齿轮断齿故障的振动特征分析 一、齿轮振动原理
       齿轮传动系统是一个弹性的机械系统，由于结构和运动关系的原因，存在着运动和力的非平稳性。如图1所示，O₁是主动轮的轴心，O₂是被动轮的轴心。假定主动轮以ω1作匀角速度运动，A、B分别为两个啮合点，则有O₁A>O₁B，即A点的线速度V_A大于B点的线速度V_B。而O₂A<O₂B，从理论上有ω2=V_B/O₂B、ω3=V_A/O₂A，则ω2<ω3。
       然而A、B又是被动轮的啮合点，当齿轮副（两个相啮合的齿轮组成的基本传动单元）只有一个啮合点时，随着啮合点沿啮合线移动，被动轮的角速度存在波动；当有两个啮合点时，因为只能有一个角速度，因而在啮合的轮齿上产生弹性变形，这个弹性变形力随啮合点的位置、轮齿的刚度以及啮合的进入和脱开而变化，是一个随时间变化的力F_C(t)。

图 1 齿轮副的运动学分析示意图

一、边频带
       由于传递的扭矩也随着啮合而改变，它作用到转轴上，使转轴发生扭振。而转轴上由于键槽等非均布结构的存在，轴的各向刚度不同，刚度变动的周期与轴的周转时间一致，激发的扭振振幅也就按转轴的转频变动。这个扭振对齿轮的啮合振动产生了调制作用，从而在齿轮啮合频率的两边产生出以轴频为间隔的边频带。
       边频带也是齿轮振动的特征频率，啮合的异常状况反映到边频带，造成边频带的分布和形态都发生改变。可以说，边频带包含了齿轮故障的丰富信息。
二、齿轮典型故障-齿轮断齿
       如图2、图3所示，对比正常齿轮与断齿齿轮的时域图和频域图，可以得出以下结论：
时域特征：振动幅值与峰值明显升高（正常齿轮的振动峰值处于1.5水平，而断齿齿轮的振动峰值升至3），边频带间隔与故障齿轮的转频一致，并出现周期性冲击信号。
频域特征：啮合频率幅值显著增强（正常齿轮的频率值约为1.25，而断齿齿轮的频率值达到约0.4），边频带间隔同样与故障齿轮的转频一致。
冲击特征：断齿会导致明显的周期性冲击，冲击间隔与齿轮的旋转周期相关。

图 2 平行轴齿轮箱正常齿轮实测图
 
图 3 平行轴齿轮箱齿轮断齿实测图

如果您对齿轮故障实验感兴趣，以下几款实验平台可供参考和选择：
HD-CL-012P 平行轴齿轮箱故障模拟实验台
 
本实验系统由平台底板、三相变频电机、动态扭矩传感器、平行轴齿轮箱、转矩加载系统、联轴器、循环冷却系统、试验台控制系统组成。整体设备尺寸为1400mm×500mm×330mm。

图4        平台采用钢结构焊接；驱动电机采用额定电压380V、额定功率3kW的三相变频电机；采用量程为±50N.m，扭矩输出为-5~+5V的动态扭矩传感器；平行轴齿轮箱中有高速轴斜齿齿轮和低速轴斜齿齿轮，高速轴斜齿齿轮模数为1.5、齿数为21、螺旋角为15°，低速轴斜齿齿轮模数为1.5、齿数为82、螺旋角为15°，速比均为3.9:1；转矩加载系统的额定转矩为50N.m、额定电压为24V、有自动循环水冷散热连锁保护设备。控制系统带有10寸触摸屏，实时显示转速、转矩、电压、电流等参数。
       可以搭配低速轴齿轮故障套件（包含齿轮断齿、点蚀、磨损、裂纹）、高速轴齿轮故障套件（包含齿轮断齿、点蚀、磨损、裂纹），完成与齿轮相关的各类故障实验。
       此外，还可以将平行轴齿轮箱换成行星齿轮箱，完成齿圈故障模拟实验、行星轮故障模拟实验、太阳轮故障模拟实验。
  图5 LY-SCL-03P 小型转子平行轴齿轮箱故障模拟实验台        本实验系统由伺服电机、转子系统、传感器安装支架、联轴器、平行轴齿轮箱、转矩加载系统、平台底板、试验台控制系统等组成。整体设备尺寸为1000mm×350mm×365mm。
       平台采用钢结构焊接平台；驱动电机采用额定电压220V、额定功率0.4kW的伺服电机；采用周围均分12孔位的铝合金平衡盘，可通过添加质量块完成不平衡实验；平行轴齿轮箱中有高速轴齿轮和低速轴齿轮，高速轴齿轮模数为2、齿数为17，低速轴齿轮模数为2、齿数为39，螺旋角均为15°、压力角均为20°、速比均为2.29:1；转矩加载系统的额定转矩为2.5N.m、许用转速为1500rpm。控制系统带有7寸触摸屏，实时显示转速、转矩大小。
       可以搭配低速轴齿轮故障套件（包含齿轮断齿、点蚀、磨损、裂纹）、高速轴齿轮故障套件（包含齿轮断齿、点蚀、磨损、裂纹），完成与齿轮相关的各类故障实验。
此外，还可以将平行轴齿轮箱换成行星齿轮箱，完成齿圈故障模拟实验、行星轮故障模拟实验、太阳轮故障模拟实验。

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