旋轉機械齒輪斷齒障的診斷與特征分析
旋轉機械在運行過程中，由于制造工藝問題、過載沖擊、疲勞損傷、潤滑不足或安裝不當?shù)仍颍３霈F(xiàn)齒輪斷齒現(xiàn)象。
斷齒是齒輪箱中嚴重的故障之一，會導致設備劇烈振動、傳動失效甚至整機停機。準確識別斷齒的類型與特征，對于設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷具有重要意義。
一、齒輪振動的基本原理
齒輪在嚙合過程中，齒面間的剛度呈周期性變化，形成時變嚙合剛度。這是齒輪振動的主要激勵源。齒輪嚙合振動是指在正常工作狀態(tài)下，由于嚙合剛度周期性變化而產(chǎn)生的持續(xù)振動現(xiàn)象。
根據(jù)振動力學公式：A=F/U（A為振幅，F(xiàn)為振動力，U為綜合剛度），嚙合過程中振動力F（主要為轉子不平衡力）基本不變；質量和阻尼無明顯變化；而剛度隨每對齒的嚙合呈現(xiàn)可重復變化，由此形成齒輪嚙合的故障特征頻率——齒輪嚙合頻率GMF。
嚙合頻率的計算公式為：
f
m=N×n/60
其中f
m為嚙合頻率（Hz），N為齒輪齒數(shù)，n為齒輪轉速（rpm）。
二、斷齒的基本特點
l 頻率成分：振動頻譜中包含齒輪的嚙合頻率及其邊頻帶，邊頻間隔等于故障齒輪的旋轉頻率。當斷齒發(fā)生時，嚙合頻率幅值顯著上升，邊頻帶數(shù)量增多且幅值提升。
l 方向特點：振動在徑向和軸向均較為明顯，尤其是徑向振動更為突出。振動幅值隨負載提升而急劇上升，可能出現(xiàn)沖擊性振動。
l 伴隨現(xiàn)象：運行時通常伴有周期性沖擊聲，嚴重時可聽到金屬撞擊或碎裂聲。油液中常可檢測到金屬屑粒。
三、
斷齒的表現(xiàn)形式
（1）局部斷齒
l 成因：通常由過載沖擊或局部疲勞引起。
l 振動特征：主要振動方向為徑向，軸向振動相對較小；主要頻率成分為嚙合頻率及其邊頻；時域波形中出現(xiàn)周期性沖擊脈沖，脈沖間隔與故障齒輪的旋轉周期一致；
l 相位特征：沖擊信號在時域中具有明顯的周期性；徑向振動相位在沖擊點發(fā)生突變。
（2）
整齒斷裂
l - 成因：通常由嚴重過載或材料問題導致
l -振動特征：主要振動方向仍為徑向，軸向振動提升，但仍小于徑向。嚙合頻率下降伴有多階諧波；時域波形中出現(xiàn)大幅值沖擊，伴隨周期性振動衰減；
l 相位特征：沖擊間隔與齒輪旋轉周期一致；徑向相位在斷齒通過嚙合區(qū)時發(fā)生劇烈變化。
（3）
多齒斷裂
l -成因：通常由嚴重疲勞或長期過載運行引起
l 振動特征：徑向和軸向振動均非常顯著；頻譜中嚙合頻率幅值下降，邊帶豐富，常伴有高階諧波；時域波形中出現(xiàn)連續(xù)沖擊，振動大幅上升。
l 相位特征：相位穩(wěn)定性差，周期性不明顯；沖擊間隔不規(guī)則，反映多齒損傷的復雜性。
l -特殊表現(xiàn)：振動易受負載影響，往往同時出現(xiàn)溫度上升和噪聲增強；嚴重時可能導致設備跳閘或保護停機。
四、
平行齒輪箱-齒輪斷齒實驗
實驗目的
(1) 掌握齒輪斷齒故障的物理成因及其對傳動系統(tǒng)的影響。
(2) 熟悉加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和振動分析軟件的使用。
(3) 學會通過頻譜、時域波形、相位分析等手段識別斷齒故障的典型特征。
(4) 將理論知識與實驗數(shù)據(jù)結合，做出正確的診斷結論。
實驗裝置
主體設備：HD-CL-012P 齒輪箱故障模擬實驗臺
采集設備：振動加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集器
故障件：高速軸齒輪—單齒斷裂1/2
實驗步驟
準備工作：
檢查實驗臺各連接部件是否牢固，潤滑系統(tǒng)是否正常。
啟動實驗臺，在齒輪完好的狀態(tài)下，采集一組基準數(shù)據(jù)（包括轉速、各測點的頻譜、時域波形和相位），作為后續(xù)對比分析的基準。
斷齒實驗：
將正常高速軸齒輪更換為帶單齒斷裂1/2故障的高速軸齒輪。
啟動實驗臺至額定轉速（1200 rpm）。
待運行穩(wěn)定后，采集所有測點的振動數(shù)據(jù)（頻譜、時域波形、相位）。
記錄采集時間及設備運行狀態(tài)。
結束工作：
實驗結束后，更換回完好齒輪。
關閉所有設備電源，整理實驗數(shù)據(jù)與器材。
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