陈明华，陈海林，江建忠
摘要：齿轮故障通常具有相似的现象，即振动和噪声明显增加，但产生齿轮故障的原因却很难从表象作出判断。本文从振动分析的角度阐述齿轮振动的时域与频域特征，并结合实测案例进行分析。
关键词：齿轮故障；振动特征；时域；频域；案例分析
齿轮传动的常见故障有齿断裂，齿磨损，齿面疲劳（点蚀、剥落）和齿轮安装不当。
由结构和工作时受力条件决定，齿轮传动的振动信号较为复杂，故障诊断需同时进行时域与频域分析。齿轮工作过程中的故障信号频率基本表现为两部分，一为啮合频率及其谐波（高频部分）构成的载波信号；二为低频成分的幅值和相位变化所构成的调制信号。
1．啮合频率及其谐波
当轮齿进入或脱离啮合时，载荷和刚度均突然增大或减小，形成啮合冲击。齿轮啮合频率为fm=f1"Zl=f2"Z2，当齿轮出现故障时，将引起啮合频率及其各次谐波幅值的变化。
2．幅值调制和频率调制所构成的边频带
(1)幅值调制。
幅值调制相当于两个信号在时域上相乘。假定载波信号为g(t)，调制信号为e(t)，则调制后的时域总信号为
X(t)=g(t)"e(t)
将上式转换到频域上，则为X(f)＝G(f)"E(f).通常幅度调制的调制频率为旋转频率。
(2)频率调制。
齿轮的转速波动，若载波信号为Asin(2пfmt+φ0)，调制信号为βsin2пfmt，频率调制可表示为x(t)=Asin。频率调制不仅产生围绕啮合频率fm的一族边频带，而且在相位信号中产生一个正弦波。通常频率调制的频率为分度不均匀齿轮的转频。实际上，齿轮故障中调幅与调频现象可能同时存在，因而在频谱上得到调幅与调频综合影响下形成的边频带。
3．由齿轮转频的低次谐波构成的附加脉冲
齿轮的低频故障（不平衡、不对中等）也会对齿轮振动时域波形产生影响，但不会在齿轮频率两侧产生边频带。
4．由齿轮加工误差形成的隐含成分。
该成分的振动通常由加工机床分度齿轮误差造成，它对齿轮的整体运行影响很小。
以下是一个齿轮故障的案例分析。
1．某采油平台原油外输泵（螺杆泵）传动齿轮局部断齿
(1)设备形式及参数。电机驱动直联双螺杆泵，螺杆之间以同步齿轮传动，齿轮齿数z=67;电机转速n=995r/min(16.57Hz)。
(2)故障现象。泵的非驱动端（同步齿轮安装在此侧）振动速度值增加，图1、图2是时域波形及频谱图。
图3是图2的局部细化谱。
(3)振动特征及分析。在时域波形图中(图1)出现明显的冲击峰值，表明齿轮可能存在局部缺陷；频谱图(图2)中有齿轮啮合频率及二倍谐频，边频丰富，从图3可以看到，边频为转子工频，这说明啮合频率的振动幅值被转子工频冲击振动调制。
图1时域波形图
图2频谱图
图3二倍啮合频率局部放大图
(4)结论。齿轮局部缺陷。
齿轮箱拆检后发现齿轮局部断齿，缺陷齿共五个。
2．某浮式储油轮热介质提升泵齿轮啮合不良
(1)设备形式与参数。电机驱动直联齿轮泵，电机转速n=1478r/min、齿轮齿数z=12。
(2)故障现象。该泵运行时发出连续尖啸，非驱动端轴承温度偏高。非驱动端轴承位置的时域和频域谱见图4、图5。
(3)振动特征及分析。时域图中有很高的冲击值，频谱图中存在较高峰值的齿轮啮合频率及二倍频，且其振动速度值高于一倍频，但边频很少且幅值较低，表明齿轮啮合频率的振动并不是由于齿轮本身缺陷造成；齿轮泵非驱动端轴承温度偏高。
图4时域图
图5频谱图
(4)诊断结论。由此可以判断，该齿轮泵齿轮啮合严重不良，主要原因是两齿轮轴平行度超差。
拆检后发现齿轮泵非驱动端的滑动轴承偏磨，造成两齿轮中心线不平行，导致齿轮啮合故障。更换轴瓦后，设备运行正常。
参考文献：
沈庆根．化工机器故障诊断技术．浙江大学出版社出版，1994.12.