旋转机械齿轮断齿障的诊断与特征分析 旋转机械在运行过程中，由于制造工艺问题、过载冲击、疲劳损伤、润滑不足或安装不当等原因，常出现齿轮断齿现象。
断齿是齿轮箱中严重的故障之一，会导致设备剧烈振动、传动失效甚至整机停机。准确识别断齿的类型与特征，对于设备状态监测与故障诊断具有重要意义。
一、齿轮振动的基本原理
齿轮在啮合过程中，齿面间的刚度呈周期性变化，形成时变啮合刚度。这是齿轮振动的主要激励源。齿轮啮合振动是指在正常工作状态下，由于啮合刚度周期性变化而产生的持续振动现象。
根据振动力学公式：A=F/U（A为振幅，F为振动力，U为综合刚度），啮合过程中振动力F（主要为转子不平衡力）基本不变；质量和阻尼无明显变化；而刚度随每对齿的啮合呈现可重复变化，由此形成齿轮啮合的故障特征频率——齿轮啮合频率GMF。
啮合频率的计算公式为：
f_m=N×n/60
其中f_m为啮合频率（Hz），N为齿轮齿数，n为齿轮转速（rpm）。
二、断齿的基本特点
l 频率成分：振动频谱中包含齿轮的啮合频率及其边频带，边频间隔等于故障齿轮的旋转频率。当断齿发生时，啮合频率幅值显著上升，边频带数量增多且幅值提升。
l 方向特点：振动在径向和轴向均较为明显，尤其是径向振动更为突出。振动幅值随负载提升而急剧上升，可能出现冲击性振动。
l 伴随现象：运行时通常伴有周期性冲击声，严重时可听到金属撞击或碎裂声。油液中常可检测到金属屑粒。
三、断齿的表现形式
（1）局部断齿
l 成因：通常由过载冲击或局部疲劳引起。
l 振动特征：主要振动方向为径向，轴向振动相对较小；主要频率成分为啮合频率及其边频；时域波形中出现周期性冲击脉冲，脉冲间隔与故障齿轮的旋转周期一致；
l 相位特征：冲击信号在时域中具有明显的周期性；径向振动相位在冲击点发生突变。
（2）整齿断裂
l - 成因：通常由严重过载或材料问题导致
l -振动特征：主要振动方向仍为径向，轴向振动提升，但仍小于径向。啮合频率下降伴有多阶谐波；时域波形中出现大幅值冲击，伴随周期性振动衰减；
l 相位特征：冲击间隔与齿轮旋转周期一致；径向相位在断齿通过啮合区时发生剧烈变化。
（3）多齿断裂
l -成因：通常由严重疲劳或长期过载运行引起
l 振动特征：径向和轴向振动均非常显著；频谱中啮合频率幅值下降，边带丰富，常伴有高阶谐波；时域波形中出现连续冲击，振动大幅上升。
l 相位特征：相位稳定性差，周期性不明显；冲击间隔不规则，反映多齿损伤的复杂性。
l -特殊表现：振动易受负载影响，往往同时出现温度上升和噪声增强；严重时可能导致设备跳闸或保护停机。
四、平行齿轮箱-齿轮断齿实验
实验目的
(1) 掌握齿轮断齿故障的物理成因及其对传动系统的影响。
(2) 熟悉加速度传感器、数据采集仪和振动分析软件的使用。
(3) 学会通过频谱、时域波形、相位分析等手段识别断齿故障的典型特征。
(4) 将理论知识与实验数据结合，做出正确的诊断结论。
实验装置
主体设备：HD-CL-012P 齿轮箱故障模拟实验台
采集设备：振动加速度传感器、数据采集器
故障件：高速轴齿轮—单齿断裂1/2
实验步骤
准备工作：
检查实验台各连接部件是否牢固，润滑系统是否正常。
启动实验台，在齿轮完好的状态下，采集一组基准数据（包括转速、各测点的频谱、时域波形和相位），作为后续对比分析的基准。
断齿实验：
将正常高速轴齿轮更换为带单齿断裂1/2故障的高速轴齿轮。
启动实验台至额定转速（1200 rpm）。
待运行稳定后，采集所有测点的振动数据（频谱、时域波形、相位）。
记录采集时间及设备运行状态。
结束工作：
实验结束后，更换回完好齿轮。
关闭所有设备电源，整理实验数据与器材。

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