摘 要

齿轮作为现代机械装置中最常用的一种衔接和传动部件，在传递动力过程中起着关键作用，但故障率较高，齿轮故障所导致的机械设备故障将可能会造成停机停产，带来的严重的经济损失，甚至威胁到操作人员的安全。因此，对齿轮传动装置进行工况监测和故障诊断也的重要意义不言而喻。本文从箱体获取的振动信号和润滑油油液中所包含磨粒信息出发，分别利用振动分析法和油液铁谱分析法来对传动齿轮的故障特征进行了试验研究。

本文首先介绍了齿轮故障诊断的研究背景、意义及其发展现状，然后对典型的齿轮故障类型以及常用齿轮故障诊断技术进行了研究介绍，在此基础上确立了试验方案，对齿轮的故障进行了振动分析和油液分析的试验。

在振动分析方面，通过振动信号的时域和频域分析方法，得出几种典型故障齿轮的振动信号特征；在油液分析方面，利用铁谱分析法分别对正常磨损和发生齿面点蚀故障的齿轮箱油液中所含磨粒进行了识别与对比分析，得出了该故障下磨粒图谱的特征。

关键词：齿轮；故障诊断；振动分析；铁谱分析

Abstract

The gear, which plays an essential role in power transmission, is one of the most commonly used component of coupling and transmission in modern mechanical equipment. However, it has a high fault probability. Its fault will result in failure of mechanical equipment，which will cause an outage, the huge economic loss, or even a threat to personal safety. Hence the condition monitoring and fault diagnosis of gear is of great significance. This study is based on the vibration signal of the gear box and the information of abrasive grains of the lubricating oil, and we use both vibration and oil analysis to research the fault characteristics of the gear.

Firstly, this paper introduces the research background , significance and development of the gear fault diagnosis, then does research and introduces of the classical faults and gear fault diagnosis techniques, based on which we present the method and carry out vibration and oil analysis test of gear fault.

In the aspect of vibration analysis, the vibration signal characteristics of classical gear faults are obtained by means of time domain and frequency domain analysis of vibration signal. In the aspect of oil analysis, the Ferrographic analysis is used to identify and analyze the abrasive grains in the oil of the gear box which respectively carried test of normal wear and pitting fault, and then we acquire its image spectrum characteristic.

Key Words: gear; fault diagnosis; vibration analysis; Ferrographic analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1. 论文的研究背景及意义 1

1.2. 国内外相关研究的发展与现状 1

1.3. 本文的主要内容 3

第2章 齿轮故障诊断技术综述 5

2.1. 常见的齿轮故障类型 5

2.2. 齿轮故障诊断技术 6

第3章 齿轮故障诊断模拟试验设计 8

3.1. 试验方案设计 8

3.2. 试验设备介绍 8

3.2.1. 齿轮箱试验台 8

3.2.2. 油液分析试验台 12

3.3. 齿轮故障类型的模拟 14

第4章 振动分析法的应用 17

4.1. 齿轮振动信号分析故障诊断技术 17

4.1.1. 时域分析 17

4.1.2. 频域分析 17

4.2. 试验振动信号分析 18

4.2.1. 正常齿轮的振动信号分析 18

4.2.2. 轮齿磨损的振动信号分析 20

4.2.3. 轮齿断裂的振动信号分析 23

4.2.4. 齿面点蚀的振动信号分析 25

4.2.5. 齿面胶合的振动信号分析 26

第5章 油液分析法的应用 29

5.1. 油液铁谱分析故障诊断技术 29

5.2. 油液铁谱取样及制作 31

5.3. 磨粒的识别与分析 32

5.3.1. 磨粒的基本类型及其图谱特征 33

5.3.2. 试验磨粒图谱的分析 35

第6章 总结与展望 38

6.1. 总结 38

6.2. 展望 38

参考文献 40

致 谢 42

绪论

论文的研究背景及意义

随着我国国民经济的高速发展，能源、交通、建筑、机械等各行各业也飞速发展，而齿轮传动装置由于具有传递功率大、传动效率精度高、承载能力大、结构紧凑和运行稳定可靠等优点，使得它被广泛应用于机械设备中的衔接和动力传送，在任何大型机械装置中的重要性不言而喻。

但齿轮传动装置由于本身结构复杂，工作环境又相当恶劣，导致齿轮传动装置容易受到损害，而齿轮故障又是诱发整个设备故障的重要因素。据统计，在齿轮箱部件的所有故障情况中，齿轮故障约占60%，在传动机械中有80%左右的故障是由齿轮失效引起的，旋转机械中齿轮故障约占10%。如今，伴随着科学技术的高速发展，机械设备在越趋高效化、自动化、柔性化和高性能化的同时，也越趋大型化、高强度化、连续化、复杂化，生产规模也越来越大、设备的功能越来越丰富、连续工作时间越来越长，这样虽然提高了生产效率、增加了产量、降低了成本，但是与此同时，齿轮失效给社会造成的损失也越来越大^[1]。行驶中汽车的齿轮传动装置失效将直接造成人身伤亡；而处于生产一线上的一些连续工作装置，如电力行业的发电机组，由于齿轮传动装置的突发故障造成的损失更是无法预估的。因此，无论是从经济角度出发，还是从安全角度出发，齿轮传动系统的故障若是能被及时的发现，我们就能够准确的把握最佳的维修时间，避免事故的发生，减少经济损失，这对于齿轮传动系统故障诊断有着异常重要的意义。此外，对齿轮进行故障诊断还能在故障发生的初期发现问题，这有利于提高设备的工作使用寿命，降低设备在整个服役期间的维护保养费用^[1]。

综上所述，齿轮故障诊断的意义在于革新设备维修制度，使传统的定期检修变为预知维修，准确地、及时地对齿轮传动装置的运行工况和故障状态进行监测和诊断，对设备的运行给予必要的指导，这样一来可以有效的预防或者避免故障的发生，提升装置的安全、可靠和有效性能，减少不必要的维修时间，从而增加设备安全生产的时间，延长设备服役时限，大幅度提高生产率，增强设备的整体经济性能，降低故障损失和生产成本，保障设备尤其是人员的生命安全。

国内外相关研究的发展与现状

齿轮传动多以齿轮箱的结构出现，它是目前机械设备中应用最为广泛的主要传动方式之一。齿轮在高速重载、强冲击的工作环境下，容易产生磨损、裂纹、胶合和断齿等多种故障，并进一步诱发其它的故障。因此，齿轮传动装置的运转状况将直接影响整个系统的正常运行。