齒輪斷齒故障的振動特征分析
一、
齒輪振動原理
齒輪傳動系統是一個彈性的機械系統，由于結構和運動關系的原因，存在著運動和力的非平穩性。如圖1所示，O
1是主動輪的軸心，O
2是被動輪的軸心。假定主動輪以ω1作勻角速度運動，A、B分別為兩個嚙合點，則有O
1A>O
1B，即A點的線速度V
A大于B點的線速度V
B。而O
2A<O
2B，從理論上有ω2=V
B/O
2B、ω3=V
A/O
2A，則ω2<ω3。
然而A、B又是被動輪的嚙合點，當齒輪副（兩個相嚙合的齒輪組成的基本傳動單元）只有一個嚙合點時，隨著嚙合點沿嚙合線移動，被動輪的角速度存在波動；當有兩個嚙合點時，因為只能有一個角速度，因而在嚙合的輪齒上產生彈性變形，這個彈性變形力隨嚙合點的位置、輪齒的剛度以及嚙合的進入和脫開而變化，是一個隨時間變化的力F
C(t)。
圖 1 齒輪副的運動學分析示意圖
一、
邊頻帶
由于傳遞的扭矩也隨著嚙合而改變，它作用到轉軸上，使轉軸發生扭振。而轉軸上由于鍵槽等非均布結構的存在，軸的各向剛度不同，剛度變動的周期與軸的周轉時間一致，激發的扭振振幅也就按轉軸的轉頻變動。這個扭振對齒輪的嚙合振動產生了調制作用，從而在齒輪嚙合頻率的兩邊產生出以軸頻為間隔的邊頻帶。
邊頻帶也是齒輪振動的特征頻率，嚙合的異常狀況反映到邊頻帶，造成邊頻帶的分布和形態都發生改變。可以說，邊頻帶包含了齒輪故障的豐富信息。
二、
齒輪典型故障-齒輪斷齒
如圖2、圖3所示，對比正常齒輪與斷齒齒輪的時域圖和頻域圖，可以得出以下結論：
時域特征：振動幅值與峰值明顯升高（正常齒輪的振動峰值處于1.5水平，而斷齒齒輪的振動峰值升至3），邊頻帶間隔與故障齒輪的轉頻一致，并出現周期性沖擊信號。
頻域特征：嚙合頻率幅值顯著增強（正常齒輪的頻率值約為1.25，而斷齒齒輪的頻率值達到約0.4），邊頻帶間隔同樣與故障齒輪的轉頻一致。
沖擊特征：斷齒會導致明顯的周期性沖擊，沖擊間隔與齒輪的旋轉周期相關。
圖 2 平行軸齒輪箱正常齒輪實測圖
圖 3 平行軸齒輪箱齒輪斷齒實測圖
如果您對齒輪故障實驗感興趣，以下幾款實驗平臺
可供參考和選擇：
HD-CL-012P 平行軸齒輪箱故障模擬實驗臺
本實驗系統由平臺底板、三相變頻電機、動態扭矩傳感器、平行軸齒輪箱、轉矩加載系統、聯軸器、循環冷卻系統、試驗臺控制系統組成。整體設備尺寸為1400mm×500mm×330mm。
圖4
平臺采用鋼結構焊接；驅動電機采用額定電壓380V、額定功率3kW的三相變頻電機；采用量程為±50N.m，扭矩輸出為-5~+5V的動態扭矩傳感器；平行軸齒輪箱中有高速軸斜齒齒輪和低速軸斜齒齒輪，高速軸斜齒齒輪模數為1.5、齒數為21、螺旋角為15°，低速軸斜齒齒輪模數為1.5、齒數為82、螺旋角為15°，速比均為3.9:1；轉矩加載系統的額定轉矩為50N.m、額定電壓為24V、有自動循環水冷散熱連鎖保護設備。控制系統帶有10寸觸摸屏，實時顯示轉速、轉矩、電壓、電流等參數。
可以搭配低速軸齒輪故障套件（包含齒輪斷齒、點蝕、磨損、裂紋）、高速軸齒輪故障套件（包含齒輪斷齒、點蝕、磨損、裂紋），完成與齒輪相關的各類故障實驗。
此外，還可以將平行軸齒輪箱換成行星齒輪箱，完成齒圈故障模擬實驗、行星輪故障模擬實驗、太陽輪故障模擬實驗。
圖5 LY-SCL-03P 小型轉子平行軸齒輪箱故障模擬實驗臺
本實驗系統由伺服電機、轉子系統、傳感器安裝支架、聯軸器、平行軸齒輪箱、轉矩加載系統、平臺底板、試驗臺控制系統等組成。整體設備尺寸為1000mm×350mm×365mm。
平臺采用鋼結構焊接平臺；驅動電機采用額定電壓220V、額定功率0.4kW的伺服電機；采用周圍均分12孔位的鋁合金平衡盤，可通過添加質量塊完成不平衡實驗；平行軸齒輪箱中有高速軸齒輪和低速軸齒輪，高速軸齒輪模數為2、齒數為17，低速軸齒輪模數為2、齒數為39，螺旋角均為15°、壓力角均為20°、速比均為2.29:1；轉矩加載系統的額定轉矩為2.5N.m、許用轉速為1500rpm。控制系統帶有7寸觸摸屏，實時顯示轉速、轉矩大小。
可以搭配低速軸齒輪故障套件（包含齒輪斷齒、點蝕、磨損、裂紋）、高速軸齒輪故障套件（包含齒輪斷齒、點蝕、磨損、裂紋），完成與齒輪相關的各類故障實驗。
此外，還可以將平行軸齒輪箱換成行星齒輪箱，完成齒圈故障模擬實驗、行星輪故障模擬實驗、太陽輪故障模擬實驗。
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