齿轮传动中几种典型故障的振动图谱分析

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1、齿轮传动中几种典型故障的振动图谱分析王新晴王耀华陈六海唐文标(南京工程兵工程学院工程机械,江苏南京210007)徐燕申(天津大学机械学院,天津300072)摘要加速度高频包络解调信号虽属低频范围,但与直接采集的加速度信号相比,具有更强的除噪能力,更能直接反映故障本质。通过齿轮传动中几种典型故障(如简单齿轮箱的松动、崩齿等严重故障以及较为复杂的齿轮箱不对中、轴承齿轮综合故障等),对这些故障的时域、频域信号进行了详细地分析,提出了这些典型故障的振动信号特征及诊断依据,进一步说明了高频包络解调信号的有效性。关键词包络解调;故障特

2、征;图谱分析;齿轮传动率接近的减幅振荡信号。振荡信号跟原来的尖脉冲信号相比,从幅值上被放大,从时间上被展宽,因而故障信息突出。再利用高中心频率的带通滤波器有效的使冲击故障信息与低频干扰信号隔开,提高了信噪比。最后对滤波器输出的信号进行求绝对值、取包络线等解调处理,得到低频的共振解调信号。再对低频的共振解调信号进行谱分析就会得到相应的特征谱图,具体实现途径见图1。引言齿轮箱是一种量大面广,应用普遍的基础性部件,普遍存在于各种机械设备之中;对齿轮箱实施不解体诊断研究具有重要的实际意义与经济价值。对于机械车辆故障的主要难点是,(

3、a)缺乏良好的检测点,振动环境复杂,干扰因素多(外部来自发动机、传动轴、离合器、行走工作装置的干扰,内部来自机械加工及装配误差、润滑油质量等),提取有用信号困难大;(b)齿轮箱故障诊断试验费用高、耗时耗力;(c)齿轮箱的位置一般设置在机械车辆的内部,离操作者较远,操作者往往很难感觉到齿轮箱的技术状态。如何减少各种因素的干扰,采集与故障最直接的信号,通过哪些信号处理手段提取哪些与故障具有本质联系的时、频域特征,是齿轮传动故障诊断的关键。图1高频信号共振包络解调过程示意图图2与图3分别是通过第一与第二种采集方式获1振动信号采集

4、方式及其除噪效果对比分析振动信号的采集有两种方式。通常的方法是通过加速度传感器直接获取齿轮箱体上的振动信号。其主要特点是幅值较大,信号成分多,反映直接;但易受到各种无关因素的干扰,信号重复性差,在频域中分辨率与频带宽往往出现矛盾,很难同时反映故障的高频特征与低频包络特征。第二种是采集经过共振解调电路处理后的高频信号的包络信号。虽然采集的频率仍然可用较低频段,但却反映了高频信号的包络特征,较好地克服了第一种方式的缺陷。在复杂的振动环境中可以屏蔽强大的低频等信号的干扰,提取有用信号。共振解调技术基本原理是:一般情况下,正常状态

5、振动比较平稳,一旦出现局部故障或损伤往往会引起冲击尖脉冲信号。由于具有很宽的频带,该信号经传感器接收后产生共振,输出一个频率与传感器固有频图2未经高频包络处理的谱图图3经过高频包络处理的谱图第23卷第3期齿轮传动中几种典型故障的振动图谱分析35得的同一状态同一测点的加速度振动幅值谱图。虽然前者幅值较大,但成分复杂,很难加以准确识别;后者反映了高频信号的包络特征,有效地滤除了强大的低频干扰信号的影响,信噪比明显提高,图谱清晰,较好地反映了故障特征。的旋转频率f0为1.88Hz,缺陷齿轮的齿数为33,对应啮合频率即中心频率为6

6、2Hz,边频带的间距等于f0即1.88Hz。时域中,幅值和频率调制信号以及所对应的频域边频带结构是齿轮缺陷的重要特征。2.3不对中故障的图谱分析图6为GWJ110齿轮箱结构简图。该齿轮箱有4根轴,十多个齿轮,同时啮合的齿轮多达6对(部分为空啮合),在进行台架试验时将第一轴通过联轴器与电动机连接在一起,由于联轴器对中不良,造成第一轴约2°左右的偏心。图7为第一轴轴承附近获得共振解调后的振动加速度频谱图。从图上可以看出以5.5Hz为基础的多阶等间距谱线,与第一轴的旋转转速330rΠmin吻合。出现这种情况是由于第一轴为悬臂结构

7、,其偏心造成了该轴上的啮合齿轮在某一扇区内啮合过紧,而在相对应的另一扇区内各齿啮合过松,这种过紧与过松每转一圈就会发生一次,从而产生周期性高频冲击信号,这个周期就是轴的旋转速度(次Π秒)即旋转频率。从箱体上加速度传感器获得的振动信号除了周期性高频冲击信号外,还包括其它复杂的低频干扰信号。通过共振解调电路将获得的实测信号进行高通滤波,取绝对值,求包络线,从而获得低频段清晰的包络信号,这个包络信号经过谱分析就获得了图7频域谱图,故障特征非常明显。2几种典型故障的振动图谱分析2.1齿轮箱内部松动的信号特征图4是通过第一种采集方式

8、获取的只有2个档位起动用变速箱体上的时域振动信号。箱体中一个换挡齿轮因拨叉问题在花键上沿轴向严重松旷,在转速较低的升速与降速过程中出现了突然随机的剧烈声响,在时域图上表现为幅值突然大幅度上升,并持续0.5秒钟左右,断断续续,带有较大的偶然性与随机性。图4松动故障时域图2.2齿轮崩齿的特征图谱分析图5也是