摘 要

齿轮箱在目前的生产和实际工程中发挥着越来越大的作用，当它的某个组成构件出现了问题时，将会造成很大的经济损失，甚至引发严重安全隐患。因此，对齿轮箱进行相关的研究有着很大的意义。

本文首先介绍了齿轮箱故障诊断技术的现状和发展趋势；然后在对齿轮箱系统组成分析后，研究了系统的动力学模型；接下来重点分析和研究基于时域和频域的信号处理方法；又在MATLAB\Simulink中，搭建了齿轮箱系统的模型，在此基础上进行参数分析；在MATLAB环境中模拟了齿轮箱在正常和故障状况下系统的振动信号；最后通过一次实验进行数据采集，通过编程将实验数据的时域和频域在MATLAB中显示出来，然后进行齿轮故障分析。

本文的仿真模拟结果与实验结果都能很好的与理论结果相符合，通过对齿轮箱振动波形的分析，能很好地得出齿轮箱的故障原因。

关键词：齿轮箱；状态监测；信号处理；数学模型；MATLAB；

Abstract

Gear box is a common connection and power transmission link in mechanical equipment .It plays a very important role in the process of mechanical operation.One of the devices in the event of failure will affect the normal operation of the machine.Serious economic losses will be caused when the fault is serious.Therefore, it has important practical significance and theoretical analysis of fault signal monitoring system of gear box.

This paper mainly introduces the development and present situation of the condition monitoring and signal processing of the gear box.Expounds the structure of the gear box; And establishes the mathematical model of the gear box;The signal processing methods such as time domain waveform analysis method and Fourier transform analysis method are studied;On the platform of MATLAB, the mathematical model of gear box system is established, and the related system parameters are studied and analyzed;In the MATLAB environment, the output waveform of the gear box under normal and fault condition is simulated and analyzed in time domain and frequency domain;Finally through an experiment for data acquisition, through programming the experimental data in the time domain and frequency domain in the MATLAB display, and then gear failure analysis.

The simulation results and the experimental results are in good accordance with the theoretical results. Through the analysis of the vibration waveform of the gear box, it can be concluded that the failure causes of the gear box.

Key Words：Gear box;Condition monitoring;signal processing;mathematical model;MATLAB;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 齿轮箱故障诊断技术的现状和发展方向 1

第2章 齿轮箱的基本结构和数学模型 2

2.1 齿轮箱的结构和组成 2

2.1.1 齿轮箱系统中的齿轮 2

2.1.2 齿轮箱系统中的轴 3

2.1.3 齿轮箱系统中轴承 3

2.1.4 齿轮箱系统中的箱体 3

2.2 齿轮箱的数学模型 3

2.2.1动力学微分方程的建立 3

2.2.2 系统参数量纲一化 5

2.2.3 齿轮振动过程中的动态激励 6

2.2.4 齿轮的啮合刚度 7

2.2.5 齿轮的传动误差 7

2.2.6齿轮的啮合冲击激励 8

2.2.7齿轮振动中的信号调制 9

2.3 本章小结 12

第3章 齿轮故障信号的分析方法 13

3.1振动信号的时域波形分析方法 13

3.2振动信号的频域分析法 14

3.2.1快速傅立叶变换分析法 14

3.2.2边频带分析法 15

3.2.3功率谱分析法 15

3.2.4倒频谱分析法 15

3.3本章小结 15

第4章 MATLAB环境下的齿轮箱系统的建模仿真 16

4.1 齿轮振动系统在MATLAB中的模型搭建 16

4.1.1常啮合刚度下的系统模型 16

4.1.2 常啮合刚度下的MATLAB模型 16

4.1.3 常啮合刚度下主要参数对系统响应的影响 17

4.1.3时变啮合刚度下的系统模型 23

4.1.4时变啮合刚度下的MATLAB模型 23

4.2 MATLAB环境下的齿轮振动信号分析 24

4.2.1正常齿轮的振动信号模拟 24

4.2.1MATLAB中故障齿轮的振动信号模拟 26

4.3在MATLAB环境下实验数据分析 28

4.3.1振动信号的实验数据的采集 28

4.3.2 实验数据的MATLAB编程 28

4.3.3 实验数据的时域波形和频谱分析 29

4.4本章小结 31

第5章 总结 32

参考文献 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

齿轮箱是目前生产工程中的重要环节，在传递力和改变转速等方面发挥着越来越大的作用。但是，齿轮箱系统的组成构件很容易因发生故障失效。有数据显示^[1]，轴承的失效比重大约占了19%，而齿轮比轴承更易失效，高出大约41%的比重。通过调查统计有590个左右的生产厂家进行齿轮机构的生产，一年大约生产1700万件齿轮产品。这些生产的齿轮中，占最大比例的是汽车齿轮，大约是1250万件；还有就是机床齿轮大约有200万件；重载齿轮和通用齿轮生产10万件左右；一些需要特别加工的高速齿轮约2000件；剩下的就是其他的一些齿轮机构。对此，可以清晰地得知，如果齿轮箱发生故障，会影响工厂正常的生产，造成经济损失，更有可能危害人们的健康。因此，越来越多的人开始从事了齿轮箱系统的研究，对齿轮箱的故障诊断技术的研究有着重要的理论价值和现实意义。

1.2 齿轮箱故障诊断技术的现状和发展方向