【正文】 是用于改變轉(zhuǎn)速和傳遞動(dòng)力的最常用的傳動(dòng)部件，是機(jī)械設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，也是故障易于發(fā)生的一個(gè)部件，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)整機(jī)的工作性能有很大的影響。齒輪失效又是誘發(fā)機(jī)器故障的重要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳動(dòng)機(jī)械中 80％的故障是由齒輪引起的，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中齒輪故障占其故障的 10％左右。齒輪故障將直接影響設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，會(huì)降低生產(chǎn)效率和加工精度。隨著設(shè)備的逐漸大型化、自動(dòng)化、連續(xù)化、高速化和復(fù)雜化，齒輪的故障和失效給整個(gè)生產(chǎn)和社會(huì)造成的損失越來(lái)越大。一些處于連貫工作狀態(tài)的設(shè)備，由于齒輪的意外故障造成的停機(jī)停產(chǎn)的損失很難估計(jì)。因此采用先進(jìn)技術(shù)對(duì)齒輪進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，可實(shí)現(xiàn)齒輪由事后維齒輪精密診斷法（振動(dòng)噪聲）(1)功率法(2)相關(guān)法(3)雙譜 (1)低頻時(shí)域平均(2)時(shí)域波形(3)調(diào)幅解調(diào)(4)相位調(diào)節(jié) (1)時(shí)序參數(shù)(2)最大墑譜(1)短時(shí) FFT(2)維格納分布(3)小波分布北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)4修、定期維修到事前維修的根本轉(zhuǎn)變，減少一些不必要的經(jīng)濟(jì)損失，進(jìn)而創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。第 節(jié) 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)振動(dòng)信號(hào)分析被廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工況監(jiān)視和故障診斷中。發(fā)展了大量的方法，像功率譜、平均時(shí)間域、適應(yīng)噪音刪除、解調(diào)制分析、時(shí)間序列分析等。傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)已經(jīng)被證明在機(jī)械故障學(xué)中非常有用的。然而，在某些應(yīng)用方面仍有困難，如對(duì)存在裂紋的齒輪齒面系統(tǒng)和往復(fù)式動(dòng)力機(jī)汽缸表面的檢測(cè) [8]。由于齒輪裂紋故障產(chǎn)生的沖擊使振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生瞬變，因此，這些待處理的信號(hào)是非穩(wěn)態(tài)信號(hào)。但是，現(xiàn)在大部分廣泛應(yīng)用的信號(hào)處理技術(shù)都是基于穩(wěn)態(tài)信號(hào)假設(shè)的前提條件下，對(duì)處理非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，新型診斷技術(shù)被提出。如：時(shí)間頻率分布、小波分析和更高的次序統(tǒng)計(jì) [15]。 等認(rèn)為快速傅里葉變換（FFT）是眾多用于故障診斷的信號(hào)分析方法中最廣泛使用的方法之一，但是像傳統(tǒng)的信號(hào)分析方法一樣，快速傅里葉變化適用于穩(wěn)態(tài)信號(hào)的分析，而對(duì)于非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，如振動(dòng)信號(hào)，F(xiàn)FT 不適用。由于機(jī)械的故障信號(hào)可能包含在非穩(wěn)態(tài)信號(hào)中，所以非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的分析至關(guān)重要。對(duì)非穩(wěn)態(tài)信號(hào)分析中，常用的有 WignerVille 分布法（ WVD）和短時(shí)傅里葉變換（STFT） 。對(duì)于 WVD，即使信號(hào)的支持區(qū)不相互重疊，對(duì)時(shí)頻平面有干擾，這樣會(huì)誤導(dǎo)信號(hào)分析?；?WVD 的缺點(diǎn)又提出了 ChoiWillams 分布法（CWD）和錐形分布法（CSD）等。而對(duì)于 STFT 缺點(diǎn)在于，對(duì)于所有頻率 STFT 都提供不變的分辨率，由此得到的時(shí)頻分析窗口具有固定的大小，而對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)，需要時(shí)頻窗口具有可調(diào)的性質(zhì)，即要求在高頻部分具有較好的時(shí)間分辨率特性，而在低頻部分具有較好的頻率分辨率特性。基于短時(shí)傅里葉變換的缺點(diǎn)，小波變換和連續(xù)小波變化被提出并被應(yīng)用于故障診斷的各個(gè)階段 [16]。小波變換不同于其他非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的分析方法，是因?yàn)樗拇皩捒梢噪S頻率的增高而縮小，它發(fā)展了加窗傅里葉變換的局部思想，并滿足高頻信息分辨率較高的要求。目前，一般認(rèn)為離散小波分析、多分辨率分析、連續(xù)小波分析及后來(lái)發(fā)展的小波包分析等都是小波理論的不同方面，是在小波理論發(fā)展的過(guò)程中不斷繁衍產(chǎn)生的，這些方面都在故障診斷的應(yīng)用中得到了體現(xiàn) [7]。， 和 基于連續(xù)小波變換提出了平均時(shí)間小波倒頻譜的新概念，在這概念的基礎(chǔ)上建立起兩種故障診斷的新方法：頻譜比較法（SCM）和特征能量北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)5法（FEM） 。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了基于使用 Morlet 小波的連續(xù)小波變換的 TAWS 可以有效地顯示齒輪故障改進(jìn) [8]。李輝等人在通過(guò)分析齒輪箱升降過(guò)程齒輪齒根裂紋的非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)表明，基于角域平均和連續(xù)小波變換的振動(dòng)信號(hào)處理技術(shù)，能充分消除角域采樣信號(hào)中的噪音干擾，提高信號(hào)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 通過(guò)使用小波變換來(lái)分析功率系統(tǒng)瞬態(tài)故障來(lái)檢測(cè)故障位置。行波理論用來(lái)捕捉監(jiān)測(cè)線上故障點(diǎn)和繼電器之間的瞬態(tài)行程時(shí)間。小波變換可以給故障瞬態(tài)的高頻元素提供時(shí)間分辨率。用傳送線的行波理論，把瞬態(tài)信號(hào)分解為模數(shù)元素。通過(guò)使用小波變換把模信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到時(shí)頻域，在兩種最低范圍內(nèi)的小波變換系數(shù)用于各種故障的故障地位 [10]。，和 提出在齒輪振動(dòng)頻率中最重要的元素是輪齒嚙合頻率、齒輪的諧頻和由調(diào)制現(xiàn)象產(chǎn)生的邊頻。邊頻在數(shù)量和振幅上的增加能反映故障狀態(tài)。考慮到一些齒輪副和其他機(jī)器元素的振動(dòng)是全部機(jī)器振動(dòng)的一部分，基于試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其他振動(dòng)分析技術(shù)的應(yīng)用，如倒頻譜、時(shí)間同步平均及相關(guān)技術(shù)、時(shí)頻分布技術(shù)、穩(wěn)態(tài)分析、信號(hào)模仿技術(shù)、高分辨率頻譜分析技術(shù)和高級(jí)統(tǒng)計(jì)方法等的比較，發(fā)現(xiàn)對(duì)于殘余部分振動(dòng)信號(hào)的頻譜相關(guān)密度（SCD）方法和小波變換（WT）方法對(duì)齒輪裂紋診斷非常有效的技術(shù)。Jamal Moshtagh 和 通過(guò)使用小波變換技術(shù)提出基于EMTP 軟件的分析功率分布系統(tǒng)瞬變信號(hào)的新方法，因?yàn)橛懈玫臅r(shí)間和頻率的定位特點(diǎn)，這種方法比起 FFT 和 STFT 都有明顯優(yōu)勢(shì)。之后又基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）精確故障定位技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)基于結(jié)合 WT 和 ANN 的技術(shù)在故障診斷的研究中是非常有效地。TW 可以相當(dāng)有效地從 DS 瞬變信號(hào)中提取重要的時(shí)頻特征，而 ANN 方法能夠在故障分類和故障定位中提供非常高精度 [11]。而目前的齒輪故障診斷研究主要集中在振動(dòng)信號(hào)處理與分析、故障機(jī)理研究、典型故障特征提取、診斷方法研究和人工智能診斷的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1) 機(jī)理研究：故障機(jī)理研究是為了將故障隱患消除在設(shè)計(jì)階段。一般從機(jī)械動(dòng)力學(xué)出發(fā)，研究故障的原因和現(xiàn)象。齒輪故障的原因主要有制造誤差、裝配不良、超載、操作失誤等方面，在齒輪箱的部件實(shí)效中齒輪所占的比重約為 60%，所以在齒輪箱的故障診斷中主要是齒輪診斷。(2) 信號(hào)處理技術(shù)：振動(dòng)信號(hào)的處理和分析方法也在突飛猛進(jìn)，早期信號(hào)提取主要借助于傅里葉變換，但是計(jì)算量很大，直到 FFT 出現(xiàn)以后，經(jīng)典信號(hào)分析方法才得到北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)6迅猛發(fā)展。然而傅里葉變換存在頻率成分的分辨率不高、頻譜圖有畸變、隨機(jī)起伏不光滑等缺陷。而現(xiàn)在小波分析是正在迅速發(fā)展的一種新分析方法，具有良好的時(shí)頻局部化特性和特別的去噪能力，因此在故障診斷中得到了廣泛的應(yīng)用并取得了一定的成果。基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾牡湫托盘?hào)處理方法的也在逐步被廣泛應(yīng)用，尤其在信號(hào)特征提取方面有廣泛的應(yīng)用。第 節(jié) 本文研究的主要內(nèi)容本文以齒輪故障診斷試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生的齒輪振動(dòng)信號(hào)為研究對(duì)象，依據(jù)齒輪故障診斷的相關(guān)理論與分析方法，從振動(dòng)信號(hào)中獲取信息，經(jīng)過(guò)分析和處理提取故障特征信息。本文從時(shí)域分析，頻域分析，時(shí)頻分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾确矫娑歼M(jìn)行了相關(guān)分析，重點(diǎn)是通過(guò) MZTLAB 軟件用小波變換和 EMD 對(duì)齒輪故障進(jìn)行診斷分析。第二章介紹了本文中四種齒輪振動(dòng)信號(hào)的來(lái)源，并對(duì)信號(hào)分析及處理中借助的MATLAB 軟件進(jìn)行簡(jiǎn)介。 第三章介紹了時(shí)頻分析方法的應(yīng)用，重點(diǎn)使用一維三層離散小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。第四章介紹經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾脑硪约盎诮?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾凝X輪故障信號(hào)特征提取，主要從高頻、中頻、低頻上進(jìn)行 EMD 分解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)齒輪故障診斷分析。第五章結(jié)論。第 節(jié) 本章小結(jié)在齒輪的振動(dòng)信號(hào)為參量的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中，因設(shè)備變工況運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、負(fù)荷變化以及因故障產(chǎn)生大量的沖擊、摩擦等狀況，導(dǎo)致非平穩(wěn)信號(hào)的產(chǎn)生。因此基于非平穩(wěn)信號(hào)處理的方法應(yīng)運(yùn)而生。小波分析作為一種全新的信號(hào)分析手段，在信號(hào)的特征提取方面具有傳統(tǒng)傅立葉分析無(wú)可比擬的優(yōu)越性，因此對(duì)于齒輪故障這樣的復(fù)雜信號(hào)，小波分析是比較合適的信號(hào)處理方法。而EMD 方法是一種自適應(yīng)的信號(hào)分解方法，能把復(fù)雜的信號(hào)分解為有限的基本模式分量(IMF)之和，每一個(gè)IMF分量可以是幅度或頻率調(diào)制的。因此，可以有效地提取齒輪故障振動(dòng)信號(hào)中的故障信息。北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)7第 2 章 齒輪故障診斷基礎(chǔ)齒輪傳動(dòng)是應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械傳動(dòng)方式，齒輪傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)功率和速度的范圍很廣，傳動(dòng)比精確、可靠，傳動(dòng)效率較高，工作可靠，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊。因此在眾多機(jī)械設(shè)備中都采用了齒輪傳動(dòng)的方式，小到玩具汽車，大到輪船、飛機(jī)，甚至一些與國(guó)民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)的大型機(jī)械裝置。長(zhǎng)時(shí)間使用的齒輪必然會(huì)失效。由于齒輪傳動(dòng)的環(huán)境不同失效的形式也是不盡相同的，但無(wú)論是哪種失效形式都會(huì)對(duì)機(jī)械裝置產(chǎn)生影響，小到機(jī)械振動(dòng)加劇，大到機(jī)毀人亡的慘劇。所以，對(duì)齒輪故障的診斷顯得尤為重要。所謂防患于未然，在悲劇發(fā)生前，診斷出齒輪或齒輪箱的故障，從而停止或更換失效齒輪，避免事故產(chǎn)生。第 節(jié) 齒輪故障常見形式通常齒輪投入使用后，要是操作維護(hù)不善或者制造不良的話，就會(huì)致使齒輪失去正常功能而失效。常見的齒輪失效形式有：齒輪磨損、齒面膠合和擦傷、齒面接觸疲勞、彎曲疲勞和斷齒。 齒面磨損齒輪在嚙合過(guò)程中，往往會(huì)在齒輪接觸表面上出現(xiàn)材料摩擦損傷的現(xiàn)象，要是損傷量不影響齒輪在預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)具備的功能的磨損，成為正常磨損。要是齒輪使用不當(dāng)，或者在接觸面間存在硬質(zhì)顆粒，及潤(rùn)滑油供應(yīng)不足或者清潔不到位，就會(huì)引起齒輪的早期磨損，有細(xì)小的顆粒分散出來(lái)，致使接觸表面發(fā)生尺寸變化，重量損失，并使齒形改變，齒厚變薄，噪聲增大等嚴(yán)重磨損，并使齒輪失效。磨損失效形式有磨粒磨損、腐蝕磨損和齒輪斷面沖擊磨損。北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)8 齒面膠合和擦傷 齒輪兩嚙合齒面的金屬發(fā)生膠合磨損是在一定壓力下直接接觸的，焊合后有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，金屬?gòu)凝X面撕落，或從一個(gè)齒面向另一個(gè)齒面轉(zhuǎn)移而引起損傷的現(xiàn)象，這是一種比較嚴(yán)重的損傷形態(tài)。它通過(guò)接觸面局部發(fā)生粘合，導(dǎo)致接觸面上有小顆粒被拉拽出來(lái)，這樣反復(fù)進(jìn)行多次運(yùn)動(dòng)而使齒面發(fā)生破壞。齒面膠合和擦傷一般發(fā)生在重載或高速的齒輪傳動(dòng)中，主要是由于潤(rùn)滑條件不適合而導(dǎo)致齒面間的油膜破裂。 齒面接觸疲勞（點(diǎn)蝕、削落）齒輪在嚙合過(guò)程中，既有相對(duì)滾動(dòng)，也有相對(duì)滑動(dòng)。這兩種力的作用使齒輪表面層深處產(chǎn)生脈動(dòng)循環(huán)變化的作用力，在作用力下會(huì)產(chǎn)生微觀的疲勞裂紋。潤(rùn)滑油進(jìn)入裂紋后，在嚙合過(guò)程中將裂紋封閉和擠壓，潤(rùn)滑油在高壓下促使疲勞裂紋蔓延和擴(kuò)展，就將齒表面的金屬微粒剝落，會(huì)形成許多麻點(diǎn)（凹坑） ，這種破壞方式就是“點(diǎn)蝕” 。如果表面的疲勞裂紋擴(kuò)展得較深、較遠(yuǎn)，將許許多多麻點(diǎn)連接起來(lái)，造成大塊金屬脫落，這種現(xiàn)象就成為“剝落” 。剝落和點(diǎn)蝕形成的機(jī)理相同，無(wú)本質(zhì)區(qū)別，只是程度不同而已。 彎曲疲勞和斷齒對(duì)于齒輪的彎曲疲勞，診斷的重點(diǎn)在裂紋擴(kuò)展期。齒輪彎曲疲勞斷口的特征有明顯的三個(gè)區(qū)域：裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終瞬斷區(qū)。齒輪承受載荷，如同懸梁臂，其根部受到脈動(dòng)循環(huán)的彎曲應(yīng)力作用，當(dāng)這種周期性的應(yīng)力過(guò)高時(shí)，就會(huì)在根部產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展。當(dāng)剩余部分無(wú)法承擔(dān)外載荷時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷齒。在齒輪工作中，由于嚴(yán)重的沖擊和過(guò)載接觸線上的過(guò)分的偏載以及材質(zhì)不勻都會(huì)引起斷齒。常見的斷齒形式有整個(gè)齒輪沿輪跟的彎曲疲勞斷裂、齒輪局部斷裂和齒輪出現(xiàn)裂紋等。北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)9第 節(jié) 齒輪常見故障征兆 設(shè)備在外觀方面的故障征兆（1（ 異常響聲、異常振動(dòng)設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的非正常聲響，是設(shè)備故障的“報(bào)警器” 。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中振動(dòng)劇烈。（2（ 泡冒滴漏設(shè)備的潤(rùn)滑油、齒輪油、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系油液、制動(dòng)液等出現(xiàn)滲漏。壓縮空氣等出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象有時(shí)是可以明顯地聽到漏氣的聲音。（3（ 有特殊氣味電動(dòng)機(jī)過(guò)熱、潤(rùn)滑油竄缸燃燒時(shí)，會(huì)發(fā)散出一種特殊的氣味。電路短路、搭鐵導(dǎo)線等絕緣材料燒毀時(shí)會(huì)有焦糊味。 齒輪在性能方面的故障征兆（1（ 功能異常指設(shè)備的工作狀況出現(xiàn)的不正常現(xiàn)象。例如：設(shè)備啟動(dòng)困難、啟動(dòng)慢、不能正常啟動(dòng)、突然自動(dòng)停機(jī)、功率不足、速率降低、生產(chǎn)效率降低等。這種故障的征兆比較明顯，容易察覺。（2（ 過(guò)熱高溫一種原因是冷卻系統(tǒng)有問(wèn)題，是缺冷卻液或冷卻泵不工作。如果是齒輪、軸承等部位過(guò)熱，多半是因?yàn)槿睗?rùn)滑油所導(dǎo)致。油、水溫度過(guò)高或過(guò)低，設(shè)備過(guò)熱現(xiàn)象有時(shí)可以通過(guò)儀表板、警示燈反應(yīng)出來(lái)，但是有時(shí)還需要進(jìn)行溫度點(diǎn)檢才能檢查出來(lái)。（3（ 潤(rùn)滑油出現(xiàn)異常潤(rùn)滑油變質(zhì)較正常時(shí)間較快，可能與溫度過(guò)高等有關(guān)系。潤(rùn)滑油中金屬顆粒較多，一般與軸承等摩擦有關(guān)，可能需要更換軸承等磨損件。（4（ 電學(xué)效應(yīng)：電阻、導(dǎo)電性、絕緣強(qiáng)度和電位等變化。北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)10第 節(jié) 齒輪振動(dòng)信號(hào)的特征分析齒輪振動(dòng)信號(hào)的獲取，是通過(guò)安裝在齒輪箱上的傳感器采集。得到的是離散信號(hào)，通過(guò)對(duì)離散信號(hào)的分析，找出齒輪故障特征，從而對(duì)齒輪故障進(jìn)行診斷。這包括時(shí)域和頻域的分析及故障特征提取。 齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其各次諧波齒輪—軸系統(tǒng)的不平衡引起的離心慣性力，使齒輪一軸系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近齒輪—軸系統(tǒng)橫向振動(dòng)的固有頻率時(shí)，將產(chǎn)生臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象，轉(zhuǎn)軸大幅度的變形，又會(huì)惡化齒輪的嚙合關(guān)系，造成更大的振動(dòng)。在對(duì)于齒輪出現(xiàn)斷裂時(shí)，每轉(zhuǎn)一圈中輪齒猛烈沖擊一次，展開為傅立葉級(jí)數(shù)，其頻率結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其諧波。齒輪及軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率 為 [12]：???? (21)式中， 為齒輪及軸的轉(zhuǎn)速（r/min） 。??齒輪—軸轉(zhuǎn)頻的各次諧頻為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率 的整數(shù)倍，如 2 、3 …。???? ???? ???? 齒輪的嚙合頻率 一對(duì)嚙合齒輪，可以看作是一個(gè)具有質(zhì)量、彈簧和阻尼的振動(dòng)系統(tǒng)，其振動(dòng)方程為：