許海倫，潘宏俠

（中北大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引 言

齒輪箱故障長期以來一直是困擾工程界的難題之一。在如何不解體齒輪箱的情況下能有效診斷箱內(nèi)的各種故障行為是對(duì)診斷技術(shù)提出的更高要求，只有這樣才能適應(yīng)現(xiàn)代化的生產(chǎn)與管理水平。在目前的齒輪箱故障診斷中有許多的方法，但由于齒輪箱故障種類繁多，許多故障混雜在一起，相互影響，大部分的診斷方法效果并不理想[1]。在這種情況，提出了如下的診斷思路進(jìn)行故障的識(shí)別，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)說明這種方法對(duì)診斷齒輪箱常見故障是比較有效的。

由于齒輪箱工作過程中齒輪軸的振動(dòng)情況各不相同，齒輪軸的振動(dòng)信息往往包含著齒輪箱箱體振動(dòng)信號(hào)，這些振動(dòng)信息與各齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)信息聯(lián)系在一起，因此，當(dāng)齒輪軸或軸上齒輪發(fā)生故障時(shí)，各軸的振動(dòng)信號(hào)就會(huì)發(fā)生比較大的變化。齒輪的振動(dòng)頻譜圖包含著豐富的故障信息,因此對(duì)各種工況的齒輪進(jìn)行頻譜圖分析具有重要的實(shí)際價(jià)值，可以準(zhǔn)確地確定故障[2]。

1 齒輪箱故障診斷方法

振動(dòng)檢測在目前的齒輪箱故障診斷中是主要診斷方法，在齒輪的振動(dòng)中通常包括齒輪的周向、徑向和軸向振動(dòng)及齒輪的固有振動(dòng)等。缺陷在齒輪的振動(dòng)信號(hào)中會(huì)反映相當(dāng)清楚，這就為應(yīng)用振動(dòng)信號(hào)對(duì)齒輪進(jìn)行故障診斷提供了依據(jù)。

1.1 頻譜分析及其特點(diǎn)

在齒輪故障信息中最基本的研究方法是振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析，直接可能會(huì)成為振動(dòng)的激勵(lì)源的有齒輪在制造和安裝誤差、剝落和裂紋等故障，這些激勵(lì)源都以齒輪軸的回轉(zhuǎn)為周期，齒輪振動(dòng)信號(hào)中含有軸的回轉(zhuǎn)頻率及其倍頻[3]。故障齒輪的振動(dòng)信號(hào)往往表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)頻率對(duì)嚙合頻率及其倍頻的調(diào)制，形成以嚙合頻率為中心的頻譜圖，兩個(gè)等間隔分布的邊頻。在調(diào)頻和調(diào)幅的共同作用下，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，故障源信息在邊頻帶得到了充分的反映，邊頻帶的間隔反映了故障源的頻率，故障的程度由幅值的變化來反映[4，5]，因此，可以得出齒輪故障診斷實(shí)質(zhì)上是對(duì)邊頻帶的識(shí)別。

齒輪振動(dòng)的各調(diào)制邊頻可用下式表示：其中：fm為齒輪副的嚙合頻率；fr1，fr2分別為主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；p為嚙合頻率的各階諧頻的序數(shù)；m，n，分別為主、被動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的各階諧頻的序數(shù)。

齒輪的振動(dòng)頻譜圖的譜線一般有：齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其低階諧頻、齒輪的嚙合頻率及其倍頻、嚙合頻率的邊頻帶和齒輪幅的各階固有頻率等。在此當(dāng)中，齒輪副的固有頻率是由于齒輪嚙合時(shí)齒間撞擊而引起的齒輪自由衰減振動(dòng)，這些信號(hào)位于高頻區(qū)且振幅較小，所以在噪聲非常大情況下信號(hào)非常容易被淹沒。

1.2 倒頻譜分析原理

倒頻譜分析亦稱為二次頻譜分析，是近代信號(hào)處理科學(xué)中的一項(xiàng)新技術(shù)。該法對(duì)于齒輪的振動(dòng)和軸承的故障分析是一種有效的分析方法，由于齒輪箱中有多個(gè)轉(zhuǎn)軸和齒輪，因而有多個(gè)不同的旋轉(zhuǎn)速度和嚙合頻率，且每個(gè)旋轉(zhuǎn)頻率都可能在每個(gè)嚙合頻率及其高次諧波周圍調(diào)制出邊帶信號(hào)，因此在振動(dòng)功率譜中，可能會(huì)出現(xiàn)較混雜的頻譜，很難直觀地看出其變化和特點(diǎn)。如果對(duì)具有邊帶信號(hào)的功率譜本身再進(jìn)行一次譜分析，就能把邊帶信號(hào)分離出來，使功率譜中的周期分量在第二次譜分析的譜圖中呈離散線譜，其譜線高度就反映了功率譜中周期分量大小，這樣就容易識(shí)別調(diào)制信號(hào)。這種二次譜分析的方法就是倒頻譜分析。此方法對(duì)信號(hào)傳遞路徑的影響不敏感，并具有檢驗(yàn)周期信號(hào)的能力。

1.3 細(xì)化技（Z O O M）的基本原理

在故障診斷中，故障的特征信息往往只集中在某頻段內(nèi)，根據(jù)故障敏感頻段內(nèi)各頻率成分的變化情況，便可知道故障產(chǎn)生的原因和程度。為了提高診斷的準(zhǔn)確性和可靠性，須在該頻段內(nèi)有較高的頻率分辨率。利用ZOOM技術(shù)可大大提高診斷信號(hào)的頻率分辨能力，且計(jì)算速度快。ZOOM技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種選帶分析技術(shù)，它利用移頻原理，將時(shí)域樣本進(jìn)行改造，使相應(yīng)頻譜原點(diǎn)移到感興趣的頻段的中心頻率處，再重新采樣FFT，即可得到更高的分辨率。

2 齒輪箱故障診斷實(shí)例

本實(shí)驗(yàn)在JZQ-250型齒輪箱故障診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，齒輪箱由輸入軸、中間軸、輸出軸、兩對(duì)直齒輪、三對(duì)軸承和箱體組成。表1、2為試驗(yàn)臺(tái)的軸承、齒輪的基本參數(shù)，輸入軸經(jīng)由聯(lián)軸器與電機(jī)相連，輸出軸與磁粉制動(dòng)器連接。實(shí)驗(yàn)測試時(shí)輸入軸轉(zhuǎn)速由變頻器控制電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在輸入軸、中間軸和輸出軸兩端軸承上方的箱體上分別安裝3個(gè)測點(diǎn)振動(dòng)加速度傳感器，以測量齒輪箱運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號(hào)。

圖1 齒輪箱故障診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)

表1 試驗(yàn)臺(tái)的軸承基本參數(shù)（mm）

表2 試驗(yàn)臺(tái)的齒輪基本參數(shù)

3 齒輪箱齒輪故障特征分析

3.1 細(xì)化譜邊頻特征分析

測試系統(tǒng)在第二測點(diǎn)測取的中間軸振動(dòng)功率譜如圖2所示。從圖2中可以看出，在445 Hz附近有尖峰出現(xiàn)，對(duì)這一頻率左右范圍進(jìn)行細(xì)化譜分析，其細(xì)化譜邊頻帶分布，如圖3所示。在細(xì)化譜上，以嚙合頻率445 Hz的譜線為中心向兩邊搜索，結(jié)果表明，一族調(diào)制邊帶為（445±n20）Hz的峰值比較突出，由此可知是主要的調(diào)制源。

3.2 振動(dòng)信號(hào)波形圖的齒輪分析

由圖4（a）上圖的振動(dòng)信號(hào)波形圖中可以看出：在齒輪的外圈有裂紋時(shí)，有明顯的沖擊信號(hào)，沖擊信號(hào)在400 Hz左右；說明外圈裂紋發(fā)生在這個(gè)頻率左右，再結(jié)合圖4（b）在400 Hz左右對(duì)應(yīng)的時(shí)間為50~100 s之間，也就是說在400 Hz左右、50~100 s間發(fā)生外圈裂紋的可能性比較大。

圖2 振動(dòng)信號(hào)的幅值譜

圖3 振動(dòng)信號(hào)細(xì)化譜

圖4 外圈裂紋情況下分析結(jié)果

3 結(jié) 論

通過把頻譜分析和時(shí)頻分析兩種分析方法結(jié)合起來對(duì)齒輪的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行診斷，兩者能夠互相補(bǔ)充缺點(diǎn)，能夠更有效地反映出信號(hào)的頻率隨時(shí)間的變化情況，時(shí)頻分析有它更為優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，它把頻域和時(shí)域聯(lián)系了在一起，并且有更高的分辨率，不僅能反映時(shí)間的變換特征，而且還能反映頻率的變換特征，能更加清楚地反應(yīng)出故障。

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