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摘要：齿轮箱作为连接和传递动力的通用部件，在现代工业设备中得到了广泛的应用。齿轮传动的特点决定了齿轮也是一个易于发生故障的部件，其运行状态对整机的工作性能有很大的影响。因此，齿轮箱的故障诊断技术一直都是人们研究的重要课题。
关键词：振动信号；齿轮箱；故障；诊断
1.前言
齿轮通常工作在高速、高负荷、高冲击的环境下，容易发生疲劳、裂纹和断齿等多种故障，并进一步诱发其他机械故障，从而导致巨大损失。为此，对齿轮箱工作状态进行监测、及时识别出齿轮箱发生的故障，具有重要的现实意义。
2.齿轮箱主要的故障信号特点
齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时都会产生振动。当正常工作时，齿轮箱的振动信号是平稳的，其主要成分是各轴的转频和齿轮的啮合频率。当任一部件发生故障时，其振动信号的幅值、频率都会发生相应的改变。
2.1齿轮箱振动信号时域特征分析
1）振动信号是稳态信号
与正常齿轮箱振动信号相比，这种信号的变化仅仅是幅值的变化，它所对应的故障主要是齿轮的均匀磨损，使得轮齿变薄、齿型误差变大，引发振动的能量变大。
2）振动信号是周期平稳信号
在这种信号中出现有规律的冲击或者是调制现象，它所对应的故障主要有齿轮的点蚀、疲劳剥落、齿型误差、安装误差，轴的弯曲、不平衡、不对中以及滚动轴承的剥落等情况。
3）振动信号是非周期性信号
在这种信号中出现了无规律的冲击或调制现象，它所对应的主要是齿轮或轴承的严重故障，比如齿轮的断齿、胶合，轴承的压痕、断裂等。
2.2齿轮箱振动信号频域特征分析
下面对这些振动信号常出现的频率特点、调制规律进行介绍，在设置采样频率以及进行数据分析时应引起注意。
1）振动信号中出现轴频及其高次谐波;
2）振动信号中出现齿轮的啮合频率及其高次谐波;
3）振动信号出现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边频带;
4）振动信号出现以齿轮固有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边频带;
5）振动信号出现以齿轮箱固有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边频带;
6）振动信号出现以外圈的各阶固有频率为载波频率，产生剥落元件的通过频率为调制频率。
3.齿轮传动装置故障基本形式及振动信号特征
对齿轮传动装置的零件失效情况的统计表明，齿轮和轴承的失效比重最大，分别为60%和19%。因此，就齿轮传动装置的故障诊断而言，其重点是研究齿轮和轴承的失效机理和诊断方法。准确地提取各种典型故障的特征是进行齿轮传动装置故障诊断的关键。根据提取的故障信号的特征，提出行之有效的诊断方法，这样就为齿轮传动装置智能诊断系统的研制打下良好的基础。
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3.1齿形误差
当齿轮发生齿形误差时，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。
3.2齿面均匀磨损
在齿轮齿面磨损失效中，当属于均匀磨损的性质时，一般不形成轮齿齿形的局部大改变，其箱体振动信号的特征也和齿形误差不同，表现为啮合频率及其高次谐波的幅值明显增大，但一般不产生明显的调制现象。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，振动能量有较大幅度的增加。
3.3箱体共振
齿轮传动装置箱体共振是一种严重的故障形式，一般是由于受到箱体以外的其它激励的影响，激发了箱体的固有频率，形成共振。外部激励一定是振动能量较大的激励源。
3.4轴的弯曲
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。
3.5断齿
断齿是齿轮失效的一种严重形式，也是常见的失效形式之一，其中多数断齿为疲劳断齿。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。
3.6轴不平衡
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。
4.齿轮箱振动信号时频分析新方法
在齿轮箱的振动信号为参量的运行状态监测和故障诊断中，一方面因设备变工况运行时转速不稳定、负荷变化以及因故障产生大量的冲击、摩擦等状况，导致非平稳信号的产生。上述基于平稳信号的信号处理方法则难以发挥作用。因此基于非平稳信号处理的方法应运而生。小波分析作为一种全新的信号分析手段，在信号的特征提取方面具有传统傅立叶分析无可比拟的优越性，这主要表现在小波分析同时具有较好的时域特性和频域特性，能够聚焦到信号的任何细节;小波分析时所加的窗是面积一定，长宽可以改变的，信号的正交性分解是无冗余的，不存在能量的泄漏，能适用于处理各种类型的信号，尤其对非平稳振动信号分析显示了其卓越的性能，因此对于齿轮箱故障这样的复杂信号，小波分析是比较合适的信号处理方法。
齿轮箱对冲击信号的响应是一种单边振荡衰减的波形，是局部化的。使用与冲击信号波形最匹配的基函数对信号进行分解、提取出隐含的故障特征是特征波形混合及分解思想的精髓，因此基函数必须满足单边衰减的性质，而Laplace小波就具有单边衰减的特性，通过Laplace小波原子在信号的整个时间历程上的平移，计算出每个小波原子与信号的内积，局部内积最大值即表示该时刻被测对象的模态参数与Laplace小波原子所对应的参数接近。从而实现被测对象的模态参数识别。
5.结束语
齿轮箱作为一种变速传动机构，是机械设备的重要结构部件，其运转状况直接影响到整个系统的正常运行。所以其故障诊断是机器故障诊断的一个重要组成部分。通过振动信号检测技术能够大大提高齿轮箱的故障检测效果。
参考文献
[1]易良榘.简易振动诊断现场实用技术[M].北京:机械工业出版社,2015
[2]姚志斌,沈玉娣.基于Hilbert解调技术的齿轮箱故障诊断[J].机械转动，2016,28（2）:37-39.
论文作者:袁帅
论文发表刊物:《基层建设》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/3
标签：齿轮箱论文; 频率论文; 齿轮论文; 信号论文; 故障论文; 谐波论文; 载波论文; 《基层建设》2017年第28期论文;