齒輪箱作為連接和傳遞動力的通用部件，在現代工業設備中得到了廣泛的應用。齒輪傳動的特點決定了齒輪也是一個易于發生故障的部件，其運行狀態對整機的工作性能有很大的影響。因此，齒輪箱的故障診斷技術一直都是人們研究的重要課題。

齒輪特有的嚙合傳動方式使得齒輪傳動有著明顯的缺點：相對于其他傳動方式而言，齒輪傳動的振動、噪聲更大；齒輪本身對制造工藝、材料的熱處理和裝配的要求高，稍有不慎就會成為導致機器故障的主要因素。齒輪多以齒輪箱的結構形式出現，隨著軸承等零部件的增多，這就又增加了故障診斷的難度。但由于各個組件結構參數等的不同，各個零部件所引起的振動信號的頻率、幅值是不同的。所以當某一部件出現故障時就會出現特定與其相對應的振動信號，通過對振動信號的分析就能得出齒輪箱的故障范圍和性質。

通過理論研究和實驗分析，對具有故障的齒輪箱振動信號進行時域分析和頻域分析，其中在頻域分析中除了傳統的頻譜分析外，還采用細化譜分析以及解調分析方法，并與正常狀態下的振動信號進行比較，從而提取該故障的特征，進而提出行之有效的診斷方法。

1 齒輪箱主要的故障信號特點

齒輪箱中的軸、齒輪和軸承在工作時都會產生振動。當正常工作時，齒輪箱的振動信號是平穩的，其主要成分是各軸的轉頻和齒輪的嚙合頻率。當任一部件發生故障時，其振動信號的幅值、頻率都會發生相應的改變。

1.1 齒輪箱振動信號時域特征分析

1）振動信號是穩態信號

與正常齒輪箱振動信號相比，這種信號的變化僅僅是幅值的變化，它所對應的故障主要是齒輪的均勻磨損，使得輪齒變薄、齒型誤差變大，引發振動的能量變大。

2）振動信號是周期平穩信號

在這種信號中出現有規律的沖擊或者是調制現象，它所對應的故障主要有齒輪的點蝕、疲勞剝落、齒型誤差、安裝誤差，軸的彎曲、不平衡、不對中以及滾動軸承的剝落等情況。

3）振動信號是非周期性信號

在這種信號中出現了無規律的沖擊或調制現象，它所對應的主要是齒輪或軸承的嚴重故障，比如齒輪的斷齒、膠合，軸承的壓痕、斷裂等。

1.2 齒輪箱振動信號頻域特征分析

下面對這些振動信號常出現的頻率特點、調制規律進行介紹，在設置采樣頻率以及進行數據分析時應引起注意。

1）振動信號中出現軸頻及其高次諧波；

2）振動信號中出現齒輪的嚙合頻率及其高次諧波；

3）振動信號出現以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的嚙合頻率邊頻帶；

4）振動信號出現以齒輪固有頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的邊頻帶；

5）振動信號出現以齒輪箱固有頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的邊頻帶；

6）振動信號出現以外圈的各階固有頻率為載波頻率，產生剝落元件的通過頻率為調制頻率。

2 齒輪箱的主要故障形式

作為一個整體，齒輪箱的故障形式是多種多樣的，但齒輪箱主要是由齒輪、軸承、軸和箱體等幾部分組成的，因此對齒輪箱工作狀態的監測識別可以分為對這些零部件的工作狀態的監測識別。由于各個組件結構參數等的不同，各個零部件所引起的振動信號的頻率、幅值是不同的。所以當某一部件出現故障時就會出現特定與其相對應的振動信號，通過對振動信號的分析就能得出齒輪箱的故障范圍和性質。下面就各個部件出現故障時的振動信號特征進行介紹。

2.1 齒輪的主要故障特征及頻率特點

1）齒形誤差

這種情形下振動信號出現以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在轉軸轉頻及其倍頻為調制頻率的嚙合頻率調制；一般的齒形誤差產生的調制邊頻帶窄，以一階邊頻調制為主，且邊頻帶的幅值較小；若齒形誤差較為嚴重，則會激起齒輪的固有頻率，出現以齒輪故有頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸的轉頻及其倍頻為調制頻率的齒輪共振頻率調制，振動能量（有效值和峭度）有一定程度的增大。其特征頻譜如圖1所示。

2）齒輪齒面均勻磨損

齒輪的嚙合頻率及其諧波的幅值明顯增大；如果為不均勻磨損，會產生以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率，但幅值小。特征頻譜如圖2所示。

3）斷齒

以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率，調制邊頻帶寬而高；以齒輪各階固有頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率，調制邊頻帶寬而高；振動能量有很大的增加。特征圖譜如圖3所示。

2.2 齒輪箱軸承的主要故障特征及頻率特點

軸承疲勞剝落和點蝕：在齒輪箱軸系中，一般滾動軸承內圈和軸多為緊密地過盈配合，即軸和內圈牢固的連為一體，要激起固有頻率需要很大的能量，且內圈固有頻率與自由狀態下測得或者計算的頻率完全不同。外圈和箱體軸承座也是過盈配合，但同內圈相比要松得多。且外圈在工作中一直受到滾動體對其較大的壓力，當軸承有故障并運行一段時間后，外圈與軸承座之間基本完全松動，外圈固有頻率與自由狀態下測得或者計算的頻率基本相同。由于外圈松動且質量輕，軸承元件出現故障時，振動能量通過滾動體傳到外圈上，激起外圈固有頻率。齒輪箱中軸承故障的載波頻率一般為外圈的各階固有頻率，調制頻率為產生剝落元件的通過頻率。如圖4所示。

由于軸承結構的特殊性，對于軸承故障產生的振動信號頻率還有一點應引起重視，以便正確地監測軸承的故障振動信號。軸承主要由外圈、滾動體、保持架和內圈組成，當轉軸旋轉時不同零件之間會產生沖擊力。以軸承外圈有故障缺陷為例，轉軸每轉一圈（內圈），一定數量的滾動體就會經過外圈上的缺陷點并沖擊此缺陷點，每轉一圈的沖擊次數就是該軸承的？外圈缺陷放大倍數#，它可能使得振動信號的頻率遠大于軸的轉頻，稱為外圈缺陷放大。如果軸承缺陷放大倍數為305，而機器的運轉速度為1000rpm，則故障頻率為3050cpm。這就意味著機器的故障導致每分鐘有3050次沖擊。有一點需要注意，軸承的缺陷放大不能精確地放大軸的轉速，因此滾動軸承總是產生非同步轉速。在上述的例子中，軸承的故障頻率為3050，而軸轉速的三次諧波頻率為3000，兩者非常相近，可能會更容易混淆和誤診。

表1是常見軸承的典型頻率范圍，一些軸承可能有更高的故障頻率，其決定性因素主要是滾動體的數量（它與軸承的負載等級有關）。

有了以上的認識，在進行齒輪箱的軸承故障診斷時就要有目的地提高采樣頻率，以防止丟失故障振動信號。

2.3 齒輪箱軸系的主要故障特征及頻率特點

1）軸不對中

這時的振動信號將以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率；調制頻率的2倍頻幅值最大；齒輪嚙合頻率及其諧波幅值增大；振動能量（有效值和峭度）有一定程度增大。特征頻譜見圖5。

2）軸輕度彎曲

振動信號將以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的嚙合頻率調制，但調制邊頻帶窄且稀；如果彎曲軸上有多對齒輪嚙合，則會出現多對齒輪嚙合調制；振動能量（有效值和峭度）一定程度增加，特別是軸向振動能量有較大增加。特征頻譜見圖6。

3）軸嚴重彎曲

振動信號將以齒輪嚙合頻率及其諧波、齒輪固有頻率、箱體固有頻率為載波頻率，此輪所在軸轉頻為調制頻率的嚙合頻率調制，但邊頻帶較寬，解調譜上出現軸的轉頻和多階高次諧波；如果彎曲軸上有多對齒輪嚙合，則會出現多對齒輪嚙合調制；振動能量（有效值和峭度）有一定程度增加，特別是軸向振動能量有較大增加，特征頻譜見圖7。

4）軸向竄動

有故障軸上齒數多的齒輪嚙合頻率的幅值大幅度增加，振動能量有較大增加。特征頻譜見圖8。

5）軸有嚴重的不平衡

振動信號將以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻頻率的嚙合頻率調制，但邊頻帶較少而稀，解調譜上出現軸的轉頻；有故障軸的轉頻成分有較大的增加；振動能量（有效值和峭度）有一定程度增加，特別是軸向振動能量有較大增加。特征頻譜見圖9。

2.4 齒輪箱體的主要故障特征及頻率特點

齒輪箱是一個封閉的環境，齒輪箱內零部件所產生的振動向外傳播的媒介。在某個零部件出現故障時箱體的振動極有可能摻雜其中，對信號分析與處理造成很大不便。

箱體共振：齒輪箱的一階固有振動頻率為主導地位，其他頻率成分很低；振動能量有很大的增加。如果是箱體共振調制，以箱體、齒輪固有頻率和齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪或軸所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率；齒輪嚙合頻率及其諧波幅值明顯增大；特征頻譜見圖10。

3 振動信號診斷方法

齒輪箱各個部件有其對應的故障特征，為了綜合利用這些典型的故障特征，對齒輪箱更加準確地進行故障診斷，就必須在時域和頻域對振動加速度和速度信號進行全面分析，盡可能多地提取有用信息。

時域主要是針對原始時域信號和包絡時域信號，一般選均方值、峰值、峭度和峰值指標作為診斷參量。振動信號的時域均方值反映了平均振動能量，而時域峰值、峭度和峰值指標在一定程度上能夠顯示振動信號是否含有沖擊成分。包絡時域均方值則直接反映振動信號包絡的大小，其峰值、峭度和峰值指標反映出振動沖擊信號的尖銳程度。

頻域主要從頻譜、細化譜和解調譜進行分析。

頻譜主要分析加速度信號中齒輪嚙合頻率和軸承內外圈固有頻率的中高成分；細化譜主要分析速度信號中軸的轉頻和軸承組件的通過頻率的低等成分，而解調譜則主要用于分析振動加速度信號中各軸和軸承各組件通過頻率的低頻成分。

除此之外，由于齒輪箱結構的復雜性，其振動的頻率成分很多，所以需要對齒輪箱的有關參數建立檔案。比如說各軸的轉頻，齒輪的嚙合頻率，軸承的運動學和動力學特征頻率，并對振動的速度和加速度設置報警參數。該檔案建立以后要根據實際故障情況不斷地完善，成為齒輪箱故障診斷的參考和依據。

結論

齒輪箱的故障形式是多種多樣的，故障主要集中在齒輪、軸承、軸和箱體等幾個主要部件上，各個部件均有其典型的故障特征與頻率特點。通過監測齒輪箱的振動速度和加速度信號，在兩時域（原始時域信號和包絡時域信號）以均方值、峰值、峭度和峰值指標作為診斷參量來檢測振動中的沖擊成分，然后在頻域利用頻譜、細化譜和解調譜分別對各個組件的振動頻率中的低頻、中頻、高頻成分進行分析，最后結合對齒輪箱建檔的措施，可以實現齒輪箱故障的自動診斷或智能診斷的目的。由于齒輪箱結構復雜，工作環境一般比較惡劣，并且干擾大、涉及問題較多，對齒輪箱典型故障的提取仍然存在一定的難度，還需要進一步研究。