邢明星 高海龍 吳海東
摘 要:在研究了齒輪系統(tǒng)的振動噪聲機(jī)理的基礎(chǔ)上建立了以倒頻譜分析法為核心的齒輪故障診斷數(shù)學(xué)模型,依據(jù)該模型,利用LMS Test. Lab函數(shù)運(yùn)算、頻譜曲線繪圖功能對某新能源減速器測試數(shù)據(jù)進(jìn)行倒頻譜分析,并準(zhǔn)確找到故障源;結(jié)果表明,倒頻譜分析法能夠簡化復(fù)雜振動信號的頻譜特征,分離、提取密集邊頻信號中的周期成份,精確定位故障源,對工程應(yīng)用具有重要意義。
關(guān)鍵詞:振動噪聲機(jī)理;倒頻譜分析法;邊頻信號;周期成份
1 引言
在變速傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的異響中,齒輪的局部故障占有很大的比例,而此時齒輪傳動系統(tǒng)的振動信號中包含了豐富的故障特征信息,不同的齒輪故障具有的振動信號特征不同。目前故障的診斷方法有很多,常見的方法有:時域分析法、頻域分析法、時間序列分析法和倒頻譜分析法等,各種振動信號分析方法在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中都取得了成功的應(yīng)用[1,2]。
齒輪嚙合傳動過程中,其振動和噪聲可以迅速、全面、真實地反映齒輪傳動系統(tǒng)故障的性質(zhì)和范圍,而要準(zhǔn)確診斷出故障所在,振動信號特征的提取和分析成為關(guān)鍵[3]。由于齒輪傳動過程中齒輪軸的轉(zhuǎn)頻調(diào)制齒輪的嚙合頻率,從而導(dǎo)致齒輪振動信號的頻譜曲線圖中會出現(xiàn)在齒輪嚙合頻率周圍產(chǎn)生一系列邊頻譜帶;當(dāng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時,信號會保持不變;而當(dāng)齒輪出現(xiàn)故障時,邊頻帶的數(shù)量和幅值會發(fā)生變化;這些邊頻帶交叉在一起很難進(jìn)行分辨,只應(yīng)用普通的頻譜分析法已不能夠準(zhǔn)確的判斷出故障,利用倒頻譜法能夠有效地分析復(fù)雜邊頻的周期成分[3,4,5]。本文采用倒頻譜分析法對某新能源減速器齒輪振動信號進(jìn)行兩次傅里葉積分變換,將原功率譜上成族的邊頻線簡化為單根譜線,使信號的能量更加集中[6],進(jìn)而準(zhǔn)確定位故障源,為提升整個傳動系統(tǒng)的使用品質(zhì)提供了保障。
2 減速器齒輪嚙合振動調(diào)制分析
由前文可知,若該輸入信號存在問題,則輸出信號會存在邊頻現(xiàn)象,根據(jù)式(1)-式(6),利用倒頻譜法可以將復(fù)雜的的頻譜卷積計算變成簡單的迭加計算,進(jìn)而對導(dǎo)致產(chǎn)生邊頻的問題信號進(jìn)行分離提取,識別頻譜周期性,精確測算頻率間隔,找到問題真因。
4 工程應(yīng)用及分析
本文利用倒頻譜分析發(fā)對某型號新能源減速器在行車過程中出現(xiàn)的“噠噠”敲擊異響昂進(jìn)行故障分析,測試方案如表1所示。測試設(shè)備為LMS振動噪聲測試系統(tǒng),該系統(tǒng)由LMS SCADAS數(shù)采前段、16通道電壓/ICP/TEDS/BRIDGE輸入模塊、轉(zhuǎn)接線、BNC線、ICP傳感器組成,測試完成后利用LMS Test.Lab軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
圖3(a)為測試的時域信號,信號平穩(wěn)無異常。對該信號進(jìn)行傅里葉變化,如圖3(b)所示,1050Hz處有明顯峰值,同時主峰值周圍的邊頻信號幅值增大,當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速為1000rpm時,輸入軸齒輪的嚙合3倍頻f1=(1000/60)*63=1050Hz,依據(jù)該計算結(jié)果和邊頻的存在可斷定異響來自于減速器內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)件,但無法明確具體故障源。利用倒頻譜法處理分析,如圖3(c)所示,在T=0.06s, 0.12s,0.18s,0.24s處依次出現(xiàn)峰值,相鄰兩峰值的頻率差△f=1/△T=1/0.06=16.6 Hz,而輸入軸軸轉(zhuǎn)頻f2=1000/60=16.6Hz,由此可見,減速器振動數(shù)據(jù)中的邊頻帶主要由輸入軸轉(zhuǎn)頻調(diào)制形成,故異響產(chǎn)生的根源來自輸入軸齒輪,產(chǎn)生該故障的原因可能包括:①載荷異常波動,導(dǎo)致齒面剝落,產(chǎn)生敲擊;②齒面磕碰產(chǎn)生敲擊;③齒輪加工精度差產(chǎn)生大的誤差(經(jīng)分析裝箱數(shù)據(jù),可排除);拆箱后,查看發(fā)現(xiàn)輸入軸齒輪齒面存在磕碰現(xiàn)象,如圖3(d)所示,與測試分析結(jié)果一致,達(dá)到預(yù)期目的。
5 總結(jié)
(1)研究了齒輪系統(tǒng)的振動噪聲機(jī)理,明確出定位故障源的根本在于如何分離、提取并分析振動信號中的邊頻成份,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建齒輪故障診斷倒頻譜分析數(shù)學(xué)模型;
(2)對某型號新能源減速器異響問題進(jìn)行真因排查,通過簡化復(fù)雜振動信號的頻譜特征,分離、提取密集邊頻信號中的周期成份,并經(jīng)分析計算,精確定位故障源,進(jìn)一步驗證了倒頻譜分析法的有效性,為實際工程應(yīng)用提供重要經(jīng)驗。
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