齿轮箱振动与冲击测试需要包含哪些关键检测项目及指标要求

齿轮箱作为工业传动系统的“动力心脏”，其运行状态直接影响整机可靠性与寿命。振动与冲击是齿轮箱故障（如齿面磨损、轴承失效、轴系不对中）的核心外在表现，通过科学测试可提前识别隐患。本文围绕齿轮箱振动与冲击测试的关键项目展开，系统梳理各项目的检测逻辑及指标要求，为工程实践提供可落地的技术参考。

振动加速度与速度检测

振动加速度与速度是反映齿轮箱动态载荷的基础指标，加速度对高频冲击性振动（如齿面磕碰、轴承滚动体冲击）敏感，速度则体现中高频连续振动（如齿轮啮合、轴承旋转）的强度。工程中常用压电加速度传感器测试，需安装在轴承座外壁、箱体顶面等关键振动传递路径上，确保信号损失最小。

指标参考ISO 10816系列：转速1000-1500rpm的中型齿轮箱（100-500kW），加速度有效值不超4.5m/s²，速度有效值不超6.3mm/s。重载或频繁启动工况可放宽5%-10%，但需建立基线数据，若振动值较基线变化超20%需警惕异常。

测试需注意采样频率——至少为最高分析频率的5倍（通常取10倍）。例如分析1000Hz信号，采样频率需≥10kHz，避免频率混叠。传感器安装方式也影响结果：磁座适用于临时测试，螺钉固定用于长期监测；高温环境（＞150℃）需选石英晶体传感器，防止元件失效。

此外，需区分“绝对振动”与“相对振动”：绝对振动测箱体相对于地面的振动，反映整体动态响应；相对振动测轴相对于轴承座的振动，更精准反映轴系状态。两者结合能更全面评估设备情况。

振动位移检测

振动位移反映低频大振幅振动（＜100Hz），常见原因包括轴系不对中、基础松动、齿轮齿侧间隙过大。位移直接关联结构物理变形，适合评估“宏观稳定性”——如轴径向跳动过大易导致齿轮啮合不良。

指标参考ISO 10816：转速＜1000rpm的低速齿轮箱，位移峰峰值不超125μm；1000-3000rpm不超63μm；＞3000rpm不超31μm。这些限值基于工程统计，能有效区分正常与故障变形。

测试分两类：电涡流传感器直接测轴相对振动（适用于高速重载，分辨率0.1μm，但需预留安装空间）；加速度传感器测箱体振动后积分得位移（适用于无法装电涡流传感器的场景，但需修正积分误差）。

积分时需用高通滤波器（截止0.1Hz）去除直流漂移，或用卡尔曼滤波实时积分提高准确性。电涡流传感器的位移指标通常比加速度积分法严格10%-15%，因直接测轴的真实变形。

齿轮啮合频率分析

齿轮啮合频率（MF）是核心特征频率，公式为MF=齿数×转速/60（如20齿、1500rpm时MF=500Hz）。正常时幅值稳定，仅伴低幅边带；齿面磨损、点蚀或断齿时，边带幅值增大，甚至出现高次谐波（2×MF、3×MF）。

指标参考VDI 2056：正常齿轮边带幅值与主频率比值不超0.2，超0.5说明齿面损伤严重。连续监测中，若幅值突然升高超30%（排除载荷变化），需立即停机。

测试需结合时域与频域分析：时域的周期性冲击（如断齿脉冲）辅助验证频域异常；细化谱（Zoom FFT）可清晰分辨边带结构，避免频率分辨率不足误判。例如齿面点蚀时，边带呈“等间隔”分布，间隔等于齿轮转频（转速/60）。

齿轮参数也影响幅值：模数越大（齿越厚），冲击力越小，幅值越低；压力角越大（20°或25°），啮合效率高但振动略增。测试前需收集齿轮设计参数，确保频率计算准确。

轴承故障特征频率检测

轴承故障占齿轮箱故障40%以上，特征频率包括内圈（BPFI）、外圈（BPFO）、滚动体（BSF）、保持架（FTF）频率，公式基于轴承几何参数（滚动体数、直径、节径、接触角）。例如BPFI=0.5×转速/60×滚动体数×(1+滚动体直径/节径×cos接触角)。

指标参考ISO 15243：故障频率幅值超背景噪声3dB或出现连续谐波，判定早期损伤；超10dB说明故障中期，需计划维修。

常用高频共振解调（包络分析）技术：轴承故障信号是5-20kHz的高频衰减脉冲，直接分析难识别，解调后提取包络信号，将故障频率转为低频（与转频相关）。例如内圈损伤时，包络谱会出现BPFI频率。

润滑状态影响信号传播：润滑好时脉冲被缓冲，幅值低；润滑不足时幅值增大。测试需同步检查润滑油粘度、水分（用便携式油液分析仪），避免因润滑问题误判轴承故障。

振动相位分析

振动相位是振动信号与转速参考信号（键相器提供）的时间差，反映同步性与方向性。不平衡时相位稳定（与转速同步）；不对中时相位差160-200度；基础松动时相位随机变化。

指标参考API 617：联轴器连接的齿轮箱，输入轴与输出轴相位差不超30度（不平衡）或180度（不对中）；超200度说明不对中严重，可能导致联轴器损坏或轴弯曲。

测试需用相位计或振动分析仪，键相器装在轴端面（加工键槽或贴反光片），确保参考信号准确。相位测量关键是同步采样——振动与键相信号采样频率一致，避免相位差计算错误（如1500rpm时键相频率25Hz，振动采样≥250Hz）。

相位分析用于故障定位：相邻轴承座相位差180度是角不对中（两轴交叉）；0度是平行不对中（两轴平行偏移）。通过相位可快速缩小故障范围，提高维修效率。

振动烈度评定

振动烈度是振动速度的均方根值（RMS，单位mm/s），整合不同频率振动能量，评估整体健康状态。例如加速度正常但速度异常，说明中高频振动大（齿轮啮合问题）；烈度异常则整体能量过高，需全面检查。

指标参考ISO 10816-3：按尺寸功率分3类——Class 1（＜15kW）不超4.5mm/s；Class 2（15-75kW）不超7.1mm/s；Class 3（＞75kW）不超11.2mm/s。烈度超限值会缩短寿命（如烈度翻倍，寿命缩至1/4）。

测试需采集至少10秒信号，覆盖完整运行周期（如加载循环），避免采样过短误差。测量位置需与基线一致（如驱动端轴承座），确保数据可比。

振动烈度常作为预警指标：超限值80%触发黄色预警（增加监测）；超限值触发红色报警（立即停机）。分级预警避免过度或不足维修，是设备状态监测的核心手段。