基于振動信號的齒輪箱故障診斷

趙純領(lǐng)，高洪濱，杜向華

（92601部隊，廣東湛江 524009）

0 引言

某船主動力裝置為四機、雙軸推進的柴-柴聯(lián)合推進裝置，每舷兩臺柴油機的功率經(jīng)主齒輪箱并車后單軸輸出。主齒輪箱是動力裝置的主要部件，對其進行振動監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)故障，消除隱患，指導(dǎo)設(shè)備的使用、管理和維修。但是，齒輪箱振動信號復(fù)雜，頻率成分豐富，振動信號的分析和處理是故障診斷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。

1 數(shù)據(jù)采集與分析

圖1 1#齒輪箱垂向加速度時間歷程

圖2 2#齒輪箱垂向加速度時間歷程

采集了齒輪箱振動信號。采樣頻率設(shè)為12.8 kHz，連續(xù)采集持續(xù)時間5.12 s，采集點數(shù)65 536。測點布置在1#齒輪箱右小齒輪自由端和2#齒輪箱右小齒輪自由端，每個點測量垂直、水平徑向、水平軸向三個方向。振動加速度時間歷程如圖1和圖2。為了圖形清晰，只畫出了前0.2 s的數(shù)據(jù)。可以看出，加速度頻率成分豐富，最大加速度達到了10 m/s2以上。兩個齒輪箱振動加速度時間歷程曲線相差不大。振動加速度頻譜如圖3和圖4，從頻譜可以看出，加速度頻譜由一個寬帶譜外加嚙合頻率附近的窄帶譜構(gòu)成。2#齒輪箱最大譜值約為1#齒輪箱最大譜值的2.5倍，而且該譜值對應(yīng)的頻率接近于嚙合頻率。

圖3 1#齒輪箱垂向加速度頻譜

圖4 2#齒輪箱垂向加速度頻譜

2 齒輪箱嚙合頻率處振動加速度信號分析

2.1 嚙合頻率處的調(diào)制現(xiàn)象

齒輪嚙合傳動過程中，載荷、剛度和轉(zhuǎn)速的波動以及故障都會使齒輪振動發(fā)生變化，從而產(chǎn)生嚙合頻率附近的調(diào)制現(xiàn)象，而該調(diào)制信號的變化能反映齒輪嚙合狀態(tài)的變化，能反映齒輪箱的故障。因此，嚙合頻率處的調(diào)制分析是齒輪箱振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的重要內(nèi)容。

2.2 帶通濾波

為排除其他頻率成分的干擾，需要首先進行帶通濾波，保留嚙合頻率附近的頻率成分。在Matlab中設(shè)計了帶通濾波器。嚙合頻率為575 Hz，濾波器下限截止頻率為512 Hz，上限截止頻率取為640 Hz，采用Matlab中的fir1濾波器，濾波器階次為1 000階[2]。濾波后結(jié)果如圖5和圖6，前0.04 s為濾波器延時造成的失真，該部分信號可不考慮。可以看出，在嚙合頻率處具有明顯的幅值調(diào)制現(xiàn)象。但1#齒輪箱和2#齒輪箱嚙合頻率處調(diào)制信號明顯不同。2#齒輪箱調(diào)制信號峰值大于1#齒輪箱調(diào)制信號峰值；2#齒輪箱的調(diào)制信號有一個明顯的突出頻率成分。

圖5 1#齒輪箱垂向嚙合頻率附近的振動加速度

2.3 基于Hilebert變換的調(diào)制信號分析

信號x(t)的Hilebert變換為：

令復(fù)數(shù)：

則z(t)稱為x(t)的解析信號。z(t)的幅值對應(yīng)于x(t)的包絡(luò)，z(t)的相位對應(yīng)于x(t)的瞬時相位。因此，Hilbert變換是調(diào)制信號分析的基本工具[3]。在Matlab中，Hilbert變換的命令為z=hilbert(x)。需要注意的是Matlab中輸出z是序列x的解析信號[2]。求x的包絡(luò)的命令為xe=abs(z)。

圖6 2#齒輪箱垂向嚙合頻率附近的振動加速度

2#齒輪箱右小齒輪自由端垂向加速度嚙合頻率處的包絡(luò)信號最大幅值為4 m/s2，而1#齒輪箱為1.8 m/s2。包絡(luò)信號去除直流分量后的頻譜如圖7和圖8。1#齒輪箱右小齒輪輸出端包絡(luò)信號頻譜主頻為8.8 Hz，對應(yīng)幅值0.11 m/s2；而2#齒輪箱右小齒輪輸出端包絡(luò)信號頻譜主頻為25.4 Hz，對應(yīng)幅值0.87 m/s2，而且該頻率成分極為突出。綜合分析可得出：2#齒輪箱嚙合頻率處的振動大于1#齒輪箱，而且調(diào)制信號的頻譜存在一個突出的單一頻率成分，說明2#齒輪箱存在輕微的故障，其運行狀態(tài)略差于1#齒輪箱。油液監(jiān)測結(jié)果也反映出2#齒輪箱的磨損比1#齒輪箱略大，詳見表1。該突出的單一頻率成分來源還需要進一步分析。2#齒輪箱振動烈度為1.2 mm/s，1#齒輪箱為1.3 mm/s。兩個齒輪箱振動烈度相差很小，說明故障不嚴重，同時也說明：相比于振動烈度，嚙合頻率處的調(diào)制信號對齒輪箱故障更為敏感，是一個較好的監(jiān)測和診斷參數(shù)。

表1 齒輪箱油液監(jiān)測結(jié)果

3 結(jié)論

（1）兩個齒輪箱振動加速度信號的時間歷程曲線差別不明顯，但頻譜上的最大幅值差別明顯，最大幅值對應(yīng)的頻率近似為齒輪嚙合頻率，說明故障與嚙合頻率密切相關(guān)。

（2）在嚙合頻率附近進行帶通濾波，再經(jīng)過Hilbert變換取包絡(luò)，兩個齒輪箱振動信號差別更為明顯。2#齒輪箱的包絡(luò)信號存在明顯突出的單頻成分，說明該齒輪箱存在故障，油液分析的結(jié)果也驗證了此結(jié)論。

圖7 1#齒輪箱垂向嚙合頻率附近的振動加速度包絡(luò)信號頻譜

圖8 2#齒輪箱垂向嚙合頻率附近的振動加速度包絡(luò)信號頻譜

（3）兩齒輪箱振動烈度相差不大，說明故障輕微，同時也說明嚙合頻率處的調(diào)制信號對齒輪箱故障更為敏感，是一個較好的監(jiān)測和診斷參數(shù)。

（4）2#齒輪箱25.4 Hz的調(diào)制頻率成分既不是主軸頻率，也不是柴油機轉(zhuǎn)頻，該頻率成分的來源還需要更多的測試數(shù)據(jù)進一步分析，以判斷故障的具體來源。

［1］丁康，李巍華，朱小勇.齒輪及齒輪箱故障診斷實用技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB7輔助信號處理技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［3］劉樹林，王金東，李鳳明，等譯.沖擊與振動手冊［M］.北京：中國石化出版社，2008.