泰興減速機2019年6月12日訊  齒輪箱是用來改變轉速和傳遞動力的常用機械設備，由于齒輪箱本身工作環境惡劣，故容易受到損害和出現故障；而其中的零部件如齒輪、軸、軸承等加工工藝復雜，裝配精度要求高，又常常在高速度、重載荷下連續工作，故障率較高，是誘發機器故障的重要原因。因此對齒輪箱進行診斷是自故障診斷技術問世以來一直受到人們普遍重視的課題之一。同時，隨著預測技術的發展，對設備故障預測以及剩余壽命的預測也逐漸引起重視。

下圖分別為齒根部的應力集中與齒面點蝕示意圖。

目前，減速器故障診斷方法包括基于振動信號的故障診斷，基于油液分析的故障診斷等，基于振動信號的故障分析相對應用更為廣泛與成熟，振動診斷的實質是對采集的動態信號在三維圖上的時域、幅域和頻域進行分析和隨機數據處理，從而找出故障的原因和部位。

頻譜分析是對動態信號在頻率域內進行分析；分析的結果是以頻率為坐標的各種物理量的譜線和曲線，可得到各種幅值以頻率為變量的頻譜函數。

可達到目的：

1）求得動態信號中的各個頻率分布范圍；

2）求出動態信號各個頻率成分的幅值分布和能量分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值，為結構分析和設計提供依據；

3）通過對測試波形的分析，求得頻率成分和它們的幅值，來校正測試波形；

4）由頻譜分析所提供的頻率值、幅值、相位角和各種譜密度，為研究動力過程的傳遞和衰減機理，求得被測結構的傳遞函數、振型和結構動力反應的各種模態參數，為解決消振、幅振等問題提供條件。

振動時域波形是一條時間歷程的波動曲線。根據測量所用傳感器類型的不同，曲線的幅值可代表位移、速度或加速度。

示性指標（特征量）

1）振動幅值，包括峰值、有效值和平均值等，其中峰值又分為零峰值和峰—峰值；

2）振動周期與頻率，不同的故障源通常會產生不同頻率的機械振動；

3）相位；主要用于比較不同振動運動之間的關系，或確定一個部件相對于另一個部件的振動狀況。

時域分析是一種簡單又直接的方法。

故障的時域分析圖示例

機械振動的特征頻率不僅是識別故障類型的主要依據，也是識別故障部位的重要信息。

主要分析方法：

1）功率譜分析是現場診斷中應用較多的一種頻譜分析方法，在理論和使用上都比較成熟，對齒輪大面積磨損、點蝕等故障的診斷效果很好，而對局部故障敏感性較差；

2）細化譜分析可以提高頻率分辨率，常常作為功率譜輔助分析手段；

3）倒譜分析對識別齒輪故障的邊頻結構很有效，而且對于齒輪信號的傳遞路徑不敏感。

在振動信號分析中，小波變換屬于一種多分辨率的時頻分析方法。實際應用中常使用簡單方便的二進離散小波變換。從多分辨率分析的角度上看，小波分解相當于一個帶通濾波器和一個低通濾波器，每次分解總是把原信號分解成兩個子信號，分別稱為逼近信號和細節信號，每個部分還要經過一次隔點重采樣。如此分解N次即可得到第N層（尺度N上）的小波分解結果。

作為一種新的信號分析手段，在信號的特征提取方面具有傳統傅立葉分析無可比擬的優越性，這主要表現在小波分析同時具有較好的時域特性和頻域特性，能夠聚焦到信號的任何細節；小波分析時所加的窗是面積一定，長寬可以改變的，信號的正交性分解是無冗余的，不存在能量的泄漏，能適用于處理各種類型的信號，尤其對非平穩振動信號分析顯示了其卓越的性能，因此對于齒輪箱故障這樣的復雜信號，小波分析是比較合適的信號處理方法。

存在問題：

1）小波變換分析的結果不如傅立葉變換那樣直觀明了，需要分析人員具有一定的小波分析理論基礎進行判斷。不宜于使用計算機對結果進行自動分析和處理。

2）小波變換的核函數是不確定的。需要根據工程應用中的實際進行選擇。

典型故障：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、軸嚴重彎曲、軸向竄動、軸承疲勞剝落和點蝕

1）齒形誤差：振動能量和包絡能量有一定程度的增大。

齒形不好時的頻譜圖

2）齒輪嚙合頻率及其諧波的幅值明顯增大,階數越高,幅值增大的幅度越大;振動能量(包括有效值和峭度指標)有較大幅度的增加。

齒輪均勻磨損時的頻譜圖

3）箱體共振時,在譜圖上出現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，頻譜圖如下圖所示。

4）斷齒時域表現為幅值很大的沖擊型振動,頻率等于有斷齒軸的轉頻。而頻域上在嚙合頻率及其高次諧波附近出現間隔為斷齒軸轉頻的邊頻帶;邊頻帶一般數量多、幅值較大、分布較寬。

5）軸輕度彎曲時,在齒輪傳動中將導致齒形誤差,形成以嚙合頻率及其倍頻為載波頻率,以齒輪所在軸轉頻為調制頻率的嚙合頻率調制現象,如果彎曲軸上有多對齒輪嚙合,則會出現多對嚙合頻率調制。

6）軸嚴重彎曲時,時域有明顯的沖擊振動,以一定的時間間隔出現,沖擊持續了整個周期的1/3以上，當沖擊能量很大時激勵起箱體的固有頻率,振幅很大。

7）時域表現為頻率與有故障軸上相嚙合的兩對齒輪中較大的嚙合頻率相等,一周內有正負各一次大的尖峰沖擊振動,頻域中嚙合頻率幅值明顯增大。

8）軸有較嚴重的不平衡時,在齒輪傳動中將導致齒形誤差,形成以嚙合頻率及其倍頻為載波頻率,以齒輪所在軸轉頻為調制頻率的嚙合頻率調制現象,但一般譜圖上邊帶數量少而稀。但在譜圖中其有故障軸的轉頻成分明顯加大。

9）滾動軸承內外環及滾動體疲勞剝落和點蝕后,在其頻譜中高頻區外環固有頻率附近出現明顯的調制峰群,產生以外環固有頻率為載波頻率,以軸承通過頻率為調制頻率的固有頻率調制現象。

近年來,小波分析、模態分析、粗糙集理論、群體智能理論、生物免疫機理等理論方法在齒輪箱故障診斷中的應用,為齒輪箱等機械設備故障診斷技術的提高和完善開辟了廣闊的前景。但也應看到某些新理論在齒輪箱故障診斷中的應用,仍處于研究和摸索階段,還存在一定的不足。

隨著更多新技術、新方法的研究，故障診斷技術必將能夠到達一個更高的層次，為設備的安全高效運行提供更為有力的保障。