中北大学2010届毕业设计说明书
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MATLAB的这些特点使它获得了对应用数学，特别是对边缘学科和交叉学科的极强的适应能力，并很快成为应用数学计算机辅助分析、设计、仿真以至教学等不可缺少的基础软件。 5.2齿轮的故障类型及振动机理 5.2.1齿轮的故障类型
1. 由制造误差和装配误差引起的故障
齿轮制造时造成的主要缺陷有：偏心、齿距偏差和齿形误差等;齿轮装配时造成的主要缺陷有：轴线不对中、齿面一端接触等[44]。当齿轮的这些缺陷较严重时，会引起齿轮传动中忽快忽慢的转动，啮合时产生冲击引起较大的振动和噪声等。
2. 运行中产生的故障
齿轮除了存在制造安装问题如对中不良、偏心等先天缺陷之外，齿轮本身在运行过程中也会形成很多常见的故障，如齿面磨损、齿面胶合、齿面点蚀和剥落、齿轮裂纹和断裂等等。几种常见的异常情况如图5.1。
1) 齿面磨损
齿轮在啮合过程中，往往在轮齿表面上出现材料摩擦损伤的现象。凡磨损量不影响齿轮在预期寿命内应具备的功能的磨损，称为正常磨损。如果由于齿轮用材不当，或在接触面间存在硬质颗粒，以及润滑油供应不足或不清洁，往往引起齿轮的早期磨损，有微小的颗粒分离出来，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。严重磨损的结果将导致齿轮失效。
2) 齿面胶合
齿面胶合是齿轮损伤的一种重要形式。它是由于啮合齿之间润滑油膜被破坏或没有油膜，在齿面接触区发生粘焊现象。胶合一旦发生，齿轮表面状况迅速恶化，功耗加大，温度升高，摩擦系数加大，动载荷增加，从而使振动信号加大[45]。
3) 齿面点蚀和剥落
齿轮在啮合过程中，既有相对滑动，又有相对滚动。这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的切应力。这种切应力超过齿轮材料的剪切疲劳极
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限时，表面将产生疲劳裂纹。裂纹扩展，最终会使齿面金属小块剥落，在齿面上形成小坑，称为点蚀。剥落是齿轮的表层和次表层的缺陷以及热处理产生的过大内应力所致，一般凹坑比破坏性点蚀大而深，凹坑断面比较光滑，发生于齿顶或齿端部，产生范围较广的齿面疲劳损坏。
4) 齿轮裂纹和断裂
轮齿承受载荷，如同悬臂梁，其根部受到脉冲循环的弯曲应力作用。当这种周期性应力超过了齿轮材料的弯曲疲劳极限时，会在根部产生裂纹。由于存在裂纹，当负荷过大时，就容易产生部分轮齿或整齿折断;还有一种断裂是由于组装不当，负荷集中于齿轮一端，突然停止或换向以及轴承的损坏等冲击过载引起的，故称过载断裂。与疲劳断裂相比，过载断裂容易引发瞬发性严重故障，破坏程度更大。因此齿轮在工作中受严重的冲击、偏载以及材料不均等因素影响时，都会引起断齿。
图5.1 几种常见齿轮故障
5.2.2齿轮典型故障分析
丁康教授、韩捷教授等人对齿轮故障的时频域特征研究[46~50]，总结了以下几种齿轮箱正常及典型故障时的时频域特征。
正常齿轮由于刚度的影响，其波形为周期性的衰减波形。其低频信号具有近似正弦波的啮合波形，如图5.2(a)所示。正常齿轮的信号反映在频域上，有啮合频率及其谐波分量，即有nfc，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分量mfr,n,m?1,2所示。
，如图5.2 (b)
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图5.2正常齿轮的时频域特征
（1） 齿轮均匀磨损
齿轮均匀磨损时由于无冲击振动信号产生，一般不会出现明显的调制现象。磨损发展到一定程度时，啮合频率及其各次谐波幅值明显增大，而且阶数越高，谐波增大的幅度越大。同时，振动能量有较大幅度的增加，如图5.3所示。
图5.3 齿面均匀磨损
随着磨损的加剧，还有可能产生1/k（k=2，3 ，4 ，…）的分数谐波，有时在升降还会出现如图5.4所示的呈非线性振动的跳跃现象。
图5.4振幅跳跃现象
（2） 齿轮偏心
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。
当一对互相啮合的齿轮中有一个齿轮存在偏心时，其振动波形由于偏心的影
响被调制，产生调幅振动，图5.5为齿轮有偏心时的振动波形。
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图5.5偏心齿轮的振动时域波形
齿轮存在偏心时，其频谱结构将在两个方面有所反映：一是以齿轮的旋转频率为特征的附加脉冲幅值增大；二是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，比所调制的啮合频率要小得多。图5.6为具有偏心的齿轮的典型频谱的特征。
图5.6 齿轮偏心的频谱
（1）齿轮不同轴
齿轮不同轴故障是指由于齿轮和轴装配不当造成的齿轮和轴不同轴。不同轴故障会使齿轮产生局部接触，导致部分轮齿承受较大的负荷。
当齿轮出现不同轴或不对中时，其振动的时域信号具有明显的调幅现象。如图5.7所示为其低频振动信号呈现明显的调幅现象。
图5.7 不同轴齿轮波形
具有不同轴故障的齿轮，由于其振幅调制作用，会在频谱上产生以各阶啮合频率nfc(n＝1，2,…）为中心，以故障齿轮的旋转频率fr为间隔的一阶边频族，即nfc士fr（n＝1，2,…）。同时，故障齿轮的旋转特征频率mfr（m＝1，2,…）在频谱上有一定反映。图5.8为典型的具有不同轴故障齿轮的特征频谱。
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图5.8 不同轴齿轮的频谱
5.3齿轮故障诊断仿真实验 5.3.1实验测试原理
某减速机组工作中横向振动大，严重影响正常工作。为了找出故障的原因，对减速机系统的振动加速度进行测试。传动简图及加速度传感器测点布置如图5.9所示。图中测点1传感器布置在高速轴Ⅱ上，测点2传感器布置在低速轴Ⅴ上，均测量横向振动。测试系统示意图如图5.10。
图5.9 传动简图及测点布置图
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