关键词:齿轮故障;振动特征;时域;频域;案例分析

齿轮传动的常见故障有齿断裂，齿磨损，齿面疲劳（点蚀、剥落）和齿轮安装不当。

由结构和工作时受力条件决定，齿轮传动的振动信号较为复杂，故障诊断需同时进行时域与频域分析。齿轮工作过程中的故障信号频率基本表现为两部分，一为啮合频率及其谐波（高频部分）构成的载波信号；二为低频成分的幅值和相位变化所构成的调制信号。

1.啮合频率及其谐波

当轮齿进人或脱离啮合时，载荷和刚度均突然增大或减小，形成啮合冲击。齿轮啮合频率为fm=f1•Zl=f2•Z2，当齿轮出现故障时，将引起啮合频率及其各次谐波幅值的变化。

2.幅值调制和频率调制所构成的边频带

(1）幅值调制。

幅值调制相当于两个信号在时域上相乘。假定载波信号为g(t)，调制信号为e(t)，则调制后的时域总信号为

X (t) =g (t) • e (t)

将上式转换到频域上，则为X(f)＝G(f) •E (f).通常幅度调制的调制频率为旋转频率。

(2）频率调制。

齿轮的转速波动，若载波信号为A sin (2пfmt+φ0），调制信号为βsin2пfmt，频率调制可表示为x (t) =A sin [2пfmt +βsin (2пf1t )＋φ0]。频率调制不仅产生围绕啮合频率fm的一族边频带，而且在相位信号中产生一个正弦波。通常频率调制的频率为分度不均匀齿轮的转频。实际上，齿轮故障中调幅与调频现象可能同时存在，因而在频谱上得到调幅与调频综合影响下形成的边频带。

3．由齿轮转频的低次谐波构成的附加脉冲

齿轮的低频故障（不平衡、不对中等）也会对齿轮振动时域波形产生影响，但不会在齿轮频率两侧产生边频带。

4．由齿轮加工误差形成的隐含成分。

该成分的振动通常由加工机床分度齿轮误差造成，它对齿轮的整体运行影响很小。

以下是一个齿轮故障的案例分析。

1．某采油平台原油外输泵（螺杆泵）传动齿轮局部断齿

(1)设备形式及参数。电机驱动直联双螺杆泵，螺杆之间以同步齿轮传动，齿轮齿数z=67;电机转速n=995r/min (16.57Hz) 。

(2)故障现象。泵的非驱动端（同步齿轮安装在此侧）振动速度值增加，图1、图2是时域波形及频谱图。

图3是图2的局部细化谱。

(3）振动特征及分析。在时域波形图中（图1)出现明显的冲击峰值，表明齿轮可能存在局部缺陷；频谱图（图2)中有齿轮啮合频率及二倍谐频，边频丰富，从图3可以看到，边频为转子工频，这说明啮合频率的振动幅值被转子工频冲击振动调制。

图1时域波形图