利用振动理论和试验研究分析了齿轮箱中齿形误差、齿轮均匀磨损、箱体共振、轴轻度弯曲、断齿、轴不平衡、轴严重弯曲、轴向窜动、轴承疲劳剥落和点蚀九种典型故障的振动特征。
1. 1 齿形误差
齿形误差时,频谱产生以啮合频率及其高次谐波为载波频率,齿轮所在轴转频及其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其倍频附近产生幅值小且稀疏的边频带;解调谱上出现转频阶数较少,一般以一阶为主。而当齿形误差严重时,由于激振能量较大,产生以齿轮各阶固有频率为载波频率,齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制现象。
齿形误差的主要特征为:
(1) 以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率,齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制;当齿形误差严重时,由于激振能量较大,以齿轮各阶固有频率为载波频率,齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制;
(2) 振动能量(包括有效值和峭度指示) 有一定程度的增大;
(3) 包络能量(包括有效值和峭度指示) 有一定程度的增大。
1. 2 齿轮均匀磨损
齿轮均匀磨损时由于无冲击振动信号产生,所以不会出现明显的调制现象。当磨损发展到一定程度时,啮合频率及其各阶谐波幅值明显增大,而且阶数越高,谐波增大的幅度越大。同时,振动能量(包括有效值和峭度指标) 有较大幅度的增加。
齿轮均匀磨损的主要特征为:
(1) 齿轮啮合频率及其谐波的幅值明显增大,阶数越高,幅值增大的幅度越大;
(2) 振动能量(包括有效值和峭度指标) 有较大幅度的增加。
1. 3 箱体共振
箱体共振时,在谱图上出现了箱体的固有频率成份,一般情况下共振能量很大,而其它频率成份则很小或没有出现。
箱体共振的主要特征为振动能量很大。
1. 4 断齿
断齿时域表现为幅值很大的冲击型振动,频率等于有断齿轴的转频。而频域上在啮合频率及其高次谐波附近出现间隔为断齿轴转频的边频带;边频带一般数量多、幅值较大、分布较宽。解调谱中常出现转频及其高次谐波,甚至出现10 阶以上。同时由于瞬态冲击能量大,时常激励起固有频率,产生固有频率调制现象。
断齿的主要特征为:
(1) 以齿轮啮合频率及其高次谐波为载波频率,齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制,调制边频带宽而高,解调谱出现所在轴的转频和多次高阶谐波;
(2) 以齿轮各阶固有频率为载波频率,齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制,调制边频带宽而高,解调谐出现所在轴的转频和多次高阶谐波;
(3) 振动能量(包括有效值和峭度指标) 有较大幅度的增加;
(4) 包络能量(包括有效值和峭度指标) 有较大幅度的增加。
1. 5 轴轻度弯曲
轴轻度弯曲时,在齿轮传动中将导致齿形误差,形成以啮合频率及其倍频为载波频率,以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象,如果弯曲轴上有多对齿轮啮合,则会出现多对啮合频率调制。但一般谱图上边带数量少而稀,它与齿形误差虽有类似的边带,但其轴向振动能量明显加大。
轴轻度弯曲的主要特征为:
(1) 以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率,齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制,调制边频带数量少而稀,解调谱上一般只出现所在轴的转频;
(2) 如果弯曲轴上有多对齿啮合,则会出现多对啮合频率调制;
(3) 振动能量(包括有效值和峭度指标) 有一定程度的增加;
(4) 包络能量(包括有效值和峭度指标) 有一定程度的增加。
1. 6 轴严重弯曲
轴严重弯曲时,时域有明显的冲击振动,以一定的时间间隔出现,冲击持续了整个周期的1/3以上,这与单个断齿和集中型故障产生的冲击振动有明显区别,这是轴严重弯曲造成的齿轮啮合过程中连续多次冲击振动构成的一次大的冲击过程。当冲击能量很大时激励起箱体的固有频率,振幅很大。轴严重弯曲振动能量很大,为一种严重故障,产生箱体共振调制现象。轴严重弯曲时,形成以啮合频率及其倍频、齿轮固有频率、箱体固有频率为载波频率,以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象,如果弯曲轴上有多对齿轮啮合,则会出现多对啮合频率调制。谱图上边带数量较宽,轴向振动能量明显加大。
轴严重弯曲的主要特征为:
(1) 以齿轮啮合频率及其谐波、齿轮固有频率、箱体固有频率为载波频率,以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制,如果弯曲轴上有多对齿轮啮合,则会出现多对啮合频率调制,谱图上边带数量较宽,解调谱上出现所在轴的转频和多阶高次谐波;
(2) 如果弯曲轴上有多对齿轮啮合,则会出现多对啮合频率调制;
(3) 振动能量(包括有效值和峭度指标) 有较大程度的增加;
(4) 包络能量(包括有效值和峭度指标) 有大幅度的增加。
1. 7 轴向窜动
当轴上有两个同时参与啮合的斜齿轮时,有时会发生轴向窜动现象。此时,时域表现为频率与有故障轴上相啮合的两对齿轮中较大的啮合频率相等,一周内有正负各一次大的尖峰冲击振动,频域中啮合频率幅值明显增大。
轴向窜动的主要特征为:
(1) 一根轴上有方向相反的两个斜齿轮;
(2) 有故障轴上齿数多的齿轮啮合频率的幅值大幅度增加;
(3) 振动能量(包括有效值和峭度指标) 有较大程度的增加。
1. 8 轴有较严重的不平衡
轴有较严重的不平衡时,在齿轮传动中将导致齿形误差,形成以啮合频率及其倍频为载波频率,以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象,但一般谱图上边带数量少而稀。但在谱图中其有故障轴的转频成分明显加大。
轴有较严重的不平衡时的主要特征:
(1) 以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率,齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制,调制边频带数量少而稀,解调谱上一般只出现所在轴的转频;
(2) 有故障轴的转频成分有较大程度的增加;
(3) 振动能量(包括有效值和峭度指标) 有一定程度的增加;
(4) 包络能量(包括有效值和峭度指标) 有一定程度的增加。
1. 9 轴承疲劳剥落和点蚀
滚动轴承内外环及滚动体疲劳剥落和点蚀后,在其频谱中高频区外环固有频率附近出现明显的调制峰群,产生以外环固有频率为载波频率,以轴承通过频率为调制频率的固有频率调制现象。由于滚动轴承产生的振动在传动箱中与齿轮振动相比能量较小,解调谱中调制频率幅值较小,一般只出现1阶。

为了综合利用典型故障的特征,必须采用对加速度和速度进行两时域(原始时域信号和包络时域信号)特征值分析和三频域(频谱、细化谱、解调谱)分析的方法。由于振动信号的时域均方值反映了平均振动能量,时域峰值、峭度和峰值指标在一定程度上反映出振动信号是否含有冲击成分,而包络时域均方值可直接反映出振动信号包络大小,峰值、峭度和峰值指标则可直接反映出振动冲击信号的尖锐程度,所以在时域一般选用这四个特征值作为诊断参量。在齿轮箱故障诊断中频谱主要用于分析振动加速度信号中齿轮啮合频率和轴承内、外环固有频率等中高频成分;细化谱主要用于分析振动速度信号中各轴转频和轴承各组件通过频率等低频成分;解调谱主要用于分析振动加速度信号中各轴转频和轴承各组件通过频率等低频成分。