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齿轮箱专用振动信号分析方法

齿轮箱振动信号的特点是频率成分复杂，存在大量的调制现象，并且齿轮箱

（特别是行星齿轮箱）内部的故障信号传递路径长，冲击脉冲比较弱，易受其他

信号干扰，被幅值大的转动轴振动信号掩盖，基本的频谱分析有时效果不理想，

需要根据结构特点，采用一些专用的分析方法

一、多轴系阶比跟踪技术

计算阶比跟踪技术（ComputedOrderTracking）对齿轮箱分析非常适用，特

别是变速齿轮箱的低速轴分析，由于转速低，测量5-10个转动周期需要耗时很

长，加上转速变动，如果不做阶比跟踪采集，得到的振动信号直接做FFT，频谱

存在非常严重的“模糊”现象（谱线相互重叠，不清晰，不便于故障识别和分析）。

图1：阶比跟踪采样

图2：普通频谱分析

图3：计算阶比跟踪分析

图4：计算阶比跟踪分析局部放大（啮合频率和边带明显）

齿轮箱类设备因为有多个齿轮轴，采用多轴系阶比跟踪分析，很多时候分析

结果非常直观，直接从不同转轴的阶比跟踪采样波形就能得到故障信息。

图5：中间轴故障

图6：输出轴故障

二、齿轮箱振动分析Circular图技术

下面三张图分别是一个齿轮箱输入轴（高速）、中间轴、输出轴（低速）的

Circular图，三个轴的转速比是1:3:5。可以直观的看到输出轴存在故障。

图7：输入轴振动Circular图

图8：中间轴振动Circular图

图9：输出轴振动Circular图

下图是一个行星齿轮箱的齿圈故障时的振动Circular图。该行星齿轮箱有三

个行星轮。

图10：齿圈有1个断齿时的Circular图

三、阶比包络谱技术

包络分析对于齿轮箱及其内部的滚动轴承故障分析和故障定位非常有效，包

络分析可以有效提取齿轮箱、轴承部件存在缺陷时的高频冲击脉冲信号，但是如

果齿轮箱转速不稳定，存在转速变动，这种冲击信号的周期也是随转速变动的，

直接进行包络分析效果不好。

采用阶比包络分析技术可以消除转速波动的影响，得到非常清晰的诊断图谱。

图11：频谱分析

图12：普通包络分析

图13：阶比包络分析

四、阶比边带能量比技术

齿轮箱振动信号频谱最基本的特征是啮合频率和转轴边带信号。通常情况下

无论齿轮箱是否存在故障，一般都会存在多个啮合副的啮合频率及其谐波，也会

存在少量的齿轮轴转频边带信息，当齿轮箱存在磨损、点蚀、断齿等故障时，一

个最主要的特征是故障齿轮所在转轴的边带能量会增加，因此采用阶比边带能量

比这个特征对齿轮箱故障诊断十分有效。

下图是正常齿轮和故障齿轮的阶比谱对比，正常齿轮箱存在啮合频率及其谐

波分量，同时只有少量的边带；故障齿轮箱也存在啮合频率及其谐波分量，还出

现了啮合频率的0.5倍谐波，周围出现大量的转频边带，通过转频对应的转轴即

可判断哪一个齿轮轴出现故障。

边带能量比定义：

用阶比谱替换普通频谱，可以得到阶比边带能量比OSER。

图14：齿轮箱正常时的阶比谱（啮合频率周围存在少量的边带）

图15：齿轮箱故障时的阶比谱（啮合频率周围的边带能量非常大）

图16：正常齿轮箱SER指标

图17：故障齿轮箱SER指标

图17：齿轮箱SER指标趋势