引言

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。

齿轮特有的啮合传动方式使得齿轮传动有着明显的缺点：相对于其他传动方式而言，齿轮传动的振动、噪声更大；齿轮本身对制造工艺、材料的热处理和装配的要求高，稍有不慎就会成为导致机器故障的主要因素。齿轮多以齿轮箱的结构形式出现，随着轴承等零部件的增多，这就又增加了故障诊断的难度。但由于各个组件结构参数等的不同，各个零部件所引起的振动信号的频率、幅值是不同的。所以当某一部件出现故障时就会出现特定与其相对应的振动信号，通过对振动信号的分析就能得出齿轮箱的故障范围和性质。

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，其中在频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，进而提出行之有效的诊断方法。

1 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。

1.1 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。

1.2 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。

2 齿轮箱的主要故障形式

作为一个整体，齿轮箱的故障形式是多种多样的，但齿轮箱主要是由齿轮、轴承、轴和箱体等几部分组成的，因此对齿轮箱工作状态的监测识别可以分为对这些零部件的工作状态的监测识别。由于各个组件结构参数等的不同，各个零部件所引起的振动信号的频率、幅值是不同的。所以当某一部件出现故障时就会出现特定与其相对应的振动信号，通过对振动信号的分析就能得出齿轮箱的故障范围和性质。下面就各个部件出现故障时的振动信号特征进行介绍。

2.1 齿轮的主要故障特征及频率特点

1）齿形误差

这种情形下振动信号出现以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在转轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制；一般的齿形误差产生的调制边频带窄，以一阶边频调制为主，且边频带的幅值较小；若齿形误差较为严重，则会激起齿轮的固有频率，出现以齿轮故有频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴的转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制，振动能量（有效值和峭度）有一定程度的增大。其特征频谱如图1所示。

2）齿轮齿面均匀磨损

齿轮的啮合频率及其谐波的幅值明显增大；如果为不均匀磨损，会产生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，但幅值小。特征频谱如图2所示。

3）断齿

以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率，调制边频带宽而高；以齿轮各阶固有频率及其谐波为载波频率，故障齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率，调制边频带宽而高；振动能量有很大的增加。特征图谱如图3所示。