故一定要在建立檔案的基礎(chǔ)上來判斷是否存在故障，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行故障診斷建檔分為如下幾個(gè)方面：

　　(1)機(jī)器特征和參數(shù)特征：主要是建立各軸的轉(zhuǎn)頻、齒輪嚙合頻率、滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征頻率，設(shè)置振動(dòng)速度和加速度的報(bào)警系數(shù)，為建檔和診斷建立相關(guān)參數(shù)表。

　　(2)在線或離線建檔：在診斷前必須建立被診斷齒輪箱各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度的時(shí)域信號(hào)和包絡(luò)時(shí)域信號(hào)特征值的檔案值，振動(dòng)加速度的中高頻頻域檔案，振動(dòng)速度的低頻檔案，并建立相應(yīng)的頻譜界限檔案，這些值和界限檔案是診斷的基礎(chǔ)。

　　3 總結(jié)

　　齒輪箱故障診斷應(yīng)用的信號(hào)處理方法有時(shí)域分析和頻域分析兩個(gè)方面。時(shí)域分析常用統(tǒng)計(jì)值有均值、均方值、方差、均方根值、均方幅值、峭度和峰值指標(biāo)等。頻域分析包括頻譜分析、細(xì)化譜分析和解調(diào)譜分析。本文利用振動(dòng)理論和試驗(yàn)研究分析了齒輪箱中九種常見的典型故障的振動(dòng)特征，并提出采用在建檔基礎(chǔ)上對(duì)加速度和速度進(jìn)行兩時(shí)域(原始時(shí)域信號(hào)和包絡(luò)時(shí)域信號(hào))特征值分析和三頻域(頻譜、細(xì)化譜、解調(diào)譜)分析的方法進(jìn)行齒輪箱自動(dòng)診斷或智能診斷的策略。由于齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境一般比較惡劣，各種干擾較大，涉及問題較多，齒輪箱典型故障的提取是一項(xiàng)難度較大的工作，還需要進(jìn)一步研究。