齿轮故障分析方法

一、功率谱分析法

    功率谱分析可确定齿轮振动信号的频率构成和振动能量在各频率成分上的分布，是一种重要的频域分析方法。幅值谱也能进行类似的分析，但由于功率谱是幅值的平方关系，所以功率谱比幅值谱更能突出啮合频率及其谐波等线状谱成分而减少随机振动信号引起的一些“毛刺”现象。

如上图，其线性坐标效果要好得多

二、边频带分析法（1）

    边频带成分包含有丰富的齿轮故障信息，要提取边频带信息，在频谱分析时必须有足够高的频率分辨率。当边频带谱线的间隔小于频率分辨率时，或谱线间隔不均匀，都阻碍边频带的分析，必要时应对所感兴趣的频段进行频率细化分析（ZOOM分析），以准确测定边频带间隔。

    边频带分析法（2）

    一般从两方面进行边频带分析，一是利用边频带的频率对称性，找出（n=1,2,3 ...）的频率关系，确定是否为一组边频带。如果是边频带，则可知道啮合频率fz和调制信号频率fr.二者是比较各次测量中边频带幅值的变化趋势。

    根据边频带呈现的形式和间隔，有可能得到以下信息：

   1）、当边频间隔为旋转频率fr时，可能为齿轮偏心、齿距的缓慢的周期变化及载荷的周期波动等缺陷存在，齿轮没旋转一周，这些缺陷就重复作用一次，即这些缺陷的重复频率与该齿轮的旋转频率相一致。旋转频率fr指示出问题齿轮所在轴。

   2）、齿轮的点蚀等分布故障会在频谱上形成类似1的边频带，但其边频阶数少而集中在啮合频率及其谐频的两侧

   3）、齿轮的剥落、齿根裂纹及部分断齿等局部故障会产生特有的瞬态调制，在啮合频率其及谐频两侧产生一系列边带。其特点边带阶数多而谱线分散，由于高阶边频的互相叠加而使边频族形状各异。

   备注：由于边频带成分具有不稳定性，在实际工作环境中，边频族错综复杂，但边频的总体水平是随着故障的出现而上升的。

三、倒频谱分析法

    对于同时有数对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图，由于每对齿轮啮合时都将产生边频带，几个边频带交叉分布在一起，仅进行频率细化分析识别边频特征是不够的；由于倒频谱将功率谱中的谐波族变换为倒频谱，其位置代表功率谱中相应谐波族的频率间隔时间。

     倒频谱的另一个主要优点是对于传感器的测点位置或信号传输途径不敏感，以及对于幅值和频率调制的相位关系不敏感，这种不敏感反而有利于监测故障信号的有无，而不看重某测点振幅的大小。

四、齿轮故障信号的频域特征

  A 均匀性磨损、齿轮径向间隔过大、不适当的齿轮游隙以及齿轮负荷过大等原因，将增加啮合频率和它的谐波成分幅值，对边频的影响很小。齿轮磨损的特征是，频谱上啮合频率及其谐波幅值都会上升，而高阶谐波的幅值增加较多，如图：

    B 不均匀的分布故障（例如齿轮偏心、齿距周期性变化及载荷波动等）将产生幅值调制和频率调制，从而在啮合频率及其谐波两侧形成幅值较高的边频带，边带的间隔频率是齿轮转速频率，该间隔频率是与有缺陷的齿轮相对应的。值得注意的是，对于齿轮偏心所产生的边带，一般出现的是下边带成分，上边带出现很少。

    C 齿面剥落、裂纹以及齿的断裂等局部性故障，将产生周期性冲击脉冲，啮合频率为脉冲频率所调制，在啮合频率及其谐波两侧形成一系列边带，其特点是边带的阶数多而分散；而点蚀等分布性故障形成的边带，在啮合频率及其谐波两侧分布的边带阶数少而集中，这些边带随着故障的发展，其频谱图形也将发生变化。

    D 齿的断裂或裂纹，每当轮齿进入啮合时就产生一个冲击信号，这种冲击可激起齿轮系统的一阶或几阶自振频率。但是，齿轮固有频率一般都为高频（约在1~10KHZ范围内），这种高频成分传递到齿轮箱时已被大幅度衰减，多数情况下只能在齿轮箱上测到啮合频率和调制的边频。

    E 轴承故障的影响，仅有齿啮合频率的振幅迅速升高，而边频的分布和幅值并无变化，甚至边频没有发育，则表明是轴承故障。