基于声测法的齿轮箱齿轮故障诊断研究

时间：2025-07-09

基于声测法的齿轮箱齿轮故障诊断研究

第(%卷第,期

%!!!年(%月军械工程学院学报"#$%&’(#)*%+&’&,-.&0&--%0&#((--//1/1234(%524,6784%!!!

基于声测法的齿轮箱齿轮故障诊断研究!

杨通强唐力伟郑海起栾军英马吉胜

（军械工程学院火炮工程系，石家庄!）"!!!#

摘要：分析了齿轮箱故障机理及其与噪声信号的内在联系，利用声检测原理对齿轮箱工作状态

进行了监测实验，分析处理了系统正常和故障工况下的声学及振动信号，并通过倒频谱分析方

法进行特征参量提取，成功地判断出了齿面磨损故障。

关键词：故障诊断；噪声；振动；齿轮箱；倒频谱分析

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齿轮箱是机械系统的重要部件，常在高速、重载条件下运行，故障发生率较高，因而对其进行故障诊断和监测十分重要。其故障诊断有许多方法，如振动诊断、噪声分析、油液分析、声发射和温度及能耗检测等，其中噪声分析是较为重要的分析方法之一。这是因为齿轮箱在运行过程中都会发出噪声，当发生异常或故障时，不仅其声压级变化而且其频率和相位亦发生变化，通过对其噪声信号进行分析，可不停机判断故障情况。利用声学信号进行性能检测与故障诊断多采用声级分析、声功率分析和常规频谱分析等方法。

此外，因为在振动测试过程中振动传感器需与振动体直接相连，甚至要置于箱体内部，而声学探头的安装则相对灵活简便，所以与人们常采用的振动检测法相比，声学检测方法具有灵活性高、易在线检测的优点。针对这一特点，本文根据声学检测原理，在深入分析了故障噪声机理的基础上，利用-./#"+!多分析仪系统，对齿轮箱的工作状态进行监测，并通过倒谱分析成功地识别出了齿面磨损故障。

!齿轮常见故障机理分析

齿轮常见故障有齿面磨损、齿根裂纹、断齿等。在基于振动信号的分析中，这些典型故障都是以复杂的调幅、调相和调频的形式表现出来，频谱上出现不同程度的调制边带。所以常采用基于边频带理论的频域和倒频域的定性分析方法，如时域特征值分析、频谱分析、倒频谱分析方法等。对于单一轮齿的故障，在倒频谱上往往表现为与特征频率相对应的倒频，即：

／!倒"(#特

其中#特为故障的特征频率；!倒为故障的倒频率。

齿轮箱中，啮合齿轮由于啮合冲击，或在交变负荷的作用下，产生圆周方向振动，在它的诱发下，产生径向振动，这些振动发声通常不是在啮合处直接辐射，而是以一次空气中声的形式由轮体发射出去。其中一部分噪声透过箱壁上的窗口及缝隙传到箱外，另一部分被箱壁反射回到箱内。箱内的噪声又以固体声的形式，由齿轮传到轴承座、箱体、盖板及罩壳等，通过这些向外辐射空气波。前一部分是一次空气声，由轮体和轴承直接辐射，由于箱体的屏蔽作用，衰减较大，只有少量经缝隙辐射出箱体，可忽略不计。所以假设齿轮箱为线性系统，则测点处声压$（%）与声源声压$&（%）的关系为：

（!）（!）（!）’’&"(

!军械工程学院科学研究基金资助项目

收稿日期：%!!!*!"*(!

杨通强：男(&0,年生硕士（）(

基于声测法的齿轮箱齿轮故障诊断研究

第!期杨通强等：基于声测法的齿轮箱齿轮故障诊断研究$*其中!（!）是噪声经过轮体、轴承、箱体和空气传播到测点时的传递函数。"#（#（!）是$%）的傅氏变换，"（!）是$（%）的傅氏变换。

对于声辐射，齿轮啮合点可近似看作一个单极子声源，其自由声场中声压$#（%）为：

（（／#%）%）!"(&’$

式中’（，%）为源强度，是激励力)（%）的函数，可写成’（%）"*%）*为一常量；(为半径。)（

声压$#（%）与激励力)（%）之比为声阻抗+：

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。代入（）式得：$（!）"，即+是一常数，则$#（%）"+%）#+!（!）,（!）)（