齒輪箱振動診斷
齒輪故障比較複雜，通常是先利用常規的時域分析、頻譜方法對齒輪故障做出診斷，這種診斷結果有時就是精密診斷結果，有時還需要利用其它特徵進一步對故障進行甄別和確認，
一、正常齒輪的時域特徵與頻域特徵
沒有缺陷的正常齒輪，其振動主要是由於齒輪自身的剛度等引起的。
(1)時域特徵
(2)正常齒輪由於剛度的影響，其波形為週期性的衰減波形。其低頻信號具有近似正弦波的嚙合波形，如圖1所示。
(3)(2)頻域特徵
(4)正常齒輪的信號反映在功率上，有嚙合頻率及其諧波分量，即有nfc（n＝1,2,…），且以嚙合頻率成分為主，其高次諧波依次減小；同時，
圖1 正常齒輪的低頻振動波形
圖2 正常齒輪的頻波
二、故障情況下振動信號的時域特徵與頻域特徵
1.均勻磨損
齒輪均勻磨損是指由於齒輪的材料、潤滑等方面的原因或者長期在高負荷下工作造成大部分齒面磨損。
(1)時域特徵
齒輪發生均勻磨損時，導致齒側間隙增大，通常會使其正弦波式的嚙合波形遭到破壞，
圖3 磨損齒輪的高頻振動(a)和低頻振動(b)
(2)頻域特徵
齒面均勻磨損時，嚙合頻率及其諧波分量nfc（n＝1，2，…）在頻譜圖上的位置保持不變，但其幅值大小發生改變，而且高次諧波幅值相對增大較多。分析時，
隨著磨損的加劇，還有可能產生1/k（k=2，3 ，4 ，…）的分數諧波，有時在升降還會出現如圖5所示的呈非線性振動的跳躍現象。
2.齒輪偏心
齒輪偏心是指齒輪的中心與旋轉軸的中心不重合，這種故障往往是由於加工造成的。
(1)時域特徵
當一對互相嚙合的齒輪中有一個齒輪存在偏心時，
圖4 均勻磨損時的頻譜
圖5 振幅跳躍現象
圖6 偏心齒輪的振動時域波形
(2)頻域特徵
齒輪存在偏心時，其頻譜結構將在兩個方面有所反映：一是以齒輪的旋轉頻率為特徵的附加脈衝幅值增大；二是以齒輪一轉為週期的載荷波動，從而導致調幅現象，這時的調製頻率為齒輪的回轉頻率，
圖7 齒輪偏心的頻譜
3.齒輪不同軸
齒輪不同軸故障是指由於齒輪和軸裝配不當造成的齒輪和軸不同軸。不同軸故障會使齒輪產生局部接觸，導致部分輪齒承受較大的負荷。
(1)時域特徵
當齒輪出現不同軸或不對中時，其振動的時域信號具有明顯的調幅現象。如圖8所示為其低頻振動信號呈現明顯的調幅現象。
圖8 不同軸齒輪波形
圖9 不同軸齒輪的頻譜
(2)頻域特徵
具有不同軸故障的齒輪，由於其振幅調製作用，會在頻譜上產生以各階嚙合頻率nfc(n＝1，2,…）為中心，以故障齒輪的旋轉頻率fr為間隔的一階邊頻族，即nfc士fr（n＝1，2,…）。同時，故障齒輪的旋轉特徵頻率mfr（m＝1，2,…）在頻譜上有一定反映。圖9為典型的具有不同軸故障齒輪的特徵頻譜。
4．齒輪局部異常
齒輪的局部異常包括齒根部有較大裂紋、局部齒面磨損、輪齒折斷、局部齒形誤差等，圖10表示了幾種常見的異常情況。
局部異常齒輪的振動波形是典型的以齒輪旋轉頻率為週期的衝擊脈衝，如圖11所示。
圖10 齒輪的局部異常
1-齒根部有裂紋；2-局部齒面磨損；3-局部齒形誤差；4-斷齒
圖11 局部異常齒輪的振動波形
具有局部異常故障的齒輪，由於裂紋、斷齒或齒形誤差的影響，將以旋轉頻率為主要頻域特徵，即mfr（m＝1，2,…），如圖12所示。
圖12 局部異常的齒輪頻譜
5.齒距誤差
齒距誤差是指一個齒輪的各個齒距不相等，存在有誤差。齒距誤差是由齒形誤差造成的。幾乎所有的齒輪都有微小的齒距誤差。
(1)時域特徵
具有齒距誤差的齒輪，其振動波形理論上應具有調頻特性，但由於齒距誤差一般在整個齒輪上以諧波形式分佈，故在低頻下也可以觀察到明顯的調幅特徵，如圖13所示。
圖13 有齒距誤差齒輪的振動波形
(2)頻域特徵
有齒距誤差的齒輪，由於齒距的誤差影響到齒輪旋轉角度的變化，在頻率域表現為包含旋轉頻率的各次諧波mfr（m=1，2，…）、各階嚙合頻率nfc(n=1，2，…)以及以故障輪的旋轉頻率為間隔的邊頻nfc士mfr（n，m＝1，2,…）等，圖14表示具有齒距誤差的齒輪的頻譜特徵。
圖14 有齒距誤差齒輪的頻譜
6.不平衡齒輪的時域特徵與頻域特徵
齒輪的不平衡是指齒輪的質心和回轉中心不重合，從而導致齒輪副的不穩定運行和振動。
(1)時域特徵
具有不平衡品質的齒輪在不平衡力的激勵下會產生以調幅為主、調頻為輔的振動，其振動波形如圖15所示。
圖15 不平衡齒輪的振動波形
(2)頻域特徵
由於齒輪自身的不平衡產生的振動，將在嚙合頻率fc及其諧波兩側產生mfc±nfr( m，n＝1,2, 3,…)的邊頻族；同時，受不平衡力的激勵，齒輪軸的旋轉頻率及其諧波nfr的能量也有相應的增加，如圖16所示。
圖16 不平衡齒輪的頻譜
三、常見齒輪故障的振動時域波形、頻譜特徵對照
表1-1是幾種常見齒輪故障的振動時域波形、頻譜特徵的對照。
四、齒輪箱常見故障診斷
實際工程中是沒有孤立的齒輪副，所有的齒輪副都需要安裝到齒輪箱中或安裝到特定的支架上，還需要配以軸承或軸瓦。因此，對齒輪的故障診斷實際上是對齒輪箱的故障診斷。
對齒輪箱的故障診斷綜合了對轉子（參考旋轉機械部分）、滾動軸承和齒輪故障診斷內容，在此給出一個簡表供參考。齒輪箱各不同部件故障的振動特徵如表1-2所示。
表1-1 常見齒輪故障的振動時域波形及頻譜特徵的對照
表1-2 齒輪箱故障的振動特徵簡表
圖8 不同軸齒輪波形
圖9 不同軸齒輪的頻譜
(2)頻域特徵
具有不同軸故障的齒輪，由於其振幅調製作用，會在頻譜上產生以各階嚙合頻率nfc(n＝1，2,…）為中心，以故障齒輪的旋轉頻率fr為間隔的一階邊頻族，即nfc士fr（n＝1，2,…）。同時，故障齒輪的旋轉特徵頻率mfr（m＝1，2,…）在頻譜上有一定反映。圖9為典型的具有不同軸故障齒輪的特徵頻譜。
4．齒輪局部異常
齒輪的局部異常包括齒根部有較大裂紋、局部齒面磨損、輪齒折斷、局部齒形誤差等，圖10表示了幾種常見的異常情況。
局部異常齒輪的振動波形是典型的以齒輪旋轉頻率為週期的衝擊脈衝，如圖11所示。
圖10 齒輪的局部異常
1-齒根部有裂紋；2-局部齒面磨損；3-局部齒形誤差；4-斷齒
圖11 局部異常齒輪的振動波形
具有局部異常故障的齒輪，由於裂紋、斷齒或齒形誤差的影響，將以旋轉頻率為主要頻域特徵，即mfr（m＝1，2,…），如圖12所示。
圖12 局部異常的齒輪頻譜
5.齒距誤差
齒距誤差是指一個齒輪的各個齒距不相等，存在有誤差。齒距誤差是由齒形誤差造成的。幾乎所有的齒輪都有微小的齒距誤差。
(1)時域特徵
具有齒距誤差的齒輪，其振動波形理論上應具有調頻特性，但由於齒距誤差一般在整個齒輪上以諧波形式分佈，故在低頻下也可以觀察到明顯的調幅特徵，如圖13所示。
圖13 有齒距誤差齒輪的振動波形
(2)頻域特徵
有齒距誤差的齒輪，由於齒距的誤差影響到齒輪旋轉角度的變化，在頻率域表現為包含旋轉頻率的各次諧波mfr（m=1，2，…）、各階嚙合頻率nfc(n=1，2，…)以及以故障輪的旋轉頻率為間隔的邊頻nfc士mfr（n，m＝1，2,…）等，圖14表示具有齒距誤差的齒輪的頻譜特徵。
圖14 有齒距誤差齒輪的頻譜
6.不平衡齒輪的時域特徵與頻域特徵
齒輪的不平衡是指齒輪的質心和回轉中心不重合，從而導致齒輪副的不穩定運行和振動。
(1)時域特徵
具有不平衡品質的齒輪在不平衡力的激勵下會產生以調幅為主、調頻為輔的振動，其振動波形如圖15所示。
圖15 不平衡齒輪的振動波形
(2)頻域特徵
由於齒輪自身的不平衡產生的振動，將在嚙合頻率fc及其諧波兩側產生mfc±nfr( m，n＝1,2, 3,…)的邊頻族；同時，受不平衡力的激勵，齒輪軸的旋轉頻率及其諧波nfr的能量也有相應的增加，如圖16所示。
圖16 不平衡齒輪的頻譜
三、常見齒輪故障的振動時域波形、頻譜特徵對照
表1-1是幾種常見齒輪故障的振動時域波形、頻譜特徵的對照。
四、齒輪箱常見故障診斷
實際工程中是沒有孤立的齒輪副，所有的齒輪副都需要安裝到齒輪箱中或安裝到特定的支架上，還需要配以軸承或軸瓦。因此，對齒輪的故障診斷實際上是對齒輪箱的故障診斷。
對齒輪箱的故障診斷綜合了對轉子（參考旋轉機械部分）、滾動軸承和齒輪故障診斷內容，在此給出一個簡表供參考。齒輪箱各不同部件故障的振動特徵如表1-2所示。
表1-1 常見齒輪故障的振動時域波形及頻譜特徵的對照
表1-2 齒輪箱故障的振動特徵簡表