馮 磊，王士一，徐秀波

（1.哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，黑龍江 哈爾濱 150066；2.中國人民解放軍駐120 廠軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150066）

直升機(jī)的振動(dòng)和噪聲主要來源于旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)，而傳動(dòng)系統(tǒng)又恰好位于直升機(jī)駕駛艙和乘員艙的上面，因此，直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲水平直接影響到直升機(jī)的舒適性。同時(shí)，振動(dòng)和噪聲也是反映傳動(dòng)系統(tǒng)品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，同樣的傳動(dòng)系統(tǒng)如果噪聲和振動(dòng)水平低，則其使用壽命也一定長，可靠性安全性也會(huì)高。

噪聲是發(fā)聲體作無規(guī)則振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的聲音，由此說明振動(dòng)和噪聲是緊密相關(guān)的，它們的起源相同，如果所有振動(dòng)消除，則噪聲也不會(huì)存在。直升機(jī)的振動(dòng)和噪聲主要來源于旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)，而傳動(dòng)系統(tǒng)又恰好位于直升機(jī)駕駛艙和乘員艙的上面，因此，直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲水平直接影響到直升機(jī)的舒適性。同時(shí)，振動(dòng)和噪聲也是反映傳動(dòng)系統(tǒng)品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，同樣的傳動(dòng)系統(tǒng)如果噪聲和振動(dòng)水平低，則其使用壽命也一定長，可靠性和安全性也會(huì)高。

門捷列夫曾經(jīng)針對(duì)科學(xué)的意義做出如下回答：“科學(xué)，只有當(dāng)人類懂得測量時(shí)才開始”。所以本文將針對(duì)如何通過進(jìn)行必要的噪聲測量或振動(dòng)監(jiān)控手段，提前發(fā)現(xiàn)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的故障隱患，保證傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。

1 直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)、噪聲機(jī)理分析

直升機(jī)傳動(dòng)的振動(dòng)和噪聲主要來自于減速器。減速器的振動(dòng)和噪聲是復(fù)雜的齒輪、軸承、軸和機(jī)匣之間的交互作用。其影響因素包括：齒輪嚙合力（激振力）、嚙合齒對(duì)數(shù)、齒輪精度、傳動(dòng)誤差、接觸比、齒廓修正、齒輪側(cè)隙、材料、表面光潔度、軸承支撐位置、機(jī)匣剛度、不平衡和連接的不對(duì)中、共振等。

在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，根據(jù)機(jī)理的不同，可將噪聲分成加速度噪聲和自鳴噪聲兩種。一方面，在齒輪輪齒嚙合時(shí)，由于沖擊而使齒輪產(chǎn)生很大的加速度并會(huì)引起周圍介質(zhì)擾動(dòng)，由這種擾動(dòng)產(chǎn)生的聲輻射稱為齒輪的加速度噪聲。另一方面，在齒輪動(dòng)態(tài)嚙合力作用下，傳動(dòng)系統(tǒng)的各零部件會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)所產(chǎn)生的聲輻射稱為自鳴噪聲。 對(duì)于開式齒輪傳動(dòng)，加速度噪聲由輪齒沖擊處直接輻射出來，自鳴噪聲則由齒輪、傳動(dòng)軸等處輻射出來。對(duì)于閉式齒輪傳動(dòng)，加速度噪聲先輻射到減速器內(nèi)的空氣和潤滑油中，再通過減速器輻射出來。自鳴噪聲則由齒輪的振動(dòng)通過傳動(dòng)軸引起支座振動(dòng)，從而通過減速器機(jī)匣的振動(dòng)而輻射出來。一般說來，自鳴噪聲是閉式齒輪傳動(dòng)的主要聲源。

由于機(jī)械振動(dòng)是產(chǎn)生噪聲的根源，因此，雖然噪聲在現(xiàn)代工程技術(shù)中可以通過聲壓級(jí)、聲功率級(jí)及其噪聲頻譜分析等方法進(jìn)行測量，但噪聲測量的真實(shí)值受周圍環(huán)境的影響較大，所以工程測試中大多直接進(jìn)行振動(dòng)測量，并針對(duì)測量的振動(dòng)數(shù)據(jù)加以分析，進(jìn)而找出降低系統(tǒng)振動(dòng)的方法，最終實(shí)現(xiàn)改善整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲水平的目的。

2 齒輪振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生原因

齒輪振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的原因包括：傳動(dòng)誤差、不平衡、連接的不對(duì)中和共振以及夾帶。

（1）傳動(dòng)誤差

傳動(dòng)誤差產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲主要是由于齒輪齒的彈性變形（接觸和彎曲），齒輪支撐輪緣，輻板的變形，齒輪和機(jī)匣的制造精度等導(dǎo)致的傳遞載荷的變化引起的。這些變化將引起一個(gè)依次激勵(lì)扭轉(zhuǎn)/橫向/軸向齒輪軸的振動(dòng)模式的動(dòng)力，且由此產(chǎn)生的激勵(lì)和聲學(xué)頻率等于嚙合頻率。

（2）不平衡

旋轉(zhuǎn)部件動(dòng)力學(xué)不平衡會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)。這個(gè)力將與旋轉(zhuǎn)速度的平方成比例，并導(dǎo)致來自于所有減速器零件的動(dòng)力學(xué)特性的響應(yīng)，從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。

（3）連接不對(duì)中

減速器之間的柔性聯(lián)軸節(jié)提供輸入和輸出之間的連接。連接的未對(duì)準(zhǔn)可能產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)。通常，如果柔性聯(lián)軸節(jié)使用不等速類型，不對(duì)中，將引起2 乘以旋轉(zhuǎn)頻率的扭轉(zhuǎn)激勵(lì)。減速器可能響應(yīng)這個(gè)激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)。

（4）共振

如果齒輪表現(xiàn)出一個(gè)激勵(lì)頻率同系統(tǒng)的固有頻率一致或接近，將產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。例如，減速器必須避免固有頻率接近或等于螺旋槳葉片的通過頻率，也就是槳葉數(shù)乘以轉(zhuǎn)速。

（5）夾帶

在高速嚙合中，會(huì)由于空氣和滑油被擠出相嚙合齒的齒隙而引起噪聲，且這個(gè)噪聲在高速減速器全部噪聲水平中占主要地位。

3 振動(dòng)監(jiān)測的內(nèi)容、測試要求及分析手段

振動(dòng)測試技術(shù)作為解決工程振動(dòng)問題的一種有效手段，在近二十年隨著科技、生產(chǎn)的發(fā)展，振動(dòng)測試無論在理論上或技術(shù)和使用都發(fā)生了令人矚目的深刻變化。同時(shí)電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的進(jìn)展，也大大加強(qiáng)了振動(dòng)測試的功能，提高了測試的精度和速度，促進(jìn)了振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

3.1 振動(dòng)測試的內(nèi)容

（1）測量機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下存在的振動(dòng)，如：振動(dòng)、位移、速度、加速度、頻率和相位等。包括：了解被測對(duì)象的振動(dòng)狀態(tài)、評(píng)定等級(jí)；尋找振源；監(jiān)測、分析、診斷和預(yù)測。

（2）對(duì)機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵(lì)，測量其受迫振動(dòng)。包含：被測對(duì)象的振動(dòng)力學(xué)參量或動(dòng)態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、剛度、響應(yīng)和模態(tài)等；提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗振性能，機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析和振動(dòng)設(shè)計(jì)，找出薄弱環(huán)節(jié)，改善其抗振能力

3.2 振動(dòng)測量的幾個(gè)要點(diǎn)

（1）測振傳感器的選擇要堅(jiān)持最重要的參數(shù)能以最直接、最合理的方式測得

如考察慣性力可能導(dǎo)致的破壞或故障時(shí)，宜作加速度測量；在考察振動(dòng)環(huán)境（振動(dòng)烈度以振動(dòng)速度的均方值來描述）時(shí)，宜作振動(dòng)速度測量；要監(jiān)測機(jī)件的位置變化時(shí)，宜選用電渦流或電容傳感器作位移的測量；選擇時(shí)還需要注意能在實(shí)際機(jī)器設(shè)備安裝的可行性。

（2）振動(dòng)量測位置選擇

在簡易或精密診斷中，每次測點(diǎn)必須固定；傳感器以愈接近被測對(duì)象愈好，獲得被測對(duì)象最短路徑傳遞值，盡量避免結(jié)構(gòu)部分所帶來的影響。

（3）傳感器安裝角度引起的誤差

傳感器的感振方向，應(yīng)該與待測方向一致，否則會(huì)造成測試誤差；在測量小加速度時(shí)，傳感器更應(yīng)該精確安裝，使慣性質(zhì)量運(yùn)動(dòng)的方向和待測振動(dòng)方向重合。

（4）其它問題

導(dǎo)線連接：接頭不良，會(huì)產(chǎn)生寄生的振動(dòng)波形，有時(shí)使得測試數(shù)據(jù)忽大忽小。

接地：不良的接地或不合適的接地地點(diǎn)，使測試中會(huì)產(chǎn)生較大的電氣干擾，同樣會(huì)使測試受到嚴(yán)重的影響。

電纜的噪聲：這些噪聲既可由電纜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起，也可由接地回路效應(yīng)的電感應(yīng)和噪聲引起。

3.3 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)故障的特征頻率與邊頻帶

在生產(chǎn)條件下，很難直接監(jiān)測某一個(gè)齒輪的故障信號(hào)，一般是在軸承、箱體有關(guān)部位測量。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，無論齒輪發(fā)生了異常與否，齒的嚙合都會(huì)發(fā)生沖擊嚙合振動(dòng)，其振動(dòng)波形表現(xiàn)出振幅受到調(diào)制的特點(diǎn)，甚至既調(diào)幅又調(diào)頻。

各類故障在頻域中的表現(xiàn)如下：

（1）當(dāng)齒輪均勻磨損時(shí)，嚙合頻率及其諧波分量保持不變，但幅值大小改變，高次諧波幅值增大較多。

（2）調(diào)幅現(xiàn)象。其是由于齒面載荷波動(dòng)對(duì)幅值的影響造成的，調(diào)幅的一個(gè)原因是齒輪偏心，此時(shí)的調(diào)制頻率為齒輪的回轉(zhuǎn)頻率。當(dāng)在齒輪上有一個(gè)齒存在局部缺陷時(shí)，相當(dāng)于齒輪的振動(dòng)受到一個(gè)短脈沖的調(diào)制，脈沖的長度等于齒的嚙合周期。

（3）調(diào)頻現(xiàn)象。在實(shí)際情況中，同樣的齒面壓力的波動(dòng)，在產(chǎn)生調(diào)幅現(xiàn)象的同時(shí)，也會(huì)引起頻率調(diào)制現(xiàn)象，其結(jié)果是在譜上得到一個(gè)調(diào)幅與調(diào)頻綜合形成的邊頻帶。齒輪存在偏心時(shí)，由于齒面載荷變化引起調(diào)幅現(xiàn)象的同時(shí)，又由于齒輪轉(zhuǎn)速的不均勻而引起調(diào)頻現(xiàn)象。

（4）附加脈沖。實(shí)際測得的信號(hào)不一定對(duì)稱于零線，可將信號(hào)分解為兩部分：即調(diào)幅部分和附加脈沖部分。附加脈沖是回轉(zhuǎn)頻率的低次諧波，平衡不良、對(duì)中不良和機(jī)械松動(dòng)等，均是回轉(zhuǎn)頻率的低次諧波振源，但不一定與齒輪缺陷直接有關(guān)；附加脈沖的影響一般不會(huì)超出低頻段，即在嚙合頻率以下。

（5）隱含譜線。其是功率譜上的一個(gè)頻率分量，產(chǎn)生的原因?yàn)榧庸み^程給一個(gè)齒輪所帶來的周期性缺陷。

局部缺陷：相當(dāng)于齒輪的振動(dòng)受到一個(gè)短脈沖的調(diào)制，脈沖長度等于齒輪的旋轉(zhuǎn)周期。由此形成的邊頻帶數(shù)量多且均勻。

分布缺陷：由于分布缺陷所產(chǎn)生的幅值調(diào)制較為平緩，由此形成的邊頻帶比較高而且窄。并且，齒輪上的缺陷分布越均勻，頻譜上的邊頻帶就越高、越集中。

3.4 振動(dòng)信號(hào)分析診斷方法

由上文可知，齒輪的制造與安裝誤差、剝落、裂紋等故障會(huì)直接成為振動(dòng)的激勵(lì)源（齒輪軸的回轉(zhuǎn)為周期），表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)頻率對(duì)嚙合頻率及其倍頻的調(diào)制，在譜圖上形成以嚙合頻率為中心、兩個(gè)等間隔分布的邊頻帶。由于調(diào)頻和調(diào)幅的共同作用，最后形成的頻譜表現(xiàn)為以嚙合頻率及其各次諧波為中心的一系列邊頻帶群。邊頻帶反映了故障源信息，邊頻帶的間隔反映了故障源的頻率，幅值的變化表示故障程度，即齒輪故障診斷實(shí)質(zhì)上是對(duì)邊頻帶的識(shí)別。

4 結(jié)束語

通過某型直升機(jī)主減速器的噪聲機(jī)理分析、診斷、排除案例可知：進(jìn)行必要的測量手段可以為提前發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的故障隱患提供可靠的信息，針對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行工程分析并結(jié)合機(jī)械系統(tǒng)的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工況、動(dòng)力學(xué)特性及其它相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)可能存在的潛在故障作出預(yù)測，并進(jìn)行針對(duì)性的進(jìn)行排查、測量及解決措施制定，實(shí)現(xiàn)了由機(jī)械系統(tǒng)常規(guī)的事后維修向計(jì)劃維修和預(yù)知維修轉(zhuǎn)變，并最終保證機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的使用安全。

[1]孔德文.大型齒輪傳動(dòng)裝置動(dòng)力學(xué)及故障診斷技術(shù)研究[D].吉林：吉林大學(xué),2008.

[2]劉 彪.基于局部線性嵌入的齒輪箱振動(dòng)測點(diǎn)優(yōu)化研究[D].遼寧：大連理工大學(xué),2009.