基于振動信號的齒輪箱故障診斷

趙純領，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-柴聯合推進裝置，每舷兩臺柴油機的功率經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，對其進行振動監測可以及時發現故障，消除隱患，指導設備的使用、管理和維修。但是，齒輪箱振動信號復雜，頻率成分豐富，振動信號的分析和處理是故障診斷的關鍵環節[1]。

1 數據采集與分析

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。采樣頻率設為12.8 kHz，連續采集持續時間5.12 s，采集點數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的數據。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 嚙合頻率處的調制現象

齒輪嚙合傳動過程中，載荷、剛度和轉速的波動以及故障都會使齒輪振動發生變化，從而產生嚙合頻率附近的調制現象，而該調制信號的變化能反映齒輪嚙合狀態的變化，能反映齒輪箱的故障。因此，嚙合頻率處的調制分析是齒輪箱振動狀態監測與故障診斷的重要內容。

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制現象。但1#齒輪箱和2#齒輪箱嚙合頻率處調制信號明顯不同。2#齒輪箱調制信號峰值大于1#齒輪箱調制信號峰值；2#齒輪箱的調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變換的調制信號分析

信號x(t)的Hilebert變換為：

令復數：

則z(t)稱為x(t)的解析信號。z(t)的幅值對應于x(t)的包絡，z(t)的相位對應于x(t)的瞬時相位。因此，Hilbert變換是調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信號最大幅值為4 m/s2，而1#齒輪箱為1.8 m/s2。包絡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信號頻譜主頻為8.8 Hz，對應幅值0.11 m/s2；而2#齒輪箱右小齒輪輸出端包絡信號頻譜主頻為25.4 Hz，對應幅值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，其運行狀態略差于1#齒輪箱。油液監測結果也反映出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，嚙合頻率處的調制信號對齒輪箱故障更為敏感，是一個較好的監測和診斷參數。

表1 齒輪箱油液監測結果

3 結論

（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。

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

圖7 1#齒輪箱垂向嚙合頻率附近的振動加速度包絡信號頻譜

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制信號對齒輪箱故障更為敏感，是一個較好的監測和診斷參數。

（4）2#齒輪箱25.4 Hz的調制頻率成分既不是主軸頻率，也不是柴油機轉頻，該頻率成分的來源還需要更多的測試數據進一步分析，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［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［2］飛思科技產品研發中心.MATLAB7輔助信號處理技術與應用［M］.北京：電子工業出版社，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.