直升機齒輪傳動中振動、噪聲及診斷技術研究

馮 磊，王士一，徐秀波

（1.哈爾濱東安發動機（集團）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）

直升機的振動和噪聲主要來源于旋翼、發動機和傳動系統，而傳動系統又恰好位于直升機駕駛艙和乘員艙的上面，因此，直升機傳動系統的振動和噪聲水平直接影響到直升機的舒適性。同時，振動和噪聲也是反映傳動系統品質的重要指標之一，同樣的傳動系統如果噪聲和振動水平低，則其使用壽命也一定長，可靠性安全性也會高。

噪聲是發聲體作無規則振動時產生的聲音，由此說明振動和噪聲是緊密相關的，它們的起源相同，如果所有振動消除，則噪聲也不會存在。直升機的振動和噪聲主要來源于旋翼、發動機和傳動系統，而傳動系統又恰好位于直升機駕駛艙和乘員艙的上面，因此，直升機傳動系統的振動和噪聲水平直接影響到直升機的舒適性。同時，振動和噪聲也是反映傳動系統品質的重要指標之一，同樣的傳動系統如果噪聲和振動水平低，則其使用壽命也一定長，可靠性和安全性也會高。

門捷列夫曾經針對科學的意義做出如下回答：“科學，只有當人類懂得測量時才開始”。所以本文將針對如何通過進行必要的噪聲測量或振動監控手段，提前發現直升機傳動系統的故障隱患，保證傳動系統運行可靠性和穩定性。

1 直升機傳動系統的振動、噪聲機理分析

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

在齒輪傳動系統中，根據機理的不同，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，由于沖擊而使齒輪產生很大的加速度并會引起周圍介質擾動，由這種擾動產生的聲輻射稱為齒輪的加速度噪聲。另一方面，在齒輪動態嚙合力作用下，傳動系統的各零部件會產生振動，這些振動所產生的聲輻射稱為自鳴噪聲。 對于開式齒輪傳動，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、傳動軸等處輻射出來。對于閉式齒輪傳動，加速度噪聲先輻射到減速器內的空氣和潤滑油中，再通過減速器輻射出來。自鳴噪聲則由齒輪的振動通過傳動軸引起支座振動，從而通過減速器機匣的振動而輻射出來。一般說來，自鳴噪聲是閉式齒輪傳動的主要聲源。

由于機械振動是產生噪聲的根源，因此，雖然噪聲在現代工程技術中可以通過聲壓級、聲功率級及其噪聲頻譜分析等方法進行測量，但噪聲測量的真實值受周圍環境的影響較大，所以工程測試中大多直接進行振動測量，并針對測量的振動數據加以分析，進而找出降低系統振動的方法，最終實現改善整個機械傳動系統噪聲水平的目的。

2 齒輪振動和噪聲產生原因

齒輪振動和噪聲產生的原因包括：傳動誤差、不平衡、連接的不對中和共振以及夾帶。

（1）傳動誤差

傳動誤差產生振動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，齒輪和機匣的制造精度等導致的傳遞載荷的變化引起的。這些變化將引起一個依次激勵扭轉/橫向/軸向齒輪軸的振動模式的動力，且由此產生的激勵和聲學頻率等于嚙合頻率。

（2）不平衡

旋轉部件動力學不平衡會產生振動激勵。這個力將與旋轉速度的平方成比例，并導致來自于所有減速器零件的動力學特性的響應，從而產生振動和噪聲。

（3）連接不對中

減速器之間的柔性聯軸節提供輸入和輸出之間的連接。連接的未對準可能產生振動激勵。通常，如果柔性聯軸節使用不等速類型，不對中，將引起2 乘以旋轉頻率的扭轉激勵。減速器可能響應這個激勵產生振動。

（4）共振

如果齒輪表現出一個激勵頻率同系統的固有頻率一致或接近，將產生振動和噪聲。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，也就是槳葉數乘以轉速。

（5）夾帶

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

3 振動監測的內容、測試要求及分析手段

振動測試技術作為解決工程振動問題的一種有效手段，在近二十年隨著科技、生產的發展，振動測試無論在理論上或技術和使用都發生了令人矚目的深刻變化。同時電子技術和傳感器技術的進展，也大大加強了振動測試的功能，提高了測試的精度和速度，促進了振動監測技術的發展。

3.1 振動測試的內容

（1）測量機械設備或結構在工作狀態下存在的振動，如：振動、位移、速度、加速度、頻率和相位等。包括：了解被測對象的振動狀態、評定等級；尋找振源；監測、分析、診斷和預測。

（2）對機械設備或結構施加某種激勵，測量其受迫振動。包含：被測對象的振動力學參量或動態性能，如固有頻率、阻尼、剛度、響應和模態等；提高機械結構的抗振性能，機械結構的振動分析和振動設計，找出薄弱環節，改善其抗振能力

3.2 振動測量的幾個要點

（1）測振傳感器的選擇要堅持最重要的參數能以最直接、最合理的方式測得

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

（2）振動量測位置選擇

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

（3）傳感器安裝角度引起的誤差

傳感器的感振方向，應該與待測方向一致，否則會造成測試誤差；在測量小加速度時，傳感器更應該精確安裝，使慣性質量運動的方向和待測振動方向重合。

（4）其它問題

導線連接：接頭不良，會產生寄生的振動波形，有時使得測試數據忽大忽小。

接地：不良的接地或不合適的接地地點，使測試中會產生較大的電氣干擾，同樣會使測試受到嚴重的影響。

電纜的噪聲：這些噪聲既可由電纜的機械運動引起，也可由接地回路效應的電感應和噪聲引起。

3.3 機械傳動系統故障的特征頻率與邊頻帶

在生產條件下，很難直接監測某一個齒輪的故障信號，一般是在軸承、箱體有關部位測量。當齒輪旋轉時，無論齒輪發生了異常與否，齒的嚙合都會發生沖擊嚙合振動，其振動波形表現出振幅受到調制的特點，甚至既調幅又調頻。

各類故障在頻域中的表現如下：

（1）當齒輪均勻磨損時，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）調幅現象。其是由于齒面載荷波動對幅值的影響造成的，調幅的一個原因是齒輪偏心，此時的調制頻率為齒輪的回轉頻率。當在齒輪上有一個齒存在局部缺陷時，相當于齒輪的振動受到一個短脈沖的調制，脈沖的長度等于齒的嚙合周期。

（3）調頻現象。在實際情況中，同樣的齒面壓力的波動，在產生調幅現象的同時，也會引起頻率調制現象，其結果是在譜上得到一個調幅與調頻綜合形成的邊頻帶。齒輪存在偏心時，由于齒面載荷變化引起調幅現象的同時，又由于齒輪轉速的不均勻而引起調頻現象。

（4）附加脈沖。實際測得的信號不一定對稱于零線，可將信號分解為兩部分：即調幅部分和附加脈沖部分。附加脈沖是回轉頻率的低次諧波，平衡不良、對中不良和機械松動等，均是回轉頻率的低次諧波振源，但不一定與齒輪缺陷直接有關；附加脈沖的影響一般不會超出低頻段，即在嚙合頻率以下。

（5）隱含譜線。其是功率譜上的一個頻率分量，產生的原因為加工過程給一個齒輪所帶來的周期性缺陷。

局部缺陷：相當于齒輪的振動受到一個短脈沖的調制，脈沖長度等于齒輪的旋轉周期。由此形成的邊頻帶數量多且均勻。

分布缺陷：由于分布缺陷所產生的幅值調制較為平緩，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 振動信號分析診斷方法

由上文可知，齒輪的制造與安裝誤差、剝落、裂紋等故障會直接成為振動的激勵源（齒輪軸的回轉為周期），表現為回轉頻率對嚙合頻率及其倍頻的調制，在譜圖上形成以嚙合頻率為中心、兩個等間隔分布的邊頻帶。由于調頻和調幅的共同作用，最后形成的頻譜表現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，即齒輪故障診斷實質上是對邊頻帶的識別。

4 結束語

通過某型直升機主減速器的噪聲機理分析、診斷、排除案例可知：進行必要的測量手段可以為提前發現傳動系統的故障隱患提供可靠的信息，針對測量數據進行工程分析并結合機械系統的類型、結構特點、工況、動力學特性及其它相關數據，對機械系統可能存在的潛在故障作出預測，并進行針對性的進行排查、測量及解決措施制定，實現了由機械系統常規的事后維修向計劃維修和預知維修轉變，并最終保證機械傳動系統的使用安全。

[1]孔德文.大型齒輪傳動裝置動力學及故障診斷技術研究[D].吉林：吉林大學,2008.

[2]劉 彪.基于局部線性嵌入的齒輪箱振動測點優化研究[D].遼寧：大連理工大學,2009.