李 崢，秦朝燁，王天楊，王 旭，2，盧文秀，褚福磊

（1.清華大學機械工程系，北京 100084；2.火箭軍工程大學導彈工程學院，西安 710025）

0 引言

在旋轉機械故障診斷中齒輪和軸承是典型的旋轉設備，如何快速準確定位其發(fā)生故障及程度，在故障診斷中是很重要的，由于實際工況的各種干擾，很難在各種復雜信號中找到有用的數(shù)據(jù)，尤其是對于剛剛接觸或者從事科研的研究生。為此動力學課題組開設了針對研究生的旋轉設備故障診斷實驗課程，利用現(xiàn)有實驗設備——機械故障仿真器，針對齒輪采集了無故障、磨損、缺齒3 種信號，針對軸承設計了內(nèi)圈、外圈、滾動體3 部位故障，采集電動機轉速從300～1 800 r/min的振動信號，對應控制器頻率為5～30 Hz，然后利用時域和頻域信號處理方法進行分析，驗證了設備的可靠性，從而為開展實驗教學及科研工作奠定了基礎［1-4］。

1 試驗臺簡介

試驗臺是美國SpectraQuest 公司的機械故障仿真器（MFS），如圖1 所示。MFS從輸入端（電動機）到支撐軸承再到齒輪箱的傳動系統(tǒng)簡圖如圖2 所示。

圖1 MFS及齒輪箱實物圖和測試軸承

圖2 MFS傳動系統(tǒng)簡圖

電動機主軸1 的動力通過雙V 型皮帶傳遞到齒輪箱主動軸2，軸1 上帶輪直徑d1=50 mm，軸2 上帶輪直徑d2=125 mm，帶輪內(nèi)圈周長分別為86、325 mm，綜合考慮滑移等因素通過實驗確定傳動比i約為0.386。

2 試驗臺各種參數(shù)及故障類型

2.1 MFS研究齒輪故障

仿真器提供了典型的3 種齒輪故障，齒輪實物圖如圖3 所示。齒輪箱具體型號為Hub City M2，是一個傳動比為1.5∶1的一級減速傳動，其主動軸的齒輪可以選擇提供的3 種齒輪進行更換。輪箱中兩個齒輪的相關參數(shù)為：齒輪1 有18 齒，齒輪2 有27 齒，壓力角α均為20°。

圖3 磨損齒輪和斷齒齒輪實物圖

2.2 MFS研究軸承故障

試驗臺所采用的是30206 型軸承，外圈直徑62 mm，內(nèi)圈直徑30 mm，節(jié)徑48 mm，滾動體直徑9 mm，滾珠個數(shù)Nb=17，接觸角：14，寬度：17.5 mm，Cr：43.2 kN，Cor：50.5 kN。根據(jù)產(chǎn)生故障的不同位置，在軸承外圈、內(nèi)圈、滾動體上利用線切割加工直徑寬2 mm、深1 mm的凹槽點蝕故障缺陷。典型軸承故障圖如圖4 所示。

圖4 典型故障軸承實物圖

3 齒輪與軸承頻率分析

根據(jù)齒輪箱的各種參數(shù)可計算得到不同轉速下各齒輪對應的轉頻及嚙合頻率［5-6］，以及不同轉速下測試的軸承具體數(shù)值，如表1 所示。

表1 不同轉頻與轉速下的齒輪頻率參數(shù)

軸承故障特征頻率計算公式：

外圈故障特征頻率（Ball pass frequency on the outer race）

內(nèi)圈故障特征頻率（Ball pass frequency on the inner race）

滾動體故障特征頻率（Ball spin frequency）

代入軸承相關尺寸數(shù)據(jù)，可以得到不同控制器轉頻下相應故障特征頻率（見表2）。

表2 不同轉頻下相應故障特征頻率Hz

4 試 驗

實驗中，齒輪箱所用為三軸ICP加速度傳感器，型號為604B31，如圖5 所示。通過磁吸座固定在齒輪箱體上，振動實驗如圖6 所示；軸承所用352C04 型號加速度傳感器如圖7 所示，其安裝在軸承座進行測試，如圖8 所示。

圖5 三軸加速度傳感

圖6 齒輪箱振動實驗裝置

圖7 單軸加速度傳感器

圖8 軸承振動實驗裝置

齒輪實驗主要是針對上述3 種典型故障齒輪在不同轉速下的實驗。通過加速度分別采集不同轉速下不同故障程度的振動信號數(shù)據(jù)，其采樣頻率為102.4 kHz。針對軸承實驗內(nèi)容主要是在相同轉速下4 種軸承典型故障信號對比分析，然后對采集到的振動數(shù)據(jù)進行時域和頻域處理，從而得到相應的實驗規(guī)律。

5 信號分析與處理

5.1 時域分析處理

根據(jù)上述實驗，分析3 種不同故障程度的齒輪在6 種轉頻下的時域信號，時域分析選取最大值，其他時域分析的各種指標：如峰峰值、有效值、均方值等都與最大值的趨勢一樣，其最大值的趨勢圖如圖9 所示。

根據(jù)圖9 的趨勢，可以明顯看出齒輪發(fā)生故障時，時域的各個指標不僅隨著故障程度的升高而升高，并且也隨著轉速的增加而更為明顯，因此在利用時域指標判斷齒輪是否發(fā)生故障時，應盡量提高其轉速，才能更好地判定設備是否發(fā)生了故障，但是時域分析無法判斷其發(fā)生位置。

圖9 不同狀態(tài)下齒輪時域信號變化趨勢圖

針對不同故障低速軸承信號進行時域信號分析處理，得到不同故障的各種時域值。

由表3 可知，實驗軸承比正常軸承的相應參數(shù)都大，這正是軸承發(fā)生故障的征兆。實驗軸承外圈固定，內(nèi)環(huán)轉動，因此當外環(huán)發(fā)生故障時，外圈故障位置不變，相對于其他故障干擾最少，也是最容易診斷。由于其運動特點，所以外圈軸承振動信號較為容易采集和分析。從表3 可以看出，實驗軸承各時域統(tǒng)計特征參數(shù)均大于正常軸承，對比可知軸承的確存在故障，但是無法判斷其位置。

表3 正常軸承與故障軸承時域統(tǒng)計特征參數(shù)比較

5.2 頻域分析處理

針對仿真器的各種轉速下的信號，在頻域分析中只采用設備在5 Hz 的低轉頻和30 Hz 高轉頻下的不同故障程度信號進行處理并分析，分析方法利用頻譜分析和包絡譜如圖10～12 所示。

當齒輪無故障時，低轉頻下在幅頻譜和包絡譜中可以看到100 Hz的頻率處對應的幅值最大，100 Hz是電源頻率的2 倍頻，是機械故障仿真器電控系統(tǒng)的頻率，在斷齒和磨損齒輪的振動信號中這一頻率仍然是存在的，只是幅值大小不同而已，故可以對其不予考慮。從圖10（a）可見0.5X15.2 Hz、1X30.4 Hz嚙合頻率及2X60.9 Hz頻率成分的存在。在圖10（c）高轉頻齒輪嚙合頻率附近的邊頻帶幅值較小，可以忽略不計，無故障包絡譜與其類似，旋轉頻率占據(jù)了主要了頻譜，因此不具有任何故障的特征頻率成分，即齒輪正常，不存在任何故障。

磨損齒輪振動信號的幅頻譜和包絡譜如圖11（a）（b）所示，與圖10（a）（b）正常齒輪對比，可以發(fā)現(xiàn)兩者幾乎沒有區(qū)別，但可以發(fā)現(xiàn)1/2X、2X頻率的幅值有較大增強，可以看到30.37 Hz的嚙合頻率及60.84 Hz的2 倍頻，并且是存在邊頻帶的，可以判斷為磨損故障，而1X 頻率的幅值減小，說明存在故障，但故障較小，這說明磨損齒輪的故障信號非常微弱，符合齒輪發(fā)生微弱信號時的特征，可以判定齒輪發(fā)生了磨損微弱故障。在高速運行情況下，圖11（c）（d）與圖10（c）（d）對比發(fā)現(xiàn)，幅值明顯增大，而且在204.1 Hz出現(xiàn)了以轉頻11.4 Hz 和7.6 Hz 進行調(diào)制邊頻帶。由此可以判斷齒輪1 存在故障，并且可以判斷為磨損故障。通過以上信號分析方法判斷出了磨損故障，與正常齒輪的信號相比，磨損齒輪的邊頻帶開始顯現(xiàn)，雖然并不是太明顯，但與正常齒輪相比還是能看出差別的。

圖10 5 Hz低轉頻和30 Hz高轉頻下無故障信號分析

圖11 5 Hz低轉頻和30 Hz高轉頻下磨齒信號分析

斷齒齒輪的振動信號幅頻譜和包絡譜如圖12（a）（b）所示，與正常齒輪及磨損齒輪的信號對比可以發(fā)現(xiàn)0.5X、1X、2X 頻率的振幅有所增大，且增大較多。圖12（c）（d）可見，嚙合頻率204.1 Hz在這些頻率四周存在以11.3 Hz和7.6 Hz 的轉頻進行調(diào)制的邊頻帶，并且邊頻帶幅值大，與斷齒故障的頻譜特征相同，可以判斷齒輪存在著斷齒故障。

圖12 5 Hz低轉頻和30 Hz高轉頻下斷齒信號分析

由以上齒輪的振動信號分析可知，當齒輪轉速很低時，其振動并不劇烈，3 種齒輪的振動信號的幅值相差不大。隨著轉速的升高，齒輪的振動也在加大，因此在測試中的信號也更為明顯，通過分析得到了相應的故障特征頻率，有利于進行故障的診斷，所以采用振動分析法對齒輪進行故障診斷時，應該在條件允許的情況下使齒輪箱的輸入轉速盡可能高一點，這樣有利于振動信號的采集及特征信號的提取，能取得更好的診斷效果［7-13］。

由于采集到的軸承各種位置數(shù)據(jù)較多，因此這里只針對10 Hz和25 Hz下的不同位置軸承故障進行頻譜和相位譜的分析，如圖13、圖14。

圖13 10 Hz下內(nèi)圈、滾動體、外圈故障信號幅值譜與包絡譜分析

圖14 25 Hz下內(nèi)圈、滾動體、外圈故障信號幅值譜與包絡譜分析

由表3 不同轉頻下相應故障特征頻率，當控制器轉頻為10 Hz下，不論在幅值譜還是在包絡譜中，都能明顯看到了軸承相應的內(nèi)圈、外圈、滾動體的特征頻率為53 Hz、36 Hz、20 Hz，其他頻率相對于故障特征頻率均較小，這是由于軸承發(fā)生故障時，相應故障的振動較其他的振動更為明顯，同理25 Hz下軸承不同位置的特征頻率也較為突出，實驗結果表明計算所得故障與實驗的故障一致，綜上所述，當軸承發(fā)生故障時，無故障指標明顯比其他故障的指標低障，可以判斷出軸承發(fā)生了故障，但是無法定位故障位置。通過針對軸承的特征頻率計算得到的故障特征頻率，能有效地定位軸承故障形式，上述頻率的分析有效的驗證了設備的可靠性，滿足實驗教學。

6 結語

本文通過對機械故障仿真器的齒輪3 種和軸承4種典型位置故障信號，3 種不同轉速的實驗研究，利用時域和頻域的分析方法，驗證和得到了齒輪與軸承隨著故障程度的增加及轉速的增加而變化的趨勢，為研究生能有效地開展針對不同故障、不同轉速的情況下旋轉進行故障診斷研究，驗證了試驗臺能有效地服務于教學實驗及科研實驗中，為研究生開展相關科研及學習提供了實驗基礎。