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0 引言
据统计，在齿轮箱失效零件中，齿轮本身的失效比重最大约占60％，可见齿轮传动是诱发机器故障的重要部位。因此，进行齿轮箱故障诊断研究有着重要的意义。 齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时会产生振动，若发生故障，其振动信号的能量分布就会发生变化，振动信号是齿轮箱故障特征的载体。在齿轮箱典型故障机理研究和特征提取方面，由于齿轮箱的结构复杂，工作环境一般比较恶劣，各种干扰较大，涉及问题较多，国内外学者虽然取得了一定的成绩，但对于齿轮和轴的故障机理研究仍然不够深入，需要进一步的完善和研究。 通过理论研究和实验分析，对具有故障的齿轮箱振动信号进行时域分析和频域分析，其中在领域分析中除了传统的频谱分析外，还采用细化谱分析以及解调分析方法，并与正常状态下的振动信号进行比较，从而提取该故障的特征。根据其故障信号的特征，提出行之有效的诊断方法。 1 典型故障特征 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。 图1为某水磨机减速器齿形不好时的频谱图、解调谱图该齿轮副啮合频率为281．75I-Iz，转频为12．35I-Iz，从解凋谱图上可以看出，一阶转频很大，而其倍频幅值较小或没有出现。 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。 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。图2为某水泥磨机减速机齿轮均匀磨损频谱图，均匀磨损后出现了啮合频率(5250Hz)及其2倍频(1035Hz)、3倍频(156．3Hz)、4倍频(20898Hz)、5倍频(256．84)，根据测试的结果来看，各阶谐波幅值明显增高，高阶增大的幅度大。(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。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。图3为某水泥磨机发生箱体共振时的频谱图。从图中可以看出，磨机大齿轮啮合频率52．50Hz(箱体固有频率在52．50Hz附近)振动能量很大，该机停机后进行测试后发现该频率成份由该车间的另一台同种号的水泥磨机通过地基传过来引起减速机壳共振幅值仍较大。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l0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。图4为某变速箱中间轴常啮合齿轮断齿时振动加速度时域信号、频谱、细化谱及解调谱，在断齿齿轮1阶啮合频率468．7Hz附近出现明显的有上述特点的边频带，解调谱出现调制频率为中间轴的转频11．o7}k及高次谐波。由于断齿产生的瞬态冲击能量大，时常激励起齿轮固有频率，产生固有频率调制现象，图4(d)上出现了一组以1082Hz为中心频率(自由态下断齿齿轮某阶固有频率为1069Hz)，以中间轴转频1107Hz为调制频率的边频带。在另一次变速箱中间轴常啮合齿轮断齿时也发现了上述现象。(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。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。图5为一台车床v轴发生了300tan左右的2阶轴弯曲时的振动速度频谱、细化谱和解调谱，谱图上出现了以19／76齿的Ⅳ轴与v轴啮合频率262.8Hz的2倍频526．6Hz为中心频率，以v轴转频3.45HZ为调制频率的边频带。(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台，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.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I／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。图6为一台C523立式车床传动箱Iv轴严重弯曲时振动加速度的时域波形、解调谱，图6(b)中出现了Ⅳ轴转频3．47Hz及其倍频的调制频率。(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Hj现所在轴的转频和多阶高次谐波；(2)如果弯曲轴E有多对齿轮啮合，则会出现多对啮台频率调制；(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t包括有效值和峭度指标)有大幅度的增加。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。图7变速箱疲劳寿命试验中一次中间轴后轴承在轴上装配不到位，轴承锁紧螺母没拧紧，松动．中间轴发生轴向窜动时振动加速度时域信号和频谱，由于中间轴上常啮合轮与2、3、4档齿轮旋向相反，齿轮从一对齿啮合过渡到另一对齿啮合过程中轴向合力大小方向变化一个周期，轴窜动一个周期，一次往复运动中两次换向时产生冲击，如图7(a)为一正一负两个冲击，其频率成分与窜动轴上较大啮合频率469．97一致，啮合频率幅值增大(如图7(b))轴向窜动的主要特征为：(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额为载波频率．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。但在谱图中其有放障轴的转频成分明显加大。图8为一台新制造的精密车床在出厂前检验发现输出轴发生有较严重不平衡时的振动加速度和速度频谱、细化谱和解调谱，谱图上出现了以39／44齿的啮台频率1198．85Hz为中心频率．以输出轴和与其啮台的轴的转频30．59Hz和2539Hz为调制频率的边频带，并且转频成分的幅值相当大，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渡为载波频率．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；(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。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。图9为E0—140变速箱中间轴后轴承(型号50308)内圈滚道有1／2圈严重疲劳剥落，另半圈有一处大的剥落坑时振动加速度频谱和滤波后解调谱一在2000—3000Hz范围内2258．3Hz频率附近出现了含有34．79Hz和23．8o成分的调制峰群，而实测自由态下外环一阶固有频率为2246o9，计算所得外环及滚动体通过频率分别为3447Hz和23O6}{z。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(如图9(b))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。齿轮箱因结构的复杂性，其振动的频率成分很多，故一定要在建立档案的基础上来判断是否存在故障，并在此基础上进行故障诊断建档分为如下几个方面：(1)机器特征和参数特征：主要是建立各轴的转频、齿轮啮合频率、滚动轴承运动学和动力学特征频率，设置振动速度和加速度的报警系数，为建档和诊断建立相关参数表。(2)在线或离线建档：在诊断前必须建立被诊断齿轮箱各测点的振动速度的时域信号和包络时域信号特征值的档案值，振动加速度的中高频频域档案，振动速度的低频档案，并建立相应的频谱界限档案，这些值和界限档案是诊断的基础。齿轮箱故障诊断应用的信号处理方法有时域分析和频域分析两个方面。时域分析常用统计值有均值、均方值、方差、均方根值、均方幅值、峭度和峰值指标等。频域分析包括频谱分析、细化谱分析和解调谱分析。本文利用振动理论和试验研究分析了齿轮箱中九种常见的典型故障的振动特征，并提出采用在建档基础上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)分析的方法进行齿轮箱自动诊断或智能诊断的策略。由于齿轮箱的结构复杂，工作环境一般比较恶劣，各种干扰较大，涉及问题较多，齿轮箱典型故障的提取是一项难度较大的工作，还需要进一步研究。
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