基于振動分析的旋翼試驗臺變速箱故障診斷

劉正江，陳 煥，李新民，黃建萍

(中國直升機設計研究所，直升機旋翼動力學國家重點實驗室，江西 景德鎮 333001)

基于振動分析的旋翼試驗臺變速箱故障診斷

劉正江，陳 煥，李新民，黃建萍

(中國直升機設計研究所，直升機旋翼動力學國家重點實驗室，江西 景德鎮 333001)

變速箱作為旋翼試驗臺傳動系統的關鍵部件，結構復雜且設計要求高，在高速運行過程中容易出現振動、噪聲異常等故障現象。介紹了國內外變速箱故障診斷的主要方法，給出旋翼試驗臺變速箱的結構設計以及質量不平衡的理論模型，對運轉過程出現的振動異常進行了頻譜分析和故障定位，結果表明振動異常主要由變速箱輸入軸的質量不平衡引起。

振動；旋翼；試驗臺；變速箱；故障診斷

0 引言

旋翼試驗臺是進行旋翼氣動和動力學性能研究的常規設施，而綜合考慮試驗臺的結構布置和動力系統的工作效率，電機輸出一般都要通過變速箱進行減速以匹配到相應尺寸旋翼的額定轉速。如果試驗臺除具有常規單旋翼試驗功能外還能夠進行傾轉旋翼試驗以及橫、縱列式試驗，則變速箱還需要具備換向、同步以及多級變速的功能，這樣一來，變速箱的結構就變得相當復雜。

變速箱一般包括了輸入軸、輸出軸、支撐軸承和軸承座以及變速齒輪對。如果要進行換向，則需要增加中間軸以及相應的軸承、軸承座和換向齒輪對。上述部件除軸承座外，都是屬于旋轉件，如果設計、加工不到位或長期工作在惡劣環境下，必然會出現各種故障。有統計研究表明，機械傳動系統的故障80%是由變速箱引起的，而變速箱80%的故障來源于齒輪軸的質量不平衡[1]。因此，對工作狀態異常的變速箱進行狀態監測、好壞或故障等級評判以及故障定位，是保證試驗臺安全運轉不可或缺的環節。

1 變速箱常見失效形式及故障診斷方法

1.1變速箱常見失效形式

齒輪的失效形式主要有：齒面顆粒磨損、腐蝕磨損以及齒輪端面沖擊磨損，齒面的冷、熱膠合和擦傷，齒面的接觸疲勞造成的麻點疲勞剝落、淺層疲勞剝落和硬化層疲勞剝落，齒輪沿根部的彎曲疲勞斷裂、齒輪局部斷裂和齒輪局部裂紋[2]。

軸和軸系的失效形式主要有：軸有較嚴重的質量不平衡以及由于設計、加工及運行引起的輕度或重度彎曲，而軸系通過聯軸器聯接時則可能出現平行(標高)不對中、偏角不對中。

軸承的失效形式主要有：內環、外環和滾動體的點蝕、剝落、裂紋、磨損、潤滑不良以及異物進入等[3]。

1.2變速箱常規故障診斷方法

變速箱的故障診斷方法包括振動診斷、噪聲分析、扭振分析、油液分析、聲發射以及溫度或能耗監測等方法[3]。

扭振分析是利用齒輪傳動系統回轉信號進行分析，不容易受其它振動源干擾，但需要在軸系安裝扭矩傳感器，使用和測試比較復雜，甚至無法安裝。

油液分析是建立在摩擦幅材料不同和顆粒大小、數量和形狀不同的基礎上，通過鐵譜分析或者光譜分析來進行故障診斷，但油液分析一般周期較長，且需要專用分析設備。

另外，可以監測對比相同轉速和負荷下的軸承座溫度以及油壓等來進行故障監測，但這種方法對突發故障不敏感，同時也存在傳感器安裝不方便的問題。

目前，最通用的故障診斷的方法還是振動診斷法，該方法具有可靠性高、操作使用簡單的優點，而且隨著現代信號處理及譜分析技術的發展和工程應用，該方法得到了越來越廣泛的應用。

2 試驗臺變速箱不平衡機理分析

變速箱不平衡按發生的過程分為原始不平衡、漸發性不平衡和突發性不平衡，按機理可分為靜不平衡、偶不平衡和動不平衡。其根源是質心和旋轉中心不重合，從而產生方向和大小呈周期性變化的交變力，最終引起異常振動。

為分析方便，整體上可以把變速箱簡化為一個兩端由軸承座支撐的轉子，其轉子系統受力示意圖見下圖1。

設：偏心距e，轉子質量M，軸剛度k，阻尼系數c，轉速n(r/min)，角速度ω=2πn/60，離心力F=Meω2,分解為垂直軸平面的兩個方向的力為：

兩個力相差90°，y方向的振動方程為：

歸一化后：

其中阻尼系數:

自振角頻率:

其通解：

通解中第一部分為瞬態解，是衰減的自由振動，第二部分是穩態解，對應的是強迫振動。

式中，H(ω)為幅頻響應函數，表示振幅Y隨頻率比ω/ωn的變化而變化的放大系數，ψ(ω)為相頻響應函數。

3 變速箱轉子不平衡故障分析

3.1轉子特征頻率計算及振幅等級設定

以美國齒輪制造者協會標準426.01-72《高速斜齒輪及人字齒輪裝置橫向振動的測量規范》[4]，計算得到不同轉速下對應狀態良好、狀態一般以及故障狀態的振動加速度限制值，具體見表1。

表1 不同轉速頻率下齒輪狀態振動限制值

3.2基于三維轉速譜掃描的變速箱振動分析

三維轉速譜掃描可以繪制出升轉速和降轉速過程中的變速箱頻譜總體圖，根據該三位譜圖可以獲得變速箱振動隨轉速發展的特性[5]。

圖2、圖3是安裝在變速箱的航向振動加速度隨轉速從0rpm到2400rpm再回到0rpm的三維轉速譜瀑布圖，圖中水平軸為頻率，左邊縱軸為振動加速度。

從圖2、圖3可以看出，變速箱振動隨轉速增加而逐步增大，振動幅值主要集中在低頻段。從圖3可以明顯觀察到4條斜上升、斜下降趨勢線，其中第1條趨勢線對應為輸出軸的1倍轉速頻率的振動，第2條趨勢線對應為輸出軸減速比為1.346倍轉速頻率的振動，第3條趨勢線對應為輸入軸減速比為2.21倍轉速頻率的振動，第4條趨勢線對應為輸入軸2.9756倍轉速頻率的振動。4條趨勢線中第4條趨勢線振動幅值最大，對應為輸入軸的1階轉速頻率。根據這些現象，初步可判斷變速箱主要振動源在輸入軸部位。

3.3不同轉速變速箱輸入軸振動狀態分析

根據3.2節得出的結論以及3.1節表1設定的變速箱狀態評判值，獲取20秒鐘轉速從600rpm至2280rpm，轉速間隔120rpm的振動數據進行FFT分析，提取出對應2.975倍轉速頻率的振動加速度值與設定值進行對比，得出變速箱運行狀態圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，變速箱在轉速1800rpm(對應輸入軸基頻89.25Hz)以內，變速箱工作狀態良好，當轉速達到1920rpm，變速箱進入一般工作狀態，而轉速超過2040rpm，變速箱進入故障工作狀態。

3.4變速箱輸入軸振動故障原因分析

相關研究表明[6]，出現質量不平衡，往往反映出來的就是很大的1階頻率的振動，同時由轉軸支撐座兩側同向振動相位相差為0°或180°。從圖4可以看出，輸入軸的振動是變速箱的主要振動源，其中又以基準1階頻率的振動幅值最大，而高階頻率的振動幅值非常小。因此，初步可以確定輸入軸振動異常的原因是質量不平衡。

為進一步確認上述結論，采集了100秒1800rpm轉速的變速箱輸入軸下端電機處和變速箱頂部位置的航向和側向振動數據，并進行FFT分析提取輸入軸基準1階頻率對應的相位值，列于表2。

表2 變速箱輸入軸兩端振動相位表

從表2可知變速箱輸入軸兩端航向相位差為197.473°，側向相位差為193.386°，如果考慮傳感器安裝角度誤差的影響，可以近似認為兩者相位差180°。從而可進一步證明變速箱振動異常故障的位置為輸入軸，具體原因為輸入軸質量不平衡。

4 變速箱質量不平衡調整結果

變速箱進行了返廠分解檢查，未發現軸承磨損、軸不對中及彎曲等故障現象，隨后進行了減速箱輸入軸的現場動平衡調整。經過動平衡調整后，重新進行了裝試驗臺運轉考核，相較未做動平衡調整前的狀態，具體結果見圖5，減速箱的振動得到了明顯改善。

5 結束語

本文探討了旋翼試驗臺變速箱故障診斷方法以及轉軸質量不平衡的機理，給出變速箱振動異常的三維轉速掃描譜的試驗結果，對變速箱工作狀態等級進行了評定，最后給出變速箱故障部位及振動異常的主要原因為變速箱輸入軸質量不平衡，返廠檢查、動平衡調整以及重新裝試驗臺運轉的結果也證實了該結論。

[1] 丁 康,李巍華,朱曉勇.齒輪及變速箱故障診斷實用技術[M].北京:機械工業出版社,2005.

[2] 丁玉蘭,石來德.機械設備故障診斷技術[M].上海:上海科學技術文獻出版社,1994.

[3] 楊國安.滾動軸承故障診斷實用技術[M].北京:中國石化出版社,2012.

[4] 徐 敏.黃昭毅.設備故障診斷手冊—機械設備狀態監測和故障診斷[M].西安：西安交通大學出版社,1998.

[5] 高 飛.振動測量與信號分析[M].西安：西北工業大學出版社,1989.

[6] 王江萍.機械設備故障診斷技術及應用[M].西安：西北工業大學出版社,1989.

GearboxFailureDiagnoseofRotorTestStandbasedonVibrationAnalysis

LIU Zhengjiang,CHEN Huan,LI Xinmin,HUANG Jiangping

(China National Key Laboratory of Rotorcraft Aeromechanics,China Helicopter Research and Development Institute,Jingdezhen 333001,China)

Gearbox is the key component of rotor test stand transmission system,it’s very complicated with higher design requirements,and it will fail when working on very high speed.Firstly,the present research state of failure diagnose for the gearbox was reviewed.The frameword design and the model of unbalance for the gearbox were also gave out，and then the spectrum analysis for abnormal vibration data during testing and the location for this failure were presented.Finally,it was shown that the main source for out of way vibration of the gearbox was almost from the mass imbalance of the input shaft.

vibration;rotor;test stand;gearbox;failure diagnose

2017-06-05

國防基礎科研計劃(***0110047)資助

劉正江(1974-)，男，江西上饒人，碩士，高工，主要研究方向：直升機旋翼試驗技術研究。

1673-1220(2017)03-046-04

V216.8

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