机械设备服务介绍

齿轮箱作为工业传动系统的“心脏”，其运行状态直接影响设备整体可靠性。振动与冲击信号是齿轮箱故障的“晴雨表”——齿面磨损、轴承剥落、轴系不对中这类问题，都会通过振动幅值、频率特征的变化体现。因此，掌握齿轮箱振动与冲击测试的常用检测方法及规范操作步骤，是设备维护人员及时发现隐患、降低维修成本的关键。本文将结合工业现场实践，详细拆解各类检测方法的原理与实操要点。

振动加速度检测：基础故障预警的核心方法

振动加速度是齿轮箱故障预警中最常用的参数，其对高频冲击信号（如齿面微观磨损、轴承滚珠磕碰）的敏感性，使其能早于位移、速度参数发现初期故障。检测的核心工具是压电式加速度传感器——通过晶体的压电效应，将机械振动转化为电信号，再经采集仪放大、模数转换后输出可分析数据。

操作第一步是传感器安装：选点需覆盖齿轮箱关键部位——输入轴与输出轴的轴承座（此处振动直接传递轴系状态）、箱体顶部或侧面的薄弱环节（避免刚性过强导致信号衰减）。安装方式优先选磁吸座（方便拆卸，适合定期检测），若设备振动剧烈则用胶粘（如502或专用传感器胶），确保传感器与被测面完全贴合，间隙会导致信号失真。

第二步是参数设置：采样频率需满足奈奎斯特定理，通常设置为最大分析频率的5-10倍——比如齿轮啮合频率（计算公式：齿数×转速/60）为1000Hz，采样频率至少设为5000Hz，避免高频成分混叠。量程则根据设备额定转速预估：比如1500rpm的电机驱动齿轮箱，加速度量程可设为0-50m/s²，若设备启动时冲击大，可临时调至100m/s²防止过载。

第三步是数据采集：需在设备稳态运行（负载稳定、转速恒定）时进行，避免启动或停机阶段的瞬态信号干扰。每点采集3次，每次持续10-20秒，取平均值作为该点的代表值——比如轴承座的加速度有效值，若连续3次采集结果偏差超过10%，需检查传感器安装是否松动或负载是否波动。

最后是信号分析：时域波形看峰值（突然增大可能是齿轮断齿）、有效值（持续升高说明磨损加剧）；频域谱图重点关注啮合频率（f_z=z×n/60）的边带——边带数量增多、幅值增大，通常对应齿面磨损或轴系不对中。比如某齿轮箱啮合频率为800Hz，频域图中800Hz附近出现间隔10Hz的边带（对应轴的转频10Hz），说明轴系存在不对中问题。

冲击响应谱分析：定位瞬态冲击故障的关键

齿轮箱中的瞬态冲击故障（如齿轮断齿、轴承滚珠碎裂、异物卡滞），其信号持续时间短、频率成分复杂，常规振动加速度检测容易遗漏。冲击响应谱（SRS）通过模拟“不同固有频率的弹簧-质量系统”对冲击信号的响应，能清晰呈现冲击能量在各频率段的分布，是定位这类故障的核心方法。

操作时，传感器选点需聚焦“易发生冲击的高应力部位”：比如高速输入轴的角接触轴承座（转速高，滚珠离心力大，易碎裂）、齿轮啮合区对应的箱体侧面（齿轮断齿时冲击直接传递至此）。安装方式需更牢固——因为冲击信号的幅值大，磁吸座可能因振动脱落，建议用M5螺丝固定传感器（若设备允许）。

参数设置的核心是“高采样率”：冲击信号的频率通常在1-10kHz之间，采样频率需设为20-50kHz，确保捕捉到冲击的上升沿细节。比如某齿轮箱高速轴转速为3000rpm，轴承滚珠频率（计算公式：z×n/60×(1-d/D×cosα)，z为滚珠数，d为滚珠直径，D为轴承节圆直径，α为接触角）为2500Hz，采样频率需设为25kHz以上，才能准确采集滚珠碎裂的冲击信号。

数据采集需“触发式采集”：因为瞬态冲击是随机发生的，常规连续采集会浪费存储空间。可设置触发条件——当加速度幅值超过阈值（比如正常运行时的3倍有效值）时，自动启动采集，采集时长设为1-2秒（覆盖冲击的上升和衰减过程）。比如某设备正常运行时加速度有效值为2m/s²，触发阈值设为6m/s²，当齿轮断齿时，幅值瞬间达到20m/s²，触发采集并保存信号。

谱图分析的重点是“峰值频率对应故障部件”：冲击响应谱的横坐标是系统固有频率，纵坐标是最大响应加速度。比如谱图中在2500Hz处出现明显峰值，结合轴承参数计算出的滚珠频率正好是2500Hz，说明轴承滚珠存在碎裂故障；若峰值出现在齿轮啮合频率的整数倍（如2×f_z、3×f_z），则对应齿轮断齿（断齿会导致啮合时的冲击力倍增）。

阶次跟踪分析：解决变转速下的频率混淆问题

很多工业齿轮箱（如风电主齿轮箱、汽车自动变速箱）处于变转速运行状态，常规FFT分析会因“频率随转速变化”导致谱图出现“频率模糊”（即同一故障特征在不同转速下对应不同频率）。阶次跟踪分析通过“角度域重采样”，将时间域的振动信号转换为以轴转角为基准的角度域信号，从而将振动频率表示为“转频的倍数”（阶次），彻底解决变转速下的故障定位问题。

操作的第一步是安装转速传感器：需获取轴的转频信号，常用的是光电传感器（对准轴上的反光贴，每转产生一个脉冲）或磁电传感器（对准轴上的齿圈，每齿产生一个脉冲）。安装时需注意传感器与被测面的间隙：光电传感器间隙10-20mm，磁电传感器间隙2-5mm，间隙过大会导致脉冲信号丢失。

第二步是同步采集：数据采集仪需同时接收振动信号（加速度传感器）和转速信号（转速传感器），并通过“硬件同步”或“软件同步”实现两种信号的时间对齐。比如某风电齿轮箱变转速运行（转速范围100-300rpm），采集仪通过硬件时钟同步振动与转速信号，确保每一个振动采样点都对应准确的轴转角位置。

第三步是阶次计算与重采样：软件将时间域的振动信号按照转速信号的脉冲间隔，重采样为角度域信号（比如每转采集1024个点），然后对角度域信号做FFT，得到阶次谱——横坐标是阶次（转频的倍数），纵坐标是振动幅值。比如齿轮的齿数是20，其啮合阶次就是20阶（啮合频率=20×转频），无论转速如何变化，啮合阶次始终是20阶。

谱图分析的重点是“阶次对应故障特征”：阶次谱中的峰值阶次若等于齿轮齿数，说明齿轮啮合存在问题（如齿面磨损）；若等于轴承的“特征阶次”（比如内圈故障阶次=z/2×(1+d/D×cosα)，外圈故障阶次=z/2×(1-d/D×cosα)），则对应轴承的内圈或外圈磨损。比如某风电齿轮箱的高速轴轴承内圈故障阶次是3.2阶，阶次谱中3.2阶的幅值持续升高，说明轴承内圈存在剥落故障。

声振联合检测：互补验证故障的准确性

单一振动检测有时会受“结构传声衰减”影响（比如箱体厚重导致振动信号减弱），而噪声检测则受“环境噪声干扰”（比如车间其他设备的声音）。声振联合检测通过同步采集振动（结构振动）与噪声（空气声）信号，分析两者的频率相关性，能有效排除干扰，提高故障判断的准确性。

操作时，麦克风的安装需注意“指向性”：选用心形指向的麦克风（减少侧面环境噪声），安装在齿轮箱正前方1-2米处，指向齿轮箱的声源部位（如齿轮啮合区或轴承座）。若环境噪声过大（比如车间背景噪声超过80dB），可在麦克风上套防风罩（减少气流噪声）或用隔音罩（局部隔离环境噪声）。

同步采集是关键：数据采集仪需同时接入加速度传感器（振动）和麦克风（噪声），并设置相同的采样频率（比如10kHz）和采集时长（比如30秒）。比如某纺织机械齿轮箱，同步采集轴承座的振动信号和齿轮箱附近的噪声信号，确保两者在时间上完全对齐。

信号分析的核心是“频率相关性验证”：首先分别对振动和噪声信号做FFT，得到各自的频域谱；然后计算两者的“相干函数”（取值0-1，越接近1说明两个信号的频率成分越相关）。比如振动谱中800Hz（啮合频率）有峰值，噪声谱中800Hz也有峰值，且相干函数为0.95，说明这个频率成分确实来自齿轮箱的啮合故障，而非环境干扰；若振动谱中有峰值但噪声谱中没有，可能是传感器安装位置不当（比如贴在刚性过强的箱体上）导致振动信号未传递到空气中。

此外，声振联合还能判断故障的“严重程度”：比如齿轮轻度磨损时，振动幅值升高但噪声幅值变化不大；当磨损加剧到齿面剥落时，振动和噪声的幅值都会显著升高——因为剥落的齿面会产生更大的冲击，既传递到结构振动，也通过空气传播为噪声。

轴承故障特征频率分析：精准定位轴承故障类型

轴承是齿轮箱中故障率最高的部件（占比约40%），其故障类型（内圈剥落、外圈磨损、滚珠碎裂、保持架损坏）对应不同的特征频率——这些频率由轴承的几何参数和转速决定，是精准定位轴承故障的“指纹”。

操作的第一步是获取轴承的几何参数：需要查阅轴承手册或设备说明书，得到以下参数：滚珠数量z（比如6205轴承z=9）、滚珠直径d（比如6205轴承d=7.94mm）、轴承节圆直径D（比如6205轴承D=31mm）、接触角α（深沟球轴承α≈0°）。

第二步是计算特征频率：常用的轴承特征频率公式有四个：①内圈故障频率（BPFI）=z/2×n/60×(1+d/D×cosα)；②外圈故障频率（BPFO）=z/2×n/60×(1-d/D×cosα)；③滚珠故障频率（BSF）=D/(2d)×n/60×(1-(d/D×cosα)²)；④保持架故障频率（FTF）=1/2×n/60×(1-d/D×cosα)。比如某6205轴承，转速n=1500rpm，计算得BPFI≈9/2×1500/60×(1+7.94/31×cos0°)=75×1.256≈94.2Hz，BPFO≈75×0.744≈55.8Hz，BSF≈31/(2×7.94)×25×(1-(7.94/31)²)≈1.95×25×0.937≈45.8Hz，FTF≈0.5×25×0.744≈9.3Hz。

第三步是采集振动信号：传感器需安装在轴承座正上方（最靠近轴承的位置），采样频率需覆盖特征频率的2-3倍（比如特征频率最高是94.2Hz，采样频率设为500Hz即可，但为了覆盖高频谐波，建议设为1000Hz）。采集时需确保设备处于稳态运行（转速恒定），避免转频变化导致特征频率偏移。

第四步是谱图分析：对振动信号做FFT，查看频域谱中是否存在轴承特征频率的峰值，以及峰值的幅值变化。比如谱图中94.2Hz（BPFI）的幅值比正常情况高3倍，说明轴承内圈存在剥落故障；若55.8Hz（BPFO）的幅值升高，说明外圈磨损；若45.8Hz（BSF）的幅值升高，说明滚珠碎裂；若9.3Hz（FTF）的幅值升高，说明保持架损坏。此外，特征频率的谐波（如2×BPFI、3×BPFI）幅值升高，也能验证故障的存在——比如内圈剥落时，不仅BPFI有峰值，2×BPFI、3×BPFI也会有明显峰值。