齿轮振动信号特点
发布时间：2020-8-7 9:57:32 来源： 作者：
从齿轮的运动方程可知，正常传动时齿轮啮合刚度的周期性变化会引起齿轮振动。振动频率与转速、齿数和重合系数有关。由于齿形误差的随机激励，可能引起齿轮弹性系统的共振，当齿轮出现故障时，振动往往加剧，并会产生一些新的频率成分，这些称为齿轮的特征频率。
齿轮在运转过程中会存在齿轮的啮合频率及其倍频。当齿轮有缺陷时，啮合振动频率及其倍频成分会格外的突出，因此监测啮合频率对于齿轮故障诊断很重要。齿轮在运转过程中，还存在齿轮及轴的转动频率及其倍频。在诊断啮合齿轮中单个轮齿的故障时，该齿轮的转频及其倍频成分就成为特征频率。若齿轮有一齿断裂，每转一圈，轮齿猛烈冲击一次，展开为傅里叶级数，其频率结构为轴转动频率及其倍频。对于行星齿轮箱，当行星轮上出现单点局部故障时，行星齿轮每转一周，它将分别与太阳轮、内齿圈各啮合一次，因此，其频率结构将是转频的两倍及其谐频，而对于太阳轮、内齿圈，当存在单点故障时，因为存在三个行星轮与其啮合的缘故，其频率结构将是它们相对与行星架转频的三倍及其谐频。
齿轮的周期性冲击衰减振动，主要由齿轮的局部损伤故障如齿面剥落、拉伤等引起，在齿轮转一圈时才会撞击一次。此衰减振动的频率等于齿轮的自由振动频率。
在齿轮箱的振动频谱中，常见到啮合频率或其谐频附近存在一些等间距的频率成分，这些频率成分称为“边频带”。边频带反映了振动信号的调制特征。信号的调制效应是由载波和调制信号共同作用的结果。在一对齿轮啮合的过程中，其啮合频率及其各次谐波可以看作一个高频振荡，即把它看作载波，而那些在每周呈现出一次或二次的振动信号，如齿轮偏心、齿面点蚀、剥落等故障引起的振动信号可视作渐变信号，即调制信号。两种信号同时出现时，就会产生调制效应。
从数学的观点上看，调制效应是两个函数(信号)的相乘。设一对齿轮的啮合信号为Xm(t)，故障信号为xc（t），总的时域信号：
而在频域中则表现为两函数的卷积，即
对具有调制效应的信号，在进行故障诊断时，通常观察信号频域的边频带，边频的增多在某种程度上预示了故障的发生，而边频的距离往往反映故障的来源和特征。调制可分为幅值调制、频率调制等调制形式。
幅值调制是由于产生啮合频率的主要激励如节线冲击、啮合冲击等忽大忽小而造成的。比较典型的例子是齿轮偏心使两齿轮的中心距随转速周期变化，从而节线冲击或啮合冲击的强弱也随之发生周期变化。振幅调制简称调幅。齿轮齿距的周期性变化、载荷的波动、局部及均匀分布的故障都会产生振幅调制效应。当齿轮发生局部故障时，齿轮每转一周就会产生一个脉冲激励，齿轮的啮合频率被一个短的周期脉冲调制，在频谱中表现为在啮合频率两侧伴有大量的边频带，其幅值较低，分布均匀平坦。均布故障是一种分布比较均匀的缺陷，相当于时域包络线较宽的脉冲，它在频域中表现为在啮合频率两边产生了一簇幅值较高、起伏较大、分布较窄的边频带，如图1所示。
齿轮载荷不均匀、齿距不均匀及故障造成的载荷波动，除了对振动幅值产生影响外，同时也必然产生扭矩波动，使齿轮转速产生波动。这种波动表现在振动上即为频率调制(也可以认为是相位调制)。对于齿轮传动，任何导致产生幅值调制的因素同时也会导致频率调制，两种调制总是同时存在的。对于质量较小的齿轮副，频率调制现象尤为突出。频率调制的原因主要是由于齿轮啮合刚度函数受齿轮加工误差和故障的影响而产生了相位变化，这种相位变化会由于齿轮的旋转而具有周期性。因此在齿轮信号频率调制现象中，载波函数和调制函数均为一般的周期函数，均包含基频及其各阶倍频成分。即使在载波信号和调制信号均为单一频率成分的情况下，频率调制也会形成很多边频成分。调制信号为单一频率成分时所形成边频成分如图2所示。当调制信号较复杂，为多个频率成分的组合时，会形成无穷多的更密集的边频成分。
实际的齿轮振动信号往往幅值调制与频率调制同时存在，当二者的边频间距相等，且对于同一频率的边带谱线的相位也相同时，二者的幅值增加；相位相反时，二者的幅值相减。这就破坏了边频带原有的对称性，所以齿轮振动频谱中啮合频率或其高阶谐频附近的边频带分布一般是不对称的。在齿轮的振动信号中，相位调制具有和频率调制相同的效果。频率调制或相位调制两者不严格加以区分。事实上，所有的相位调制也可以看作频率调制，反之亦然。
齿轮振动信号中除了存在啮合频率、转频、边频成分外，还存在有其它振动
成分，为了有效地识别齿轮故障，需要对这些成分加以识别和区分。
(1) 隐含成分
一对新齿轮传动时，在其振动频谱上会出现某一频率的基频及其低次谐频成分，称其为隐含成分。实际上它是加工过程中滚齿机给齿轮带来的周期性缺陷。隐含成分对应于滚齿机工作台分度涡轮的啮合频率，即这种周期性缺陷来源于分度涡轮、涡杆及滚齿机传动链的误差。隐含成分有两个特点：不受载荷变化的影响；当齿轮运转一段时间，齿轮均匀磨损后，啮合频率的各次谐波的振动分量逐渐加大，而隐含成分及其各次谐波成分却逐渐下降。因此隐含成分的各阶谐频的下降往往显示了该齿轮齿廓磨损的信息。
(2) 附加脉冲
齿轮调制后所产生的信号大体上都对称于零电平。但由于附加脉冲的影响，实际上测到的信号不一定对称于零线。附加脉冲是直接叠加在齿轮的常规振动上，而不是以调制的形式出现，在时域上比较容易区分，如图3所示。在频域上，附加脉冲和调制效应也很容易区分。调制在频谱上产生一系列边频成分，这些边频以啮合频率及其谐频为中心，而附加脉冲是齿轮旋转频率的低次谐波。
产生附加脉冲的主要原因有齿轮动平衡不良、对中不良和机械松动等。附加脉冲不一定与齿轮本身缺陷直接有关，其影响一般不会超出低频段，即在啮合频率以下。齿轮的严重局部故障，如严重剥落、断齿等也会产生附加脉冲。此时在低频段上表现为齿轮旋转频率及其谐频成分的增加。
(3) 轴承振动。
由于测量齿轮箱振动时测点位置通常都选在轴承座上，测得的信号中必然会包含有轴承振动的成分。正常轴承的振动水平明显低于齿轮振动，一般要小一个数量级，所以在齿轮振动频率范围内，轴承振动的频率成分很不明显。滑动轴承的振动信号往往在低频段，而滚动轴承特征频率范围比齿轮要宽，所以，滚动轴承的诊断不宜在齿轮振动范围内进行，而应在高频段或采用其它方法进行。当滚动轴承出现严重故障时，在齿轮振动频段内可能会出现较为明显的特征频率成分。这些成分有时单独出现，有时表现为与齿轮振动成分交叉调制，出现和频与差频成分，和频与差频会随其基本成分的改变而改变。
综上分析，齿轮振动信号中成分众多，关系复杂，但总是以啮合频率和转频为核心。