本科生毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：基于振动信号的齿轮故障诊断方法研究
学院：信息科学与技术学院专业：通信工程班级：通信0801
学生：XXX 指导教师（含职称）：XXX（副教授）专业负责人：XXX
1．设计（论文）的主要任务及目标
(1)查阅齿轮振动信号特征提取相关资料，写出文献综述，开题报告等。
(2)运用所掌握的振动信号提取方法，运用matlab仿真齿轮的原始故障信号。2．设计（论文）的基本要求和内容
(1)查阅资料，了解该领域的历史，现况，发展及问题，写出文献综述。
(2)掌握齿轮故障信号的小波分析，时频域分析，EMD分析，完成中期检查。
(3)运用matlab进行信号处理仿真，并写出毕业论文。
(4)在完成上述工作的基础上，准备毕业论文答辩。
摘要
随着科学技术的不断发展，机械设备向着高性能、高自动化、高效率和高可靠性的方向发展。齿轮箱因为具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，因此齿轮箱是用于改变转速和传递动力的最常用的传动部件，是机械设备的一个重要组成部分，也是最容易发生故障的一个部件。而在机械设备中，齿轮的使用频率很高，因此齿轮的故障诊断技术对机器的使用质量和使用寿命都起了非常重要的作用。本文从时域、频域，时频域和经验模式分解进行了齿轮故障诊断的方法研究。时域分析主要应用时域特征参数分析方法进行故障特征参数的提取，频域分析主要通过快速傅里叶变化，从频谱图上进行齿轮正常状态和故障状态振动信号的对比分析。时频域分析主要是通过一维三层离散小波变换，把原始信号细化为三层，每层又分为高频信号和低频信号。经验模式分解主要是在齿轮故障振动信号中的实际应用，对采集到齿轮四种状态下的振动信号通过EMD分解，提取了故障信号的特征信息，为识别故障类型提供了有效的分析手段。故障信息特征提取是齿轮故障诊断中最关键、最重要的问题之一，它直接关系到齿轮故障诊断的准确性和早期故障预报的可靠性。
关键词：齿轮；故障诊断；小波变换；经验模式分解
ABSTRACT
With the continuous development of science and technology,machinery and equipment are toward the direction of the development of the high-performance, high automation, high efficiency and high reliability . Gear box has the advantages of the transmission ratio fixed, the drive torque, compact gear box is the most commonly used to change the speed and transmission of power transmission components. It is an important component of the machinery and equipment, but is also a part of the most prone to failure. And of the machinery and equipment, the gear is a high frequency of use , so the gear fault diagnosis technology have played a very important role for the use of the quality and service life of the machine. The article is from time domain, frequency domain, time-frequency domain, the empirical mode decomposition to study the gear fault diagnosis. Time-domain analysis of the main application domain characteristic parameters of analytical methods for fault feature parameter extraction, frequency domain analysis of fast Fourier transform, the gear normal state and fault state comparative analysis of the vibration signal from the spectrogram. Time-frequency analysis is one-dimensional three-layer discrete wavelet transform, the original signal is subdivided into three layers, each layer is divided into high-frequency signals and low-frequency signals. Empirical mode decomposition is the practical application of fault vibration signals of gearbox fault signal feature information extracted by EMD, the collected vibration signals in gear four states provide an effective analytical tools to identify the type of fault. Fault information feature extraction is the most critical in gearbox fault diagnosis, one of the most important issues, is directly related to gearbox fault diagnosis accuracy and reliability of early fault prediction.
Keywords：Gear，Fault Diagnosis，Wavelet Transform，Empirical Mode Decomposition
目录
前言 (1)
第1章绪论 (2)
第1.1节齿轮故障诊断的简介及意义 (2)
1.1.1齿轮故障诊断一般步骤 (2)
1.1.2齿轮故障诊断的方法 (2)
1.1.3齿轮故障诊断的意义 (3)
第1.2节国内外研究现状及趋势 (4)
第1.3节本文研究的主要内容 (6)
第1.4节本章小结 (6)
第2章齿轮故障诊断基础 (7)
第2.1节齿轮故障常见形式 (7)
2.1.1齿面磨损 (7)
2.1.2齿面胶合和擦伤 (7)
2.1.3齿面接触疲劳（点蚀、削落） (8)
2.1.4弯曲疲劳和断齿 (8)
第2.2节齿轮常见故障征兆 (8)
2.2.1设备在外观方面的故障征兆 (8)
2.2.2齿轮在性能方面的故障征兆 (9)
第2.3节齿轮振动信号的特征分析 (9)
2.3.1齿轮轴的转动频率及其各次谐波 (9)
2.3.2齿轮的啮合频率 (10)
2.3.3由调制效应而产生的边频带 (11)
2.3.4齿轮振动的特征频率 (12)
2.3.5几种特殊状态齿轮的频域特征 (13)
第2.4节齿轮故障诊断试验台及齿轮振动信号简介 (14)
第2.5节MATLAB简介及在故障诊断中的应用 (15)
第2.6节本章小结 (17)
第3章齿轮故障诊断时域方法分析 (18)
第3.1节时域分析的基本理论 (18)
3.1.1时频域分析 (18)
第3.2节小波变换 (19)
3.2.1连续小波变换 (20)
3.2.2离散小波变换 (21)
第3.3节一维离散小波MATLAB中实现方法 (23)
第3.4节基于一维离散小波对齿轮故障诊断的研究 (23)
第3.5节频域分析在齿轮故障诊断中的应用 (26)
3.5.1MATLAB中的FFT变换 (27)
3.5.2频谱分析 (27)
第3.6节本章结论 (30)
第4章基于EMD的齿轮故障诊断 (31)
第4.1节基于EMD（经验模式分解）的振动信号特征提取 (31)
4.1.1 EMD的研究背景 (31)
4.1.2经验模式分解(EMD)方法原理 (31)
4.1.3基于EMD的振动信号特征提取分析 (33)
第4.2节基于EMD对齿轮故障诊断的研究 (37)
第4.3节针对仿真出来的波形进行分析 (43)
第4.4节本章小结 (43)
第5章结论 (44)
第5.1节本文结论...................................................... 错误！未定义书签。参考文献. (45)
致谢 (47)
前言
机械设备中大部分是旋转机械，覆盖着动力、电动、化工、冶金、机械制造等重要工程领域，是工厂的关键设备，起工况状态不仅影响机器设备本身的运行，而且还会对后续生产造成损失，严重会对国民经济造成巨大损失或机毁人亡的后果。而齿轮传动是旋转机械中应用最为普遍的机械结构。齿轮传动多以齿轮箱的结构出现，它是目前广泛采用的主要传动形式之一。虽然齿轮从设计、结构、材料到制造等方面已相当成熟和规范。但仍然难以避免诸如磨损、剥落、点蚀、裂纹等常发生的故障。研究表明，齿轮箱80％的故障由齿轮引发的；而90％的齿轮故障都是局部故障，例如裂纹、崩齿等。特别对于大型机械设备对齿轮故障进行检测和诊断更是重要，因此研究齿轮故障诊断意义重大。
齿轮装置在运行中与其运行状态有关的征兆由温度、噪声、振动、润滑油中磨损物的含量及形态、齿轮传动轴的扭转振动和扭矩、齿轮齿根应力分布等构成。基于这些因素产生了多种故障诊断技术，如(1)振动信号检测与诊断方法。目前大多数的齿轮故障诊断技术均以振动信号为研究对象，从时域、频域、时频联合域不同的角度对其分析和解释。(2)模态分析与参数识别法。(3)磨屑残余物测定法。其主要包括铁谱法、磁塞法、光谱法等。(4)声学法。此方法易受背景噪声的影响，使得分析结果与实际情况出入较大。(5)温度监测法。对压痕、裂纹等典型故障无检测能力。而目前效果最好并最广泛应用的是通过振动信号的检测和诊断在时频域进行分析的方法。
第1章绪论
第1.1节齿轮故障诊断的简介及意义
1.1.1齿轮故障诊断一般步骤
齿轮工作时产生的振动是反应齿轮传动质量的重要指标，齿轮系统的振动不但会产生噪声和导致传动系统的不稳定，而且会使传动系统失效而产生严重的后果。实践证明采用振动监测对齿轮进行在线故障诊断是一种行之有效的方法[1]。齿轮故障诊断过程一般分为三个步骤：一是诊断信息的提取，二是故障特征提取，三是状态识别和故障诊断。其中故障特征的提取是诊断过程中的关键[2]。
1.1.2齿轮故障诊断的方法
对于确保运转的机器安全工作有效地方法是工况监视和故障诊断，但是二者是不等同概念，却又统一于动态系统中。工况监视的任务是判断动态系统是否偏离正常功能和监视器发展趋势，预防突发性故障产生。一旦偏离正常功能，应迅速做出调整，使工况恢复正常。如果系统某个环节存在故障，就要进一步查明故障原因及位置，这就是诊断。因此，工况监视是故障诊断的基础[3]。而信号分析是工况监视和故障诊断中最重要的方法。它的目的是找出原始信号简单而有效的转变，这样在信号中包含的一些重要信息就可以被发现。然后，那些信号中的突显的特征可以被提取出来，应该用于故障诊断中[4]。
齿轮诊断方法中，振动信号的分析方法应用最广泛，技术也较成熟，成为齿轮故障诊断的主要技术。振动信号的分析方法中时域分析、频域分析、包络分析、频率波动分析、共振解调分析等均有较好的效果[5]。
根据振动和噪声为信息载体，齿轮的精密诊断可进行如下分类见图1·1，在这些诊断方法中，目前应用较多仍是时域分析、频域分析、倒频域分析等[6]。
图1·1齿轮精密诊断分类1.1.3齿轮故障诊断的意义
齿轮作为机械设备中一种必不可少的连接和传递动力的通用零部件，在金属切削机床、航空、电力系统、农业机械、运输机械、冶金机械等现代工业设备中得到了广泛的应用。在今天科学技术飞速发展的时代，机械装备向着大型化、高效率、自动化和高性能的方向发展。齿轮箱由于具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，是用于改变转速和传递动力的最常用的传动部件，是机械设备的一个重要组成部分，也是故障易于发生的一个部件，其运行状态对整机的工作性能有很大的影响。
齿轮失效又是诱发机器故障的重要因素。据统计，传动机械中80％的故障是由齿轮引起的，旋转机械中齿轮故障占其故障的10％左右。齿轮故障将直接影响设备的安全可靠运行，会降低生产效率和加工精度。随着设备的逐渐大型化、自动化、连续化、高速化和复杂化，齿轮的故障和失效给整个生产和社会造成的损失越来越大。一些处于连贯工作状态的设备，由于齿轮的意外故障造成的停机停产的损失很难估计。因此采用先进技术对齿轮进行状态监测与故障诊断，可实现齿轮由事后维修、定期维修到事前维修的根本转变，减少一些不必要的经济损失，进而创造出更大的经济效益和社会效益。
齿轮精密诊断法
（振动噪声）
第1.2节国内外研究现状及趋势
振动信号分析被广泛应用于旋转机械的工况监视和故障诊断中。发展了大量的方法，像功率谱、平均时间域、适应噪音删除、解调制分析、时间序列分析等。传统的故障诊断技术已经被证明在机械故障学中非常有用的。然而，在某些应用方面仍有困难，如对存在裂纹的齿轮齿面系统和往复式动力机汽缸表面的检测[8]。由于齿轮裂纹故障产生的冲击使振动信号产生瞬变，因此，这些待处理的信号是非稳态信号。但是，现在大部分广泛应用的信号处理技术都是基于稳态信号假设的前提条件下，对处理非稳态信号，新型诊断技术被提出。如：时间频率分布、小波分析和更高的次序统计[15]。Z.K.Peng等认为快速傅里叶变换（FFT）是众多用于故障诊断的信号分析方法中最广泛使用的方法之一，但是像传统的信号分析方法一样，快速傅里叶变化适用于稳态信号的分析，而对于非稳态信号，如振动信号，FFT不适用。由于机械的故障信号可能包含在非稳态信号中，所以非稳态信号的分析至关重要。对非稳态信号分析中，常用的有Wigner-Ville分布法（WVD）和短时傅里叶变换（STFT）。对于WVD，即使信号的支持区不相互重叠，对时频平面有干扰，这样会误导信号分析。基于WVD的缺点又提出了Choi-Willams分布法（CWD）和锥形分布法（CSD）等。而对于STFT缺点在于，对于所有频率STFT都提供不变的分辨率，由此得到的时频分析窗口具有固定的大小，而对于非平稳信号，需要时频窗口具有可调的性质，即要求在高频部分具有较好的时间分辨率特性，而在低频部分具有较好的频率分辨率特性。基于短时傅里叶变换的缺点，小波变换和连续小波变化被提出并被应用于故障诊断的各个阶段[16]。小波变换不同于其他非稳态信号的分析方法，是因为它的窗宽可以随频率的增高而缩小，它发展了加窗傅里叶变换的局部思想，并满足高频信息分辨率较高的要求。目前，一般认为离散小波分析、多分辨率分析、连续小波分析及后来发展的小波包分析等都是小波理论的不同方面，是在小波理论发展的过程中不断繁衍产生的，这些方面都在故障诊断的应用中得到了体现[7]。H.Zheng，Z.Li和X.Chen基于连续小波变换提出了平均时间小波倒频谱的新概念，在这概念的基础上建立起两种故障诊断的新方法：频谱比较法（SCM）和特征能量法（FEM）。通过实验证实了基于使用Morlet小波的连续小波变换的TAWS可以有效地显示齿轮故障改进[8]。李辉等人在通过分析齿轮箱升降过程齿轮齿根裂纹的非稳态振动信号表明，基于角域平均和连续小波变换的振动信号处理技术，能充分消除角域采样信号中的噪音干扰，提高信号的信噪比，是周期性
故障分量的故障特征更加突出[9]。Fernando H. Magnago 和Ali Abur通过使用小波变换来分析功率系统瞬态故障来检测故障位置。行波理论用来捕捉监测线上故障点和继电器之间的瞬态行程时间。小波变换可以给故障瞬态的高频元素提供时间分辨率。用传送线的行波理论，把瞬态信号分解为模数元素。通过使用小波变换把模信号从时域转换到时频域，在两种最低范围内的小波变换系数用于各种故障的故障地位[10]。
G.Dalpiaz，A.Rivola和R.Rubini提出在齿轮振动频率中最重要的元素是轮齿啮合频率、齿轮的谐频和由调制现象产生的边频。边频在数量和振幅上的增加能反映故障状态。考虑到一些齿轮副和其他机器元素的振动是全部机器振动的一部分，基于试验结果，对其他振动分析技术的应用，如倒频谱、时间同步平均及相关技术、时频分布技术、稳态分析、信号模仿技术、高分辨率频谱分析技术和高级统计方法等的比较，发现对于残余部分振动信号的频谱相关密度（SCD）方法和小波变换（WT）方法对齿轮裂纹诊断非常有效的技术。Jamal Moshtagh和R.K.Aggarwal通过使用小波变换技术提出基于EMTP软件的分析功率分布系统瞬变信号的新方法，因为有更好的时间和频率的定位特点，这种方法比起FFT和STFT都有明显优势。之后又基于人工神经网络（ANN）精确故障定位技术的发展，发现基于结合WT和ANN的技术在故障诊断的研究中是非常有效地。TW可以相当有效地从DS瞬变信号中提取重要的时频特征，而ANN方法能够在故障分类和故障定位中提供非常高精度[11]。
而目前的齿轮故障诊断研究主要集中在振动信号处理与分析、故障机理研究、典型故障特征提取、诊断方法研究和人工智能诊断的应用，主要体现在以下两个方面：(1) 机理研究：故障机理研究是为了将故障隐患消除在设计阶段。一般从机械动力学出发，研究故障的原因和现象。齿轮故障的原因主要有制造误差、装配不良、超载、操作失误等方面，在齿轮箱的部件实效中齿轮所占的比重约为60%，所以在齿轮箱的故障诊断中主要是齿轮诊断。
(2) 信号处理技术：振动信号的处理和分析方法也在突飞猛进，早期信号提取主要借助于傅里叶变换，但是计算量很大，直到FFT出现以后，经典信号分析方法才得到迅猛发展。然而傅里叶变换存在频率成分的分辨率不高、频谱图有畸变、随机起伏不光滑等缺陷。而现在小波分析是正在迅速发展的一种新分析方法，具有良好的时频局部化特性和特别的去噪能力，因此在故障诊断中得到了广泛的应用并取得了一定的成果。基于经验模式分解的典型信号处理方法的也在逐步被广泛应用，尤其在信号特征提取方面有广泛的应用。
第1.3节本文研究的主要内容
本文以齿轮故障诊断试验台产生的齿轮振动信号为研究对象，依据齿轮故障诊断的相关理论与分析方法，从振动信号中获取信息，经过分析和处理提取故障特征信息。本文从时域分析，频域分析，时频分析、经验模式分解等方面都进行了相关分析，重点是通过MZTLAB软件用小波变换和EMD对齿轮故障进行诊断分析。
第二章介绍了本文中四种齿轮振动信号的来源，并对信号分析及处理中借助的MATLAB软件进行简介。
第三章介绍了时频分析方法的应用，重点使用一维三层离散小波对信号进行处理。
第四章介绍经验模式分解的原理以及基于经验模式分解的齿轮故障信号特征提取，主要从高频、中频、低频上进行EMD分解，进而实现齿轮故障诊断分析。
第五章结论。
第1.4节本章小结
在齿轮的振动信号为参量的运行状态监测和故障诊断中，因设备变工况运行时转速不稳定、负荷变化以及因故障产生大量的冲击、摩擦等状况，导致非平稳信号的产生。因此基于非平稳信号处理的方法应运而生。小波分析作为一种全新的信号分析手段，在信号的特征提取方面具有传统傅立叶分析无可比拟的优越性，因此对于齿轮故障这样的复杂信号，小波分析是比较合适的信号处理方法。而EMD方法是一种自适应的信号分解方法，能把复杂的信号分解为有限的基本模式分量(IMF)之和，每一个IMF 分量可以是幅度或频率调制的。因此，可以有效地提取齿轮故障振动信号中的故障信息。
第2章齿轮故障诊断基础
齿轮传动是应用最广泛的一种机械传动方式，齿轮传动的主要优点是传动功率和速度的范围很广，传动比精确、可靠，传动效率较高，工作可靠，寿命长，结构紧凑。因此在众多机械设备中都采用了齿轮传动的方式，小到玩具汽车，大到轮船、飞机，甚至一些与国民经济息息相关的大型机械装置。长时间使用的齿轮必然会失效。由于齿轮传动的环境不同失效的形式也是不尽相同的，但无论是哪种失效形式都会对机械装置产生影响，小到机械振动加剧，大到机毁人亡的惨剧。所以，对齿轮故障的诊断显得尤为重要。所谓防患于未然，在悲剧发生前，诊断出齿轮或齿轮箱的故障，从而停止或更换失效齿轮，避免事故产生。
第2.1节齿轮故障常见形式
通常齿轮投入使用后，要是操作维护不善或者制造不良的话，就会致使齿轮失去正常功能而失效。常见的齿轮失效形式有：齿轮磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、弯曲疲劳和断齿。
2.1.1齿面磨损
齿轮在啮合过程中，往往会在齿轮接触表面上出现材料摩擦损伤的现象，要是损伤量不影响齿轮在预期寿命内应具备的功能的磨损，成为正常磨损。要是齿轮使用不当，或者在接触面间存在硬质颗粒，及润滑油供应不足或者清洁不到位，就会引起齿轮的早期磨损，有细小的颗粒分散出来，致使接触表面发生尺寸变化，重量损失，并使齿形改变，齿厚变薄，噪声增大等严重磨损，并使齿轮失效。磨损失效形式有磨粒磨损、腐蚀磨损和齿轮断面冲击磨损。
2.1.2齿面胶合和擦伤
齿轮两啮合齿面的金属发生胶合磨损是在一定压力下直接接触的，焊合后有相对运动，金属从齿面撕落，或从一个齿面向另一个齿面转移而引起损伤的现象，这是一种比较严重的损伤形态。它通过接触面局部发生粘合，导致接触面上有小颗粒被拉拽
出来，这样反复进行多次运动而使齿面发生破坏。齿面胶合和擦伤一般发生在重载或高速的齿轮传动中，主要是由于润滑条件不适合而导致齿面间的油膜破裂。
2.1.3齿面接触疲劳（点蚀、削落）
齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，也有相对滑动。这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的作用力，在作用力下会产生微观的疲劳裂纹。润滑油进入裂纹后，在啮合过程中将裂纹封闭和挤压，润滑油在高压下促使疲劳裂纹蔓延和扩展，就将齿表面的金属微粒剥落，会形成许多麻点（凹坑），这种破坏方式就是“点蚀”。如果表面的疲劳裂纹扩展得较深、较远，将许许多多麻点连接起来，造成大块金属脱落，这种现象就成为“剥落”。剥落和点蚀形成的机理相同，无本质区别，只是程度不同而已。
2.1.4弯曲疲劳和断齿
对于齿轮的弯曲疲劳，诊断的重点在裂纹扩展期。齿轮弯曲疲劳断口的特征有明显的三个区域：裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和最终瞬断区。齿轮承受载荷，如同悬梁臂，其根部受到脉动循环的弯曲应力作用，当这种周期性的应力过高时，就会在根部产生裂纹，并逐步扩展。当剩余部分无法承担外载荷时，就会发生断齿。在齿轮工作中，由于严重的冲击和过载接触线上的过分的偏载以及材质不匀都会引起断齿。常见的断齿形式有整个齿轮沿轮跟的弯曲疲劳断裂、齿轮局部断裂和齿轮出现裂纹等。
第2.2节齿轮常见故障征兆
2.2.1设备在外观方面的故障征兆
（1）异常响声、异常振动
设备在运转过程中出现的非正常声响，是设备故障的“报警器”。设备运转过程中振动剧烈。
（2）泡冒滴漏
设备的润滑油、齿轮油、动力转向系油液、制动液等出现渗漏。压缩空气等出现渗漏现象有时是可以明显地听到漏气的声音。
（3）有特殊气味
电动机过热、润滑油窜缸燃烧时，会发散出一种特殊的气味。电路短路、搭铁导线等绝缘材料烧毁时会有焦糊味。
2.2.2齿轮在性能方面的故障征兆
（1）功能异常
指设备的工作状况出现的不正常现象。例如：设备启动困难、启动慢、不能正常启动、突然自动停机、功率不足、速率降低、生产效率降低等。这种故障的征兆比较明显，容易察觉。
（2）过热高温
一种原因是冷却系统有问题，是缺冷却液或冷却泵不工作。如果是齿轮、轴承等部位过热，多半是因为缺润滑油所导致。油、水温度过高或过低，设备过热现象有时可以通过仪表板、警示灯反应出来，但是有时还需要进行温度点检才能检查出来。（3）润滑油出现异常
润滑油变质较正常时间较快，可能与温度过高等有关系。润滑油中金属颗粒较多，一般与轴承等摩擦有关，可能需要更换轴承等磨损件。
（4）电学效应：电阻、导电性、绝缘强度和电位等变化。
第2.3节齿轮振动信号的特征分析
齿轮振动信号的获取，是通过安装在齿轮箱上的传感器采集。得到的是离散信号，通过对离散信号的分析，找出齿轮故障特征，从而对齿轮故障进行诊断。这包括时域和频域的分析及故障特征提取。
2.3.1齿轮轴的转动频率及其各次谐波
齿轮—轴系统的不平衡引起的离心惯性力，使齿轮一轴系统产生强迫振动，当转
动频率接近齿轮—轴系统横向振动的固有频率时，将产生临界转速现象，转轴大幅度的变形，又会恶化齿轮的啮合关系，造成更大的振动。在对于齿轮出现断裂时，每转一圈中轮齿猛烈冲击一次，展开为傅立叶级数，其频率结构为转动频率及其谐波。
齿轮及轴的转动频率错误！未找到引用源。为[12]：
(2·1)
式中，错误！未找到引用源。为齿轮及轴的转速（r/min ）。
齿轮—轴转频的各次谐频为转动频率错误！未找到引用源。的整数倍，如2错误！未找到引用源。、3错误！未找到引用源。…。
2.3.2齿轮的啮合频率
一对啮合齿轮，可以看作是一个具有质量、弹簧和阻尼的振动系统，其振动方程为：
错误！未找到引用源。 (2·2)
式中错误！未找到引用源。为沿作用在线齿轮的相对位移，错误！未找到引用源。为齿轮的啮合刚度，错误！未找到引用源。为齿轮副的等效品质，错误！未找到引用源。为齿轮受载后的平均静弹性变形，错误！未找到引用源。为齿轮的误差和异常造成的两个齿轮间的相对位移(亦称故障函数)。
由式(2·2)可见，齿轮在无异常的理想情况下亦存在振动，且其振源来自两部分：
(1)第一部分为错误！未找到引用源。，它与齿轮的误差和故障无关，称为常规啮合振动。
(2)第二部分为错误！未找到引用源。，它取决于齿轮的啮合刚度错误！未找到引用源。和故障函数错误！未找到引用源。，由这一部分可以比较好地解释齿轮信号中边频的存在以及它们和故障的关系。
啮合刚度错误！未找到引用源。为周期性的变量，可以说齿轮的振动主要是由错误！未找到引用源。的这种周期变化引起的。由于齿轮的啮合刚度错误！未找到引用源。是随参与啮合的齿数，即啮合系数而变化的，这样在齿轮的振动信号中就必然包含了啮合频率及其高次谐波成分。
若齿轮副主动轮转速错误！未找到引用源。，齿数为错误！未找到引用源。，从动轮相应为错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，则齿轮啮合刚度的变化频率(啮合频率)：
错误！未找到引用源。 (2·3)
60z n f =
...12()()()()r M X C X K t X K t E K t E t ++=+1122
m Z Z f Z f Z f =?=?
错误！未找到引用源。分别是连个齿轮的转频。
齿轮啮合频率的各次谐频为啮合频率的整数倍，如2错误！未找到引用源。、
3错误！未找到引用源。…。
无论齿轮处于正常还是故障状态下，啮合频率振动成分及其谐波总是存在的，但两种状态下的振动水平是有差异的。
2.3.3由调制效应而产生的边频带
齿轮存在形位、几何误差或出现故障时，会对齿轮啮合振动产生调制作用，使得齿轮振动信号以调制波的形式表现出来。从频域上看，调制的结果是使齿轮的啮合频率及其谐频周围出现边频带成分。调制可以分为两种形式：幅值调制和频率调制[13]。
（1）幅值调制
调幅就是载频时域信号的幅值受到调制信号的调制，它一般是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响所造成的。幅值调制的典型原因通常有两个：
①齿轮偏心，使齿轮啮合时一边紧一边松，从而产生载荷波动，使振幅按此规律周期性变化。
②齿轮的加工误差(例如节距不均)及齿轮故障使齿轮在啮合过程中产生短暂的“加载”和“卸除”效应。
参加幅值调制的两个信号，其频率较高的一个通常称为载波，较低的一个则被称为调制波。对于齿轮信号来讲，啮合频率成分通常是载波成分，而齿轮轴的旋转频率成分通常就是调制波成分。
一对正常齿轮的振动信号为：
(2·4)错误！未找到引用源。
式中：错误！未找到引用源。为振幅；
错误！未找到引用源。为啮合频率；
错误！未找到引用源。为相位角；
因为齿轮偏心等引起的故障信号为： (2·5)
式中：错误！未找到引用源。为调制因子；
错误！未找到引用源。为调制信号的频率； 则错误！未找到引用源。被()g t 错误！未找到引用源。调制后，振动波形为：
00()sin(2)
m m x t A f π?=+1()1cos2Z g t A f t π=+
(2·6) 由式(2·6)可以得到，当齿轮啮合振动信号被单一频率的正弦信号调制后，时域上信
号振幅大小按调制规律变化；在频域上被调制信号谱线两侧产生了边频成分，边带的间隔为调制频率。
（2）频率调制
由于齿轮载荷不均匀、齿距不均匀以及故障造成的载荷波动，会使扭矩产生波动，从而引起齿轮转速产生波动，这种波动表现在振动上即为频率调制。
载波信号：
00()sin(2)m x t A f π?=+ (2·
7) 调制信号：
()sin 2z g t f t βπ= (2·
8) 频率调制后的信号错误！未找到引用源。为：
0()sin[2sin 2]m z x t A f t f t πβπ?=++ (2·
9) 式中：错误！未找到引用源。为振幅；
错误！未找到引用源。为载波频率（啮合频率）；
错误！未找到引用源。为调制频率（齿轮-轴的转动频率）；
错误！未找到引用源。为调制指数；
错误！未找到引用源。为初位角；
在实际运行的齿轮系统中，调频效应和调幅效应总是同时存在的。齿轮载荷的变化会产生调幅效应，与此同时载荷的瞬时变化也会引起齿轮角速度的跳动，从而产生频率调制[14]。
2.3.4齿轮振动的特征频率[15]
（1）齿轮-轴的转动频率错误！未找到引用源。及其谐频错误！未找到引用源。 (错误！未找到引用源。2，3，4…)。
00101001()()()
sin(2)(1cos 2)sin(2)(
)sin{2()}2()sin{2()}2m m Z m m Z m m Z m m x t x t g t A f A f t A A A f f f A A f f π?ππ?π?π?=?=+?+=+++++-+
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谐频。
（2）齿轮的啮合频率错误！未找到引用源。及其谐频错误！未找到引用源。(错误！未找到引用源。2，3，4…)。
齿轮的啮合频率振动的特点：
①啮合频率随转速的变化而变化；
②振动信号展开为傅里叶级数后，一般存在啮合频率及其谐频；
③当啮合频率或其高阶谐频接近或等于齿轮的某阶固有频率时，齿轮产生强烈振动；
由于齿轮的固有频率一般较高，这种强烈振动振幅较小，易淹没在噪声中。（3）隐含成分。
它是齿轮振动信号功率谱上的一种频率分量，从表面上看很像啮合频率分量其谱线往往在啮合频率附近，实际上它是加工过程中滚齿机给齿轮带来的周期性缺陷。
隐含成分存在如下特点：
①隐含成分由周期性缺陷引起，所以振动频谱中应存在其高阶频率；
②隐含成分由一定的几何误差引起，工作载荷对其影响很小。
（4）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错误！未找到引用源。。
2.3.5几种特殊状态齿轮的频域特征
（1）正常齿轮的频域特征
正常齿轮的信号反映在功率谱上，有啮合频率及其谐波分量，即有错误！未找到引用源。也有错误！未找到引用源。，且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小。同时，在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波。
（2）齿轮偏心时的频谱特征
齿轮偏心是指齿轮的中心与旋转轴的中心不重合。这种故障往往是由于加工造成的。齿轮有偏心时，将在两个方面有所反应：一是由于齿轮的几何偏心所引起的，以齿轮的旋转频率为特征的附加脉冲幅值增大；二是齿轮偏心会引起以齿轮一转为周期
的载荷波动，从而导致调幅现象，这时的调制频率为齿轮的回转频率，只是它所调制的啮合频率要小得多。偏心严重时，产生连续多次冲击，当冲击足够大时激励箱体的固有频率，振幅很大。
（3）局部异常齿轮的频率特征
齿轮局部异常含义很广，包括齿根部有较大裂纹，局部齿面磨损，轮齿折断，局部齿形误差等。具有局部异常的齿轮，由于裂纹，折断或齿形误差的影响，将以旋转频率为主要的频率特征，即错误！未找到引用源。(错误！未找到引用源。)。对于局部断齿，断齿的时域表现为幅值很大的冲击振动，而频域上在啮合频率及其高次谐波附近会出现间隔为断齿轴转频的边频带；边频带一般数量多、幅值较大、分布较宽。断齿的主要特征为：(1)以齿轮的啮合频率及其高次谐频为载波频率，齿轮所在轴的转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制。(2)以齿轮的固有频率为载波频率，齿轮所在轴的转频及其倍频为调制的齿轮共振频率调制[13,16]。
第2.4节齿轮故障诊断试验台及齿轮振动信号简介
正常及故障齿轮振动信号数据的获取是通过一个试验台，如图2·1所示。在这个试验台上既可以做齿轮故障振动信号的获取试验，同时也可以做转动轴承的故障振动信号获取试验。
振动信号的获取是通过外部传感器来实现的。传感器安装在齿轮箱体外，当齿轮旋转时会产生振动，这个振动通过轴、轴承等连接件传递到齿轮箱体上，所以通过检测齿轮箱体的振动，来获取齿轮的振动信号。
齿轮故障诊断试验参数：
压力角：错误！未找到引用源。
模数：错误！未找到引用源。
小齿轮齿数：错误！未找到引用源。
大齿轮齿数：错误！未找到引用源。
主动轮转速：错误！未找到引用源。
齿宽：错误！未找到引用源。
偏心量：错误！未找到引用源。
从动轮加载：错误！未找到引用源。
采样频率：错误！未找到引用源。
图2·1齿轮故障诊断试验台
通过试验获取了四组齿轮不同状态的振动信号，分别是正常振动信号、大偏心故障、小偏心振动信号、局部损坏振动信号，见表2·1所示。使用MATLAB软件，显示每种齿轮振动信号的原始波形，如图2·2。
表2.1 试验获取齿轮状态类型
第2.5节MATLAB简介及在故障诊断中的应用MATLAB是由美国的Mathworks公司推出的一个科技应用软件。MATLAB语言
第1章齿轮箱失效比重及失效形式 齿轮箱在机械设备中扮演着非常重要的角色，通常情况下，原动机输出的转矩和转速不能直接用于执行元件执行操作，需要进行转矩放大和降低转速，通常使用的传动设备有齿轮减速箱、带传动、链传动等，由于齿轮箱传动瞬时传动比恒定、传动效率高、工作可靠、使用寿命长、结构紧凑、适用范围从1W到数万KW等优点，所以齿轮箱传动是机械传动系统中运用最广泛的一种传动形式。 1.1 齿轮箱失效原因及比重 机械设备中的齿轮箱从装配投入使用开始，除了设备维护以外，齿轮箱都需要保持一个稳定的运行状态，长期的高负荷运转使齿轮箱的故障率非常大，在机械设备中，造成齿轮箱故障的原因及失效比重如下表所示： 由此可见，齿轮箱失效主要的原因是维护和操作不当，相邻的零件故障也会造成齿轮箱的故障，设计不合理也是严重影响齿轮箱使用的重要因素，为保障机械设备在运行中稳定可靠，除了合理设计齿轮箱外，正确选择相邻零件、合理操作维护是保障稳定运行的重要手段。当出现故障时，能够准确找出故障是对齿轮箱维护的重要前提，因此，掌握齿轮箱故障诊断技术非常重要。 1.2 齿轮箱失效零件及失效比重 在齿轮箱中，失效的主要零件及失效比重如下表所示：
由此可见，齿轮失效是造成齿轮箱失效的主要原因，由于制造误差、装配不当或在不适当的条件（如载荷、润滑等）下使用，齿轮常发生损伤，从而导致机械设备不能够用稳定运行，甚至发生生产安全事故。 1.3 齿轮的主要失效形式 齿轮的主要失效形式有四种：轮齿断裂、齿面磨损、齿面疲劳、齿面塑性变形。 1.31 轮齿折断 齿轮副在啮合传递运动时，主动轮的作用力和从动轮的反作用力都通过接触点分别作用在对方轮齿上，最危险的情况是接触点某一瞬间位于轮齿的齿顶部，此时轮齿如同一个悬臂梁，受载后齿根处产生的弯曲应力为最大，若因突然过载或冲击过载，很容易在齿根处产生过负荷断裂。即使不存在冲击过载的受力工况，当轮齿重复受载后，由于应力集中现象，也易产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿在齿根处产生疲劳断裂。 轮齿的断裂是齿轮的最严重的故障，常因此造成设备停机，在齿轮故障中，轮齿折断概率为41%。 1.32 齿面磨损 （1）粘着磨损在低速、重载、高温、齿面粗糙度差、供油不足或油粘度太低等情况下，油膜易被破坏而发生粘着磨损。润滑油的粘度高，有利于防止粘着磨损的发生。 （2）磨粒磨损与划痕含有杂质颗粒以及在开式齿轮传动中的外来砂粒或在摩擦过程中产生的金属磨屑，都可以产生磨粒磨损与划痕。 （3）腐蚀磨损由于润滑油中的一些化学物质如酸、碱或水等污染物与齿面发生化学反应造成金属的腐蚀而导致齿面损伤。 （4）烧伤烧伤是由于过载、超速或不充分的润滑引起的过分摩擦所产生的局部区域过热，这种温度升高足以引起变色和过时效，会使钢的几微米厚表面层重新淬火，出现白层。损伤的表面容易产生疲劳裂纹。 (5)齿面胶合大功率软齿面或高速重载的齿轮传动，当润滑条件不良时易产生齿面胶合（咬焊）破坏，即一齿面上的部分材料胶合到另一齿面上而在此齿面上
旋转机械状态监测与故障诊断 讲义 陈国远 深圳市创为实技术发展有限公司 2005年8月
目录 第一章状态监测的基本知识 (4) 一、有关的名词和术语 (4) 1. 振动的基本参量：幅值、周期（频率）和相位 (4) 2. 通频振动、选频振动、工频振动 (6) 3. 径向振动、水平振动、垂直振动、轴向振动 (6) 4. 同步振动、异步振动 (7) 5. 谐波、次谐波、亚异步、超异步 (7) 6. 相对轴振动、绝对轴振动、轴承座振动 (7) 7. 自由振动、受迫振动、自激振动、随机振动 (7) 8. 高点和重点 (8) 9. 刚度、阻尼和临界阻尼 (8) 10. 共振、临界转速、固有频率 (9) 11. 分数谐波共振、高次谐波共振和参数激振 (9) 12. 涡动、正进动和反进动 (9) 13. 同相振动和反相振动 (10) 14. 轴振型和节点 (10) 15. 转子挠曲 (11) 16. 电气偏差、机械偏差、晃度 (11) 17. 偏心和轴心位置 (11) 18. 间隙电压、油膜压力 (11) 二、传感器的基本知识 (12) 1.振动传感器 (12) 2.电涡流振动位移传感器的工作原理 (13) 3. 电动力式振动速度传感器的工作原理 (13) ⒋压电式加速度传感器的工作原理 (14) 第二章状态监测常用图谱 (15) 1．波德图 (15) 2．极坐标图 (16) 3．频谱瀑布图 (16) 4．极联图 (17) 5．轴心位置图 (18) 6．轴心轨迹图 (18) 7．振动趋势图 (19) 8．波形频谱图 (20)
第三章旋转机械的故障诊断 (22) 1. 不平衡 (22) 2. 不对中 (23) 3. 轴弯曲和热弯曲 (26) 4. 油膜涡动和油膜振荡 (27) 5. 蒸汽激振 (30) 6. 机械松动 (33) 7. 转子断叶片与脱落 (33) 8. 摩擦 (38) 9. 轴裂纹 (40) 10. 旋转失速与喘振 (40) 11. 机械偏差和电气偏差 (43)
齿轮传动系统的故障诊断方法研究内容提要:在机械设备运转过程中，齿轮传动系统通过主、从动齿轮的相互啮合传递运动和能量，这个过程将产生一定形式的机械振动。而诸如磨损、点蚀、制造误差、装配误差等齿轮和齿轮传动系统的各种缺陷和故障必然引起机械振动状态（或信号）发生变化。因此，在齿轮传动系统的振动信号中，蕴涵有它的健康状态（故障与无故障）信息，监测和分析振动信号自然就可以诊断齿轮和齿轮传动系统的故障。 关键词:齿轮故障;故障诊断;振动;裂纹
目录 引言 (1) 第一章影响齿轮产生振动的因素 (2) 1.1 振动的产生 (2) 1.2 振动的故障 (2) 第二章齿轮裂纹故障诊断 (4) 2.1 裂纹产生的原因 (4) 2.2齿轮裂纹分类、特征、原因及预防措施 (4) 2.2.1淬火裂纹 (4) 2.2.2磨削裂纹 (4) 2.2.3疲劳裂纹 (5) 2.2.4轮缘和幅板裂纹 (6) 第三章齿轮故障诊断方法与技术展望 (7) 3.1 齿轮故障诊断的方法 (7) 3.1.1 时域法 (7) 3.1.2 频域法 (7) 3.1.3 倒频谱分析 (8) 3.1.4 包络分析 (8) 3.1.5 小波分析方法 (8) 3.2 齿轮故障诊断技术的展望 (9) 结论 (10) 致谢 (11) 参考文献 (12)
引言 随着科学技术的不断进步，机械设备向着高性能、高效率、高自动化和高可靠性的方向发展。齿轮由于具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，是改变转速和传递动力的最常用的传动部件，是机械设备的一个重要组成部分，也是易于故障发生的一个部件，其运行状态对整机的工作性能有很大的影响。 在机械设备运转过程中，齿轮传动系统通过主、从动齿轮的相互啮合传递运动和能量，这个过程将产生一定形式的机械振动。而诸如磨损、点蚀、制造误差、装配误差等齿轮和齿轮传动系统的各种缺陷和故障必然引起机械振动状态（或信号）发生变化。因此，在齿轮传动系统的振动信号中，蕴涵有它的健康状态（故障与无故障）信息，监测和分析振动信号自然就可以诊断齿轮和齿轮传动系统的故障。
机械故障诊断之齿轮故 障小议 集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-
机械故障诊断之齿轮故障小议随着时代的不断发展，机械已日益成为生产过程中不可或缺的一部分。而机械的高性能化、高自动化、高效率化是现代机械的一个重要发展方向。齿轮作为传动机械设备中至关重要的部件，它不仅关乎机械的正常运转，且对整个生产过程的进度与经济效益等产生巨大影响。而齿轮发生故障又是常出现的事件，因此，加大对齿轮出现故障的原因与解决方法的研究尤显必要。本文将针对此进行粗略探讨。 现代化的不断发展让机械设备也日益朝着大型化、复杂化方向发展，其设备的构造与操作原理也愈加复杂。齿轮是机械设备中用来传递动力的重要部件，而齿轮故障又时常发生，这无疑会对机械的整体运作产生不利影响。所以，有必要对齿轮故障进行分析，并能理论联系实际，通过实际案例来寻求解决方法，从而做到故障出现时能及时解决并予以防范。 机械设备中齿轮常见故障分析 齿轮在机械设备中有个重要作用，这就是它能传递运动，而且能控制运动方向，影响运动速度。而为更好地调控齿轮运转速度，就需要齿轮减速机装置的安装。我们知道，与齿轮减速机有关的几个主要频率为轴频、齿轮的啮合频率、轴承的内外圈、滚动体、保持架的频率，它们与
“谐频”、“边频”相结合，成为对齿轮减速机故障判定的依据。同时，与齿轮减速机有密切关系的是齿轮振动，且通过齿轮振动是判断齿轮故障的一个重要方式。因此，笔者将重点针对齿轮减速与齿轮振动的有关故障开展具体探讨。 2.1齿轮振动发生故障的一个重要原因是齿轮在生产与安装中存在失误。生产齿轮是齿轮得以发挥自身作用的首要条件，而生产制作中的微小误差就能导致齿轮的啮合精度降低，从而带来齿轮的振动和噪声增大，这些问题的出现无疑会提高齿轮的故障率[2]。因而，我们的相关机械使用单位应对齿轮的生产源与齿轮安装予以极大关注。 2.2齿轮振动出现故障的另一个原因是与齿轮的工作环境适宜度有关。因不同的工作环境在空气湿度、空气质量、温度等方面都存在差异。而齿轮作为现代化机械，其对工作环境有一定要求。因齿轮在啮合过程中，齿与齿连续冲击使齿轮产生受迫振动，如果此时其工作环境存在高湿度或其他不利影响，就会对齿轮的正常振动带来不利影响。为减少此种不必要的失误，我们的机械使用单位就应提前做好齿轮工作环境的净化工作。 2.3齿轮运行过程中存在因所使用到的润滑剂质量不达标而导致齿轮故障的现象。齿轮的运转少不了润滑剂的调节，有些单位为减少经济成本投入而使用不够清洁的润滑剂，或者使用的润滑剂不足，这些情况无疑会
本科生毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目：基于振动信号的齿轮故障诊断方法研究 学院：信息科学与技术学院专业：通信工程班级：通信0801 学生：XXX 指导教师（含职称）：XXX（副教授）专业负责人：XXX 1．设计（论文）的主要任务及目标 (1)查阅齿轮振动信号特征提取相关资料，写出文献综述，开题报告等。 (2)运用所掌握的振动信号提取方法，运用matlab仿真齿轮的原始故障信号。2．设计（论文）的基本要求和内容 (1)查阅资料，了解该领域的历史，现况，发展及问题，写出文献综述。 (2)掌握齿轮故障信号的小波分析，时频域分析，EMD分析，完成中期检查。 (3)运用matlab进行信号处理仿真，并写出毕业论文。 (4)在完成上述工作的基础上，准备毕业论文答辩。 摘要 随着科学技术的不断发展，机械设备向着高性能、高自动化、高效率和高可靠性的方向发展。齿轮箱因为具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，因此齿轮箱是用于改变转速和传递动力的最常用的传动部件，是机械设备的一个重要组成部分，也是最容易发生故障的一个部件。而在机械设备中，齿轮的使用频率很高，因此齿轮的故障诊断技术对机器的使用质量和使用寿命都起了非常重要的作用。本文从时域、频域，时频域和经验模式分解进行了齿轮故障诊断的方法研究。时域分析主要应用时域特征参数分析方法进行故障特征参数的提取，频域分析主要通过快速傅里叶变化，从频谱图上进行齿轮正常状态和故障状态振动信号的对比分析。时频域分析主要是通过一维三层离散小波变换，把原始信号细化为三层，每层又分为高频信号和低频信号。经验模式分解主要是在齿轮故障振动信号中的实际应用，对采集到齿轮四种状态下的振动信号通过EMD分解，提取了故障信号的特征信息，为识别故障类型提供了有效的分析手段。故障信息特征提取是齿轮故障诊断中最关键、最重要的问题之一，它直接关系到齿轮故障诊断的准确性和早期故障预报的可靠性。 关键词：齿轮；故障诊断；小波变换；经验模式分解
旋转机械振动故障诊断的图形识别方法研究 集团公司文件内部编码：（TTT-UUTT-MMYB-URTTY-ITTLTY-
旋转机械振动故障诊断的图形识别方法研究我国近年来的旋转机械逐渐发展为大型机械，在这种发展趋势下人们开始重视对振动故障的诊断方法进行研究，在深入研究后探索出了一系列用人工识别图像来实现旋转机械振动故障诊断的方法。本文主要分析了旋转机械振动故障的机理、故障的特点以及几种图形识别方法。经过多种试验证明图形识别方法的科学可行性，值得在今后的实际操作中得到运用和发展。 对于旋转机械在工作状态当中会发生振动，从而由振动产生的各种信号，信号会形成一些参数图形，通过对这些参数图形的研究与分析，我们可以实现对器械运行过程中的日常管理和保护。这也是目前应该采用的设备管理方式。而在实际操作过程中，图形识别技术并没有深入到工作当中。这种手段没有被利用于诊断旋转机械故障的原因是提取出明显的图形特征在技术上具有一定的困难，而且对于图形具体特征的描述也具有很大的挑战，是否能够将图形所呈现出的特征准确地表述出来是图形识别技术在旋转机械振动故障诊断方面的一个限制性因素。诊断旋转机械振动故障的原则 采集诊断依据
被诊断的机械表面所能表现出的所有相关信息都能够作为旋转振动机械故障诊断的有效依据。这些信息在机械运行的过程中能够通过传感器传递给人们。对旋转机械振动故障的诊断是否准确，一个重要的因素就是收集到的有关信息是否真实可靠，依据信息是否准确真实的决定性因素是传感器的品质，传感器质量如何、感应是否灵敏以及工作人员的直观判断都是决定信息准确性的重要衡量标准。 对采集的信息进行处理和研究 从传感器和工作人员两方面收集到的依据信息通常是混乱无序的，不能明显的看出其特点，这就导致了无法准确地对故障进行判断，这就要求我们在成功收集信息之后要及时对大量信息进行筛选和处理，目前普遍采用专业的机器来对这些信息进行分析和研究以及进一步的转换，经过这些处理之后所得到的信息要保证具有至关、价值性强等特点。 对故障进行诊断 对旋转机械振动故障诊断方面对工作人员的要求比较高，要求其具有过硬的理论知识功底以及丰富的实际工作经验。工作人员应该充分了解机械方面的相关知识，熟练掌握机械的维修要点以及安装过程。正确的对机械振动故障进行诊断，并且能够对故障的发展形势进行预想，只有这
齿轮故障诊断方法综述 摘要齿轮就是机械设备中常用得部件,而齿轮传动也就是机械传动中最常见得方式之一。在许多情况下,齿轮故障又就是导致设备失效得主要原因。因此对齿轮进行故障诊断具有非常重要得意义。介绍了故障得特点与几种诊断方法,并比较了基于粒子群优化得小波神经网络,基于相关分析与小波变换,基于小波包与BP神经网络与基于小波分析等故障诊断方法得优缺点,并提出了齿轮故障诊断得难点与发展方向。 关键字齿轮故障诊断诊断方法分析比较发展
目录 第一章齿轮故障诊断发展及故障特点 (1) 1、1 齿轮故障诊断得发展 (1) 1、 2齿轮故障形式与震动特征 (1) 第二章齿轮传动故障诊断得方法 (2) 2、 1高阶谱分析 (2) 2、1、1参数化双谱估计得原理 (3) 2、1、2试验装置与信号获取 (3) 2、1、3 故障诊断 (4) 2、1、4 应用双谱分析识别齿轮故障 (4) 2、2基于边频分析得齿轮故障诊断 (6) 2、2、1分析原理 (6) 2、2、2铣床振动测试 (6) 2、2、3 边频带分析 (7) 2、2、4 故障诊断 (8) 2、 3时域分析 (10) 2、3、1 时域指标 (10) 2、3、2非线性时间分析 (10)
第一章齿轮故障诊断发展及故障特点 1、1 齿轮故障诊断得发展 齿轮故障诊断始于七十年代初,早期得齿轮故障诊断仅限于在旋转式机械上测量一些简单得振动参数,用一些简单得方法进行诊断。这些简单得参数与诊断方法对齿轮故障诊断反应灵敏度较低,根本无法准确判断发生故障得部位。七十年代末到八十年代中期,旋转式机械中齿轮故障诊断得频域法发展很快,其中R、B、Randall与James1、Taylor等人做好了许多有益得工作,积累了不少故障诊断得成功实例,出现了一些较好得频域分析方法,对齿轮磨损与齿根断裂等故障诊断较为成功。进入九十年代以后,神经网络、模糊推理与网络技术得发展与融合使得齿轮系统故障诊断进入了蓬勃发展得时期。 我国学者在齿轮故障诊断研究方面也做了大量工作。1986年,屈梁生、何正嘉在《机械故障诊断学》中分析了齿轮故障得时频域特点。1988年,颜玉玲、赵淳生对滚动轴承得振动监测及故障诊断进行了分析。1997年,郑州工业大学韩捷等在“齿轮故障得振动频谱机理研究”中对齿轮得故障机理做了探讨。西安交通大学张西宁等在“齿轮状态监测与识别方法得研究”中提出了一种新方法即基于一致度分析。 1、 2齿轮故障形式与震动特征 通常齿轮在运转时,由于制造不良或操作维护不善会产生各种形式得故障。故障形式又随齿轮材料、热处理、运转状态等因素得不同而不同,常见得齿轮故障形式有齿面磨损、齿面胶合与擦伤、齿面接触疲劳与弯曲疲劳与断齿。 在齿轮运转状态下,伴随着内部故障得发生与发展,必然会产生振动上得异常。实践证明,振动分析就是齿轮故障检测中最有效得方法。若齿轮副主轮转速为n1,齿数为z1,频率为f1;从轮转速为n2,齿数为z2,频率为f2,则齿轮啮合频率fC 为:fC=Nf1z1=Nf2z2=Nn160z1=Nn260z2(1) 式中:N=1, 2, 3,…。齿轮处于正常或异常状态下,啮合频率振动成分及其倍频总就是存在得,但两种状态下得振动水平有差异。如果仅仅依靠对齿轮振动信号得啮合频率及其倍频成分得差异来识别齿轮得故障就是不够得,因故障对振动
起重机械金属结构振动与故障诊断分析 发表时间：2018-12-20T14:09:56.087Z 来源：《防护工程》2018年第27期作者：胡伟忠[导读] 随着我国基础建设的快速发展，使用起重机械工程项目日益增多，工作环境越来越复杂。浙江省特种设备检验研究院浙江杭州 310000 摘要：起重机械属于工业机械范畴内涉及人身、财产安全的大型特种设备，强化其金属结构安全以及维护保养，尤其是长期应用存在金属结构疲劳的起重机械诊断维修至关重要。随着现阶段振动信号测量与分析在检测起重机金属结构振动过程中都得到了有效的应用，检测和分析水平也提升到了一定的提高。但是在对起重机金属结构振动与故障分析的过程中，依旧存在很多的问题，这就需要在发展的过程中不断对其进行研究和分析，从而制定更加完善的解决方案。 关键字：起重机械；金属结构振动；故障诊断 引言： 随着我国基础建设的快速发展，使用起重机械工程项目日益增多，工作环境越来越复杂，在各种不同环境下的频繁高强度作业，起重机械的疲劳问题日益突出。大型起重机械的金属结构正常使用寿命在20年左右，对于起重机械服役后期金属结构出现振动和故障诊断分析一直困扰着技术人员。因此，对于起重机械金属结构的安全监测以及故障问题分析成为解决问题的关键。通过分析不难发现，疲劳与振动之间的关系是密不可分的，因此疲劳和振动都会导致设备在使用寿命期间内发生安全事故，不仅会造成巨大的经济损失，而且会造成人员伤亡。 1起重机械金属结构振动和故障诊断存在的问题 起重机金属结构振动与故障诊断分析的过程中，依旧存在很多的问题，这些问题主要表现在： 1.1振动失效和故障机理研究不够 在当前研究当中，对于因为振动引起的起重机金属构造失效和故障机理探索重视不够充分，由非动态疲劳方面进行分析，构造疲劳破坏问题重点是思考构造设计方面应力和应变布置，由构造疲劳失效和构造振动反映中间内部特点去看，振动疲劳属于导致疲劳失效的因素之一。而导致中机械的核心金属构造和重点零部件在服役阶段。因为腐蚀锈蚀和裂纹以及磨损等一系列的因素，导致金属构造受力情况发生变化。构造内应力分布，原有频率变化，这就导致构造疲劳失效，这和构造振动反映有着紧密的联系。非静态在和激励时常又发模态和荷载振动产生耦合作用，遭受损坏的地方通常是部分振动过程中应变大，并且存在缺陷或者是应力汇聚的地方，破坏的起因是部分振动和应力汇聚这两个因素的一起作用。因为振动疲劳破坏十分复杂，单纯的使用非动态疲劳方式无法满足提升评价成果可靠和稳定方面的要求，在起重机械安全评价过程中，应该使用金属构造振动相关探索。 1.2振动故障诊断方式单一 其中机械金属构造服役安全评价第一点必须要分析设施使用过程中获得的多种信号，之后将信号当中多种有价值的信息提取出来，在当中获得和故障有关的特征，最后通过特征诊断故障，最近几年，运用十分广泛的短时傅立叶变换等均是由内积原理当作基础的特征波形基函数信号分解，主要目的是巧妙的使用和特征波形适合的基函数，对于信号进行良好的处理，提出故障征兆，进而完成故障诊断。对于系统前提的故障和轻微以及符合还有系统这些故障的诊断方式还不是十分完善，合理的诊断方式还不是很多，金属构造在服役时无法避免出现损伤和前期故障，其拥有可能性以及动态响应的微弱性。而符合和系统这两种故障因为多种因素耦合以及传播渠道繁琐，通常造成单一信号处理方式无法真正了解故障的形成因素。 2振动故障诊断分析 2.1专业技术诊断 通过专业系统完成对故障状态的分析与观察，对故障的所在进行推断，并且给出相应的排除故障的有效方法。专业诊断法需要汇集大量的专家知识，可以实现对随机出现的故障的合理诊断。但是，在知识的获取上会面临一定困难，知识库的更新速度相对比较缓慢，不同领域专家的知识存在一定矛盾点，目前在表达能力和处理能力上都存在一定局限性。 2.2模糊诊断法 在模糊诊断法中应适当的引入模糊逻辑，主要作用是克服出现的不精准性、不确定以及因为噪声而带来的影响，因而在对复杂系统进行处理时，会在时变、时滞等方面表现出一定优势。模糊诊断在具体应用过程中的缺点是在诊断复杂系统过程中，需要构建隶属函数和模糊规则，而从实际情况来看，这个过程难度较大，并且会消耗大量的时间。 2.3神经网络诊断 通过神经网络完成对故障的诊断，该诊断的基本思路如下：将故障特征信号作为神经网络的输入点，而神经网络的输出就是最终的诊断结果。第一，对已知的故障征兆和诊断结果进行应用，实现对神经网络的离线训练，通过这种方式使神经网路通过权值记忆故障征兆与诊断结果之间形成对应关系。第二，在神经网络的输入端将获得的故障征兆加入，并获取最终的诊断结果。各个故障的类型需要与输出神经元相对比，否则系统将无法显示新出现的故障类型，对故障的诊断将会造成不良影响。 3起重机金属结构诊断的具体应用 3.1起重机械金属结构振动测试 对于起重机械的整体结构来说，振动研究就包括了测试系统相关动态特性数据，例如固定频率检测和阻尼比检测以及振型检测等各个方面。其中解析、分析的放散和实验分析方案逐渐有效结合的模态分析技术，都融入了模态测试的改善技术和理论与结构强度测试应用案例和经验，需要最先创造结构有限元的模型，之后计算出结构有关有限元的模态数据，依据结构的有限元模态数据达到结构模态实验相关工作的改善工作，以此在一定程度上增强模态试验获取的结构模态参数安全性能和可依靠性以及其精确度，其中包括了完善的结构模态实验的有关悬挂位置和激励方位以及测量方位等相关的工作。依据实验分析的方案，于现场实地勘测获取的模态和解析方案模态实现进行对比，从而更好完成金属结构损伤问题的研究，研究出金属结构中存在的问题，以此依据对比分析可以增强设施问题检测的有效性和完善性，并且获取更为有效的金属振动结果和模态数据信息。
机械故障诊断技术 （第二版张建）课后答案 第一章 1、故障诊断的基础是建立在能量耗散的原理上的。 2、机械故障诊断的基本方法课按不同观点来分类，目前流行的分类方法有两种：一是按机械故障诊断方法的难易程度分类，可分为简易诊断法和精密诊断法；二是按机械故障诊断的测试手段来分类，主要分为直接观察法、振动噪声测定法、无损检测法、磨损残余物测定法、机器性能参数测定法。 3、设备运行过程中的盆浴曲线是指什么？ 答：指设备维修工程中根据统计得出一般机械设备劣化进程的规律曲线（曲线的形状类似浴盆的剖面线） 4、机械故障诊断包括哪几个方面内容？ 答：（1）运行状态的检测根据机械设备在运行时产生的信息判断设备是否运行正常，其目的是为了早期发现设备故障的苗头。 （2）设备运行状态的趋势预报在状态检测的基础上进一步对设备 运行状态的发展趋势进行预测，其目的是为了预知设备劣化的速度，以便生 产安排和维修计划提前做好准备。 （3）故障类型、程度、部位、原因的确定最重要的是设备类型的确定，它是在状态检测的基础上，确定当机器已经处于异常状态时所需进一步解决的问题，其目的是为了最后诊断决策提供依据。 5、请叙述机械设备的故障诊断技术的意义？ 答：设备诊断技术是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部是正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。机械设备的故障诊断可以保证整个企业的生产系统设备的运行，减少经济损失，还可以减少某些关键机床设备因故障存在而导致加工质量降低，保证整个机器产品质量。 6、劣化曲线沿横、纵轴分别分成的三个区间分别是什么，代表什么意义？ 答：横轴包括1、磨合期 2、正常使用期 3、耗损期纵轴包括1、绿区（故障率最低，表示机器处于良好状态）2、黄区（故障率有抬高的趋势，表示机器
一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法 一、齿轮啮合频率的机理 由齿轮传动理论可知，渐开线齿廓齿轮在节点附近为单齿啮合，而在节线的两边为双齿啮合，啮合区的大小则由重叠系数ε决定。因此，每对轮齿在啮合过程中承受的载荷是变化的，从而引起齿轮的振动，另外，一对轮齿在啮合过程中两齿面的相对滑动速度和摩擦力均在节点处改变方向，引起齿轮的振动.这两者形成了啮合频率fz 及其谐波Nfz ，其计算式为: 60z nZ f = 式中 Z ——齿轮的齿数；n ——轴的转速，/min r 。 60z nZ Nf N =? 式中N —自然数，1，2，3，……。N=1称为基波，即啮合频率；N = 2，3，……时，称为二次，三次…谐波。 啮合频率fz 及其谐波Nfz 的频谱特点： ①初始状态，啮合颇率的幅值最高，各次谐波的幅值依次减小(图1的实线部分)； ②随着齿轮磨损的增加，渐开线齿廓逐渐受到破坏，使齿轮振动加剧，此时啮合频率及其各次谐波的幅值逐渐增大，而且各次谐波幅值的增加比啮合频率快得多(图中虚线所示)； ③磨损严重时，二次谐波幅值超过啮合频率幅值。 图1 啮合频率及其谐波 图2 严重磨损时的啮合频率及其二次谐波 由频谱图上啮合频率及其谐波幅值的增量可判断出齿轮的磨损程度。
啮合频率分析： （1）负载和啮合刚度的周期性变化 负载和啮合刚度的变化可用两点来说明：一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一齿轮的刚度发生了变化，二是参加啮合的齿数在变化。如渐开线直齿轮，在节点附近是单齿啮合，在节线两侧某部位开始至齿顶、齿根区段为双齿啮合。显然，在双齿啮合时，整个齿轮的载荷由两个齿分担，故此时齿轮的啮合刚度就较大；同理单齿啮合时，载荷由一个齿承担，此时齿轮的啮合刚度较小。从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的负载和啮合刚度就变化一次，所以齿轮的负载和啮合刚度周期性变化的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。 （2）节线冲击的周期性变化 齿轮在啮合过程中，轮齿表面既有相对滚动，又有相对滑动。主动轮带动从动轮旋转时，主动轮上的啮合点从齿根移向齿顶，啮合半径逐渐增大，速度渐次增高；而从动轮上的啮合点是由齿顶移向齿根，啮合半径逐渐减小，速度渐次降低。两轮齿齿面在啮合点的速度差异就形成了主动轮和从动轮的相对滑动。在主动轮上，齿根和节点之间的啮合点速度低于从动轮上的啮合点速度，因此滑动方向向下；在节点处，因为两轮上的啮合点速度相等，相对滑动速度为零。因此，摩擦力在节点处改变了方向，形成节线冲击。由以上分析可知，从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，发生两次节点冲击，所以节线冲击发生的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。 （3）齿轮运转时，其振动频谱上都含有啮合频率及其谐波分量。随着齿轮的磨损，频谱上的啮合频率及其各次谐波都会上升，即幅值增大。但值得注意的是，啮合频率高次谐波的幅值要比基波的幅值上升得快。啮合频率是齿轮振动中比较突出的成分，它既是齿轮齿廓磨损的一个灵敏指标，同时齿面上产生点蚀、剥落等损伤也会在啮合频率及各次谐波成分上表现出来。对于一对新齿轮来说，其频谱的整个振动能量水平较低，啮合频率的基波及其第二、三次谐波幅值依次减小。对于具有中等点蚀故障的齿轮，其频谱随着点蚀的增加，整个谱的水平都随之增加，且啮合频率高次谐波幅值将超过基波。另一个特点是啮合频率的二次谐波两边的边频带愈加丰富。当齿面出现重度点蚀时，谱噪声总量急剧上升，且啮合频率的谐频延伸到七次以上。啮合频率分析也有其不足之处，它毕竟是众多齿轮振动能量的平均值，因此在局部轮齿呈现损伤时，其幅值的增长就不那么明显，只有大多数轮齿受到磨损或出现点蚀、剥落等损坏时才有明显的增量。 当齿轮发生故障时，振动信号常会发生调制现象而产生调制波(调幅波和调频波)，其载
齿轮故障诊断方法综述 摘要齿轮是机械设备中常用的部件,而齿轮传动也是机械传动中最常见的方式之一。在许多情况下,齿轮故障又是导致设备失效的主要原因。因此对齿轮进行故障诊断具有非常重要的意义。介绍了故障的特点和几种诊断方法，并比较了基于粒子群优化的小波神经网络,基于相关分析与小波变换,基于小波包和BP神经网络和基于小波分析等故障诊断方法的优缺点，并提出了齿轮故障诊断的难点和发展方向。 关键字齿轮故障诊断诊断方法分析比较发展
目录 第一章齿轮故障诊断发展及故障特点..................... 错误!未定义书签。齿轮故障诊断的发展................................... 错误!未定义书签。 1. 2齿轮故障形式与震动特征 ........................... 错误!未定义书签。第二章齿轮传动故障诊断的方法......................... 错误!未定义书签。 2. 1高阶谱分析........................................ 错误!未定义书签。 参数化双谱估计的原理 .............................. 错误!未定义书签。 试验装置与信号获取 ................................ 错误!未定义书签。 故障诊断 ......................................... 错误!未定义书签。 应用双谱分析识别齿轮故障 ........................ 错误!未定义书签。基于边频分析的齿轮故障诊断............................ 错误!未定义书签。 分析原理 .......................................... 错误!未定义书签。 铣床振动测试 ...................................... 错误!未定义书签。 边频带分析 ...................................... 错误!未定义书签。 故障诊断 ........................................ 错误!未定义书签。 2. 3时域分析.......................................... 错误!未定义书签。
( 安全技术 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 旋转机械振动故障诊断的图形识别方法研究(2020版) Technical safety means that the pursuit of technology should also include ensuring that people make mistakes
旋转机械振动故障诊断的图形识别方法研 究(2020版) 我国近年来的旋转机械逐渐发展为大型机械，在这种发展趋势下人们开始重视对振动故障的诊断方法进行研究，在深入研究后探索出了一系列用人工识别图像来实现旋转机械振动故障诊断的方法。本文主要分析了旋转机械振动故障的机理、故障的特点以及几种图形识别方法。经过多种试验证明图形识别方法的科学可行性，值得在今后的实际操作中得到运用和发展。 对于旋转机械在工作状态当中会发生振动，从而由振动产生的各种信号，信号会形成一些参数图形，通过对这些参数图形的研究与分析，我们可以实现对器械运行过程中的日常管理和保护。这也是目前应该采用的设备管理方式。而在实际操作过程中，图形识别技术并没有深入到工作当中。这种手段没有被利用于诊断旋转机械
故障的原因是提取出明显的图形特征在技术上具有一定的困难，而且对于图形具体特征的描述也具有很大的挑战，是否能够将图形所呈现出的特征准确地表述出来是图形识别技术在旋转机械振动故障诊断方面的一个限制性因素。诊断旋转机械振动故障的原则采集诊断依据 被诊断的机械表面所能表现出的所有相关信息都能够作为旋转振动机械故障诊断的有效依据。这些信息在机械运行的过程中能够通过传感器传递给人们。对旋转机械振动故障的诊断是否准确，一个重要的因素就是收集到的有关信息是否真实可靠，依据信息是否准确真实的决定性因素是传感器的品质，传感器质量如何、感应是否灵敏以及工作人员的直观判断都是决定信息准确性的重要衡量标准。 对采集的信息进行处理和研究 从传感器和工作人员两方面收集到的依据信息通常是混乱无序的，不能明显的看出其特点，这就导致了无法准确地对故障进行判断，这就要求我们在成功收集信息之后要及时对大量信息进行筛选
齿轮的故障诊断 一、齿轮的常见故障 齿轮是最常用的机械传动零件，齿轮故障也是转动设备常见的故障。据有关资料统计，齿轮故障占旋转机械故障的10.3%。齿轮故障可划分为两大类，一类是轴承损伤、不平衡、不对中、齿轮偏心、轴弯曲等，另一类是齿轮本身（即轮齿）在传动过程中形成的故障。在齿轮箱的各零件中，齿轮本身的故障比例最大，据统计其故障率达60%以上。齿轮本身的常见故障形式有以下几种。 1. 断齿 断齿是最常见的齿轮故障，轮齿的折断一般发生在齿根，因为齿根处的弯曲应力最大，而且是应力集中之源。 断齿有三种情况： （1）疲劳断齿由于轮齿根部在载荷作用下所产生的弯曲应力为脉动循环交变应力，以及在齿根圆角、加工刀痕、材料缺陷等应力集中源的复合作用下，会产生疲劳裂纹。裂纹逐步蔓延扩展，最终导致轮齿发生疲劳断齿。 （2）过载断齿对于由铸铁或高硬度合金钢等脆性材料制成的齿轮，由于严重过载或受到冲击载荷作用，会使齿根危险截面上的应力超过极限值而发生突然断齿。 （3）局部断齿当齿面加工精度较低、或齿轮检修安装质量较差时，沿齿面接触线会产生一端接触、另一端不接触的偏载现象。偏载使局部接触的轮齿齿根处应力明显增大，超过极限值而发生局部断齿。局部断齿总是发生在轮齿的端部。 2. 点蚀 点蚀是闭式齿轮传动常见的损坏形式，一般多出现在靠近节线的齿根表面上，发生的原因是齿面脉动循环接触应力超过了材料的极限应力。 在齿面处的脉动循环变化的接触应力超过了材料的极限应力时，齿面上就会产生疲劳裂纹。裂纹在啮合时闭合而促使裂纹缝隙中的油压增高，从而又加速了裂纹的扩展。如此循环变化，最终使齿面表层金属一小块一小块地剥落下来而形成麻坑，即点蚀。 点蚀有两种情况： （1）初始点蚀（亦称为收敛性点蚀）通常只发生在软齿面（HB＜350）上，点蚀出现后，不再继续发展，甚至反而消失。原因是微凸起处逐渐变平，从而扩大了接触区，接触应力随之降低。 （2）扩展性点蚀发生在硬齿面（HB＞350）上，点蚀出现后，因为齿面脆性大，凹坑的边缘不会被碾平，而是继续碎裂下去，直到齿面完全损坏。 对开式齿轮，齿面的疲劳裂纹尚未形成或扩展时就被磨去，因此不存在点蚀。 当硬齿面齿轮热处理不当时，沿表面硬化层和芯部的交界层处，齿面有时会成片剥落，
机械监测与诊断技术 论文 齿轮震动故障诊断与分析 学院：机械与动力学院 姓名：刘聪 学号：2012105422 2015年11月4号
齿轮振动故障诊断与分析 一．齿轮典型故障介绍 (1)磨损 磨损包括磨粒磨损、腐蚀磨损和冲击磨损，磨粒磨损是常见的磨损形式，一般是由于齿的工作表面进入了金属微粒、尘埃和沙粒等所引起的齿面擦伤或者齿面材料脱落，是润滑不好的开式传动齿轮的主要故障类型。齿轮磨损后，齿的厚度变薄，齿廓变形，侧隙变大，会造成齿轮动载荷增大，不仅会使振动和噪音加大，而且很可能导致断齿。磨损故障大概占齿轮常见故障比例的10%。 (2)点蚀 点蚀是减速箱等闭式齿轮传动系统中极其普遍的故障类型，约占齿轮常见故障比例的31%。齿轮受啮合过程产生的循环交变应力会在表面产生微小疲劳裂纹，啮合时润滑油进入该裂纹中后被封口并受挤压产生高压，从而扩大了裂纹，最终导致齿轮表面金属的脱落形成麻点状小坑，这就是点蚀。在齿轮表面硬度低于350HBS的闭式齿轮上，点蚀现象尤为常见。点蚀的出现会加大齿轮表面的局部接触应力，导致点蚀现象的恶化，进而加剧齿轮啮合时的噪声、降低齿轮传动的精度。 (3)断齿 断齿在齿轮故障类型中是最容易发生的，占齿轮常见故障比例的41%。断齿故障有过载断齿、疲劳断齿和缺陷断齿三种，这里面又以
疲劳断齿最为常见，它是由于齿轮工作受到周期性载荷，弯曲应力超过弯曲疲劳极限而在齿根处产生疲劳裂纹，裂纹渐渐扩大，当载荷的循环次数达到一定值时，就会致使轮齿折断。断齿是所有齿轮故障中最严重的类型，经常会导致停工停产。 (4)胶合 齿轮润滑良好时齿面间会保持一层润滑油膜作用，但是当载荷较大、齿面间压力大、工作转速高、工作表面温度较高时，润滑油膜被破坏，使金属齿面直接接触，相接触的金属材料在高温高压作用下发生粘着，相粘连的齿面由于相对滑动而被撕裂，在相对滑动方向形成划痕。齿面的胶合故障，会加剧齿面的磨损程度和速度，从而使齿轮更加快速地失效。这种故障类型占齿轮常见故障比例的10%。 (5)塑性变形 软齿面齿轮重载或者突然的重载冲击情况下，齿面容易发生塑性变形。因为重载会大幅加大齿面的摩擦力，这会导致齿轮表面的材料呈现塑性状态，使齿轮表面的金属发生塑性流动，进而造成被动轮齿面中间凸起、主动轮齿面中间凹陷。塑性变形会使齿面偏离渐开线形状，引起齿轮传动比的变化，产生附加动载荷。齿轮塑性变形和化学腐蚀、表面龟裂等其它类型的一些故障，占齿轮常见故障比例的8%。 二．齿轮振动类型及特征 即便在理想状态下，齿轮传动也会有振动产生，更何况是实际中齿轮的工作环境一般都比较恶劣，再加上齿轮的制造问题、安装问题、
《机械振动与故障诊断》课程教学大纲 课程代码：010132013 课程英文名称：Mechanical Vibration and Fault Diagnosis 课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0 适用专业：机械设计制造及其自动化专业 大纲编写（修订）时间：2017.7 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 机械振动与故障诊断是机械设计制造及其自动化专业机械设计方向的专业基础课，是设备现代化管理的重要内容之一。通过本课程的学习，使学生掌握机械振动与故障诊断的基础知识、基础理论、基本方法以及机械振动与故障诊断在工程领域的应用。同时，通过一些工程实例的研究，培养学生分析和解决工程实际问题的能力，并具备从事机械设备状态监测与故障诊断的基本技能。 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1．要求掌握机械振动的基本理论知识和分析方法。 2．具有建立典型机械结构的力学模型的能力，并能够确定其边界条件和初始条件。 3．掌握用解决工程实际问题机械振动的能力。 4．掌握机械设备故障诊断技术的基础理论、诊断方法和手段以及旋转机械设备的振动的监诊断技术。 （三）实施说明 1．本课程主要内容：对于单自由度系统，主要研究各种类型振动的特性和响应求解及其参数的确定，并通过一些例子说明振动的应用。多自由度系统是机械振动的重点，必须给予充分的重视，对于影响系数法，着重于应用其定义建立系统的运动方程。通过实例讲清计算固有频率的数值方法。振型正交性要给出完整的证明，要振型叠加法的解题步骤，并通过例子加以说明。故障诊断技术主要讲述机械设备振动监测以及信号处理的基础理论、诊断方法和手段以及旋转机械设备的振动的监诊断技术。在教学过程中注意理论与工程实际的相结合，在讲清基本理论的基础上突出工程实际问题应用。 2．教学方法和教学手段：积极开展多媒体教学和实际工程案例教学，充分利用幻灯、投影仪、音像、CAI等现代化教学手段，将该领域的一些科研成果作为案例，在课堂上为学生演示。以提高课堂效率和教学效果，激发学生的学习兴趣。 3.课外作业，布置一定课外作业，让学生巩固、加深对课堂所学内容的理解，掌握机械振动方法。 4．对学生的要求：基于学业规范的要求（道德行为规范、作业规范、实验规范等）,学生应遵守《沈阳理工大学学生手册（本科生）》中的有关条例，上课时认真听讲，下课有一定时间复习，独立完成作业，做到不迟到、不早退。 5.教师执行本大纲时，应着眼于基本概念和设计方法的讲解，至于各章节的教学顺序，教学环节和教学手段等不完全拘泥于大纲所限，充分发挥教师的能动性、创造性。 （四）对先修课的要求 在学习本课程之前，必须先修完高等数学、线性代数、工程力学、机械设计课程，并达到这
第六章齿轮常见故障与诊断 齿轮传动由于结构紧凑、传动比精确等的优点，成为机械设备中常用的传动方式。现代机械对齿轮的要求日益提高，即要求齿轮能在高速、重载、特殊介质等恶劣环境条件下工作，又要求齿轮传动具有高平稳性、高可靠性等良好的工作性能，使得影响齿轮正常工作的因素愈来愈多，而齿轮工作不正常又是诱发机器故障的重要因素，因此，对齿轮故障诊断技术的应用也是非常重要的课题。 第一节齿轮故障的常见形式与原因 一、齿轮故障的常见形式 齿轮由于结构形式、材料与热处理、操作运行环境与条件等因素不同，发生故障的形式也不同，常见的齿轮故障有以下几类形式。 1.齿面磨损 润滑油不足或油质不清洁会造成齿面磨粒磨损，使齿廓改变，侧隙加大，以至由于齿轮过度减薄导致断齿。一般情况下，只有在润滑油中夹杂有磨粒时，才会在运行中引起齿面磨粒磨损。 2.齿面胶合和擦伤 对于重栽和高速齿轮的传动，齿面工作区温度很高，一旦润滑条件不良，齿面间的油膜便会消失，一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，在齿面上形成垂直于节线的划痕状胶合。新齿轮未经磨合便投入使用时，常在某一局部产生这种现象，使齿轮擦伤。 3.齿面接触疲劳 齿轮在实际啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生脉动载荷。载荷和脉动力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的剪应力，当这种剪应力超过齿轮材料的疲劳极限时，接触表面将产生疲劳裂纹，随着裂纹的扩展，最终使齿面剥落小片金属，在齿面上形成小坑，称之为点蚀。当“点蚀”扩大成片时，形成齿面上金属块剥落。此外，材质不均匀或局部擦伤，也容易在某一齿上首先出现接触疲劳，产生剥落。 4.弯曲疲劳与断齿 在运行过程中承受载荷的轮齿，如同悬臂梁，其根部受到脉冲循环的弯曲应力作用最大，当这种周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展，当剩余部分无法承受传动载荷时就会发生断齿现象。齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质不均匀也可能会引起断齿。断齿和点蚀是齿轮故障的主要形式。