齿轮传动是机械设备中最常用而且最重要的传动方式，它在航空、航天、机械等各个工业部门都获得了广泛的应用。随着齿轮减速机的广泛使用和向高速、重载并要求振动小、噪声低以提高寿命和改善运行环境的方向发展，齿轮的振动问题尤其是带有齿侧间隙的齿轮振动问题已逐渐成为一个需要深入研究的突出问题。另外，为了防止齿轮减速机在工作时发生突发性事故和更好地延长齿轮轴系部件的寿命，需对具体的齿轮减速机设备进行在线监测和智能故障诊断方面的研究。
第二章对带有齿侧间隙和偏心质量的齿轮系统（该系统是一个非线性时变系统）的振动问题进行了数值研究，研究结果表明：在齿轮工作转速和载荷不变时，齿侧间隙的变化对齿轮故障振动频率有很大的影响，即当齿侧间隙增加时，齿轮故障振动频率成份不仅有啮合频率的整数倍，而且还有啮合频率的分数倍，即产生亚谐波和超谐波；工作转速对齿轮振动故障频率也有影响，当转速达到一定数值时，工作转速越高，齿轮故障振动频率分数成份越明显；工作载荷幅值的变化对齿轮振动故障频率也有影响，轻载时，齿轮故障振动频率无分数成份，中载和重载时，载荷越大，齿轮故障振动频率分数成份越明显；在分析齿轮的扭转振动故障频率时，由于齿轮轮齿的动力耦合，必须考虑齿轮的偏心质量的影响。
第三章对齿轮减速机的故障振动信号拾取方法进行了研究，研究结果表明：ICP型加速度传感器由于把压电传感器和阻抗变换器一起做在传感器中，因而传感器的输出为低阻抗的电压，信号传输距离远，稳定性好、可靠性高，是值得推荐的在齿轮减速机上监测使用的加速度传感器；文中还提出了一种利用在齿轮传动装置轴承外圈套圈上拾取应变信号来监测齿轮传动装置内的轴系部件的振动故障信号的方法，该方法能直接全部反映齿轮传动装置内的轴系部件的振动故障信号，对此信号进行分析，可对齿轮传动装置内的轴系部件进行较正确的故障诊断。
第四章对齿轮减速机的齿轮轴系部件故障振动频率计算公式进行了总结研究，并推出了重载齿轮减速机中常用的调心滚子轴承的故障振动频率计算公式；文中还用基于变时基技术为基础的冲击激励模态分析方法对减速机箱盖模态进行了分析，通过对减速机箱盖的模态分析可以为减速机传动件的准确故障诊断阳传感器安装位置提供帮助。
第五章从设备特点、设备故障分析、设备监测和故障诊断原理和监测系统硬件及软件三方面介绍了清华大学设计和研究的THMDS在线信号监测与故障诊断系统，该系统主要功能是完成某大型钢铁厂关键设备振动、位移、转速、温度、电流言号的拾取、放大、滤波、数据采集、数据处理与数据网络传输及在线长期监测，在发生运行异常及故障时及时报警和智能故障诊断。
第六章先从模式识别的角度较为详细地讨论了神经网络技术在大型旋转机械故章诊断中的应用，研究了改进的BP算法对网络训练速度的影响，结果表明该方法可提高网络训练速度70%。本章还研究了故障振动趋势预报，对采集的平稳时间序列可采用较简单的AR（M）模型建模和故障振动趋势分析；对采集的非平隐时间序列可采用较实用的GM(l,1）模型及AR（M）组合模型建模和故障振动趋势分析；神经网络组合预报模型可提高参与组合的传统时间序列预报方法的预报精度。
关键词：齿轮振动，在线监测，故障诊断、
第一章概论
1.1本课题研究目的和意义
齿轮传动是机械设备中最常用而且最重要的传动方式，它在航空、航天、冶金、交通、机械和仪表制造等各个工业部门都获得了最广泛的应用。随着齿轮减速机的广泛使用和向高速和重载及振动小、噪声低的方向发展，齿轮的振动问题也逐渐成为一个突出的问题需要深入研究。
齿轮在传动过程中，轮齿是不断地处在一齿与两齿交替咬合状态，对于斜齿轮，是不断地处在两齿与三齿交替咬合状态。当齿侧有间隙时，此时的振动体系是时变的非线性系统；轮齿间隙过大时还会出现瞬时脱齿状态。因此，齿轮所产生的振动除了和轮齿啮合刚度时变性有关外，还和齿轮的制造误差（如质量偏心、齿距偏差和齿形误差）、装配不良（如两个齿轮轴心线不平行）、齿轮正常损伤（如齿轮正常磨损等）和齿轮非正常损伤（如齿面疲劳点蚀、齿面剥落、齿面烧伤、塑性变形和胶合撕伤等）有关。人们一般都认为，齿轮在振动时其振动故障频率为齿轮啮合频率的n倍（n=l,2,3，…），但实际情况并不完全如此，如在图1-1中，齿轮振动故障频率为齿轮啮合频率的1/3、2/3和3/3倍，振动速度的幅值也较齿轮正常时大一些；在另外一些场合，齿轮振动故障频率为n/m倍（n,m皆为正整数）。因此很有必要对产生分数倍亚谐和超谐振动的原因作深入的研究工作。
设备的在线监测和故障诊断技术是以现代科学中的系统论、可靠性理论、失效理论、人工智能、力学和信号处理为理论基础，以包括传感器在内的仪器设备和计算机技术为手段，结合各对象的特殊规律性而迅速发展起来的一门技术科学。在现代化生产中，机械设备的在线监测和故障诊断技术越来越受到重视，在连续生产系统中，如果某台关键设备出现故障而又未能及时发现和排除，其结果是不仅会导致其本身损坏、不能继续运行，往往还会导致整个生产系统设备停止运行甚至报废、机毁人亡而造成巨大经济损失。因此，对于连续生产系统，设备的在线监测和故障诊断具有极为重要的意义。在我国各大型工矿企业中，现有大量老设备、老机组服役已接近其寿命期，有的甚至超期服役，进入“损耗故障期”，故障率增多，这些设备如全部更新经济负担很重，此时如有完善的在线监测和故障诊断系统，定将能延长设备的使用期。
人们在对旋转机械进行故障诊断时，往往只注意传动零件的振动故障频率分析计算，而忽略箱体和机架的固有频率的计算，这样一来会造成有的频率成份来历不明，不知如何分析，因而对准确地诊断旋转机械故障造成了一定困难。因此，采用比较精确的手段对箱体和机架进行模态分析是十分必要的。
1.2文献综述
齿轮在传动时由于各种因素的影响，一对啮合轮齿齿侧之间会有间隙，带有齿侧间隙的齿轮传动系统成为非线性时变振动系统，对它的研究国外起始于1967年KNakamura的研究。七、八十年代的主要研究者有SDubowsky(1971)、RCAzar(1977)、CCWang(1978)、TNayashi（1979)、DCH.Yang(1985)和SVNeriya(1988)，主要利用数值仿真从时域分析研究了齿轮系统的振动特性。FKucnkay(1984）也进行了高速齿轮系统间隙问题的研究，他考虑了啮合刚度的时变性，并研究了由于啮合刚度时变的参数激励而引起的动力稳定性问题。JTheissen等（1985)讨论了具有间隙的齿轮传动在交变载荷作用下的动载荷问题，文中从试验和理论分析两方面研究了当从动轴扭矩方向改变时，由于啮合中轮齿侧面的交替工作，齿侧间隙对轮齿传动载荷的影响。从九十年代初开始，美国俄亥俄州立大学的AKaharman等利用数值仿真和谐波平衡法对具有齿侧间隙的齿轮系统振动问题进行了研究。1990年，AKaharman等分析了一对直齿轮的间隙非线性动态特性，并考虑了由机床加工齿轮时机床传递误差引起的齿轮误差激励的影响，并比较了齿轮误差激励和外载荷变化激励对齿轮系统振动影响的差别。1991年，AKaharman等又研究了由齿轮、轴和轴承组成的多自由度系统，同时考虑了滚动轴承径向间隙和齿侧间隙的影响，但文中假定齿轮啮合刚度是时不变的，文中从时域上讨论了齿轮误差激励和外载荷变化激励、轴承刚度与齿轮啮合刚度之比等因素对非线性振动特性的影响。同年，又分析了同时考虑齿轮间隙非线性和啮合刚度时变性的齿轮-传动轴-支撑轴承系统，研究结果表明啮合刚度的时变性与齿轮侧隙非线性间具有很强的耦合性，而齿轮侧隙与轴承径向间隙间的耦合性较弱。1997年，AKaharman等从实验上验证了当存在齿轮侧隙时，齿轮-传动轴-支撑轴承系统会产生亚谐和超谐共振。同年，FKChoy等在一篇论文中提到，用齿轮啮合刚度相位和幅值的变化模拟齿轮轮齿表面的点蚀和磨损来分析齿轮系统的振动特性，齿轮系统振动响应中有啮合频率的分数成份。与国外相比，国内对带有齿侧间隙的齿轮故障振动机理的研究起步较晚，目前大都还仅限于无齿侧间隙的振动问题的研究。韩捷（1997年）等在齿轮系统振动力学模型上考虑了齿侧间隙的存在。王建军（1995年）从力学模型上考虑了齿侧间隙的存在，并考虑了齿轮偏心带来的轮齿间的动力耦合。王建军（1995年）在较系统总结研究国外学者研究齿轮间隙非线性振动问题研究成果的基础上，指出齿侧间隙问题的振动机理和频谱特性还需作进一步的研究。
综上所说，对在非共振状态下带有齿侧间隙的齿轮系统是否有亚谐或超谐振动及齿轮侧隙和载荷的变化对齿轮振动频率的影响等问题，需作进一步的理论分析或数值计算，并把研究成果用于实际齿轮传动装置的故障诊断中。