變速器疲勞壽命試驗(yàn)早期故障分析診斷

郭明

陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司 陜西 西安 710077

1 引言

德國(guó)萊爾浩福公司旗下的產(chǎn)品—德?tīng)査治鰞x在變速器疲勞壽命試驗(yàn)早期故障分析診斷中運(yùn)用比較廣泛。它基于對(duì)試件的實(shí)時(shí)頻譜分析，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，在定工況或變工況的動(dòng)態(tài)耐久性試驗(yàn)中，對(duì)試件振動(dòng)譜中信號(hào)成份的當(dāng)前分布特性和其初始的分布特性進(jìn)行在線(xiàn)，實(shí)時(shí)，連續(xù)的比較，通過(guò)比較結(jié)果的差異提供故障開(kāi)始發(fā)生，或加劇的信息。

2 故障分析案列

以下針對(duì)一個(gè)16擋手動(dòng)變速器在整個(gè)疲勞壽命試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)德?tīng)査治鰞x采集的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行早期故障分析診斷。

2.1 確定故障發(fā)生時(shí)的擋位及時(shí)間

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定該變速器各擋位的報(bào)警閥值為800（由于該值為經(jīng)驗(yàn)值，故在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注振動(dòng)趨勢(shì)指數(shù)曲線(xiàn)的變化,而不是僅僅關(guān)注報(bào)警時(shí)的曲線(xiàn)）。圖1為1、2和3擋疲勞壽命試驗(yàn)振動(dòng)趨勢(shì)指數(shù)曲線(xiàn)，從圖中可以看出，在疲勞壽命試驗(yàn)過(guò)程中，德?tīng)査治鰞x第一次報(bào)警時(shí)間發(fā)生第三循環(huán)3擋試驗(yàn)過(guò)程中，并且曲線(xiàn)有明顯劇變，說(shuō)明在此時(shí)變速器可能發(fā)生了故障；而在第三循環(huán)1擋和2擋的振動(dòng)趨勢(shì)指數(shù)曲線(xiàn)幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明在該循環(huán)的這兩個(gè)擋位試驗(yàn)過(guò)程中可能未發(fā)生任何故障，即故障發(fā)生的起始時(shí)間可能就在第三循環(huán)3擋。

圖2為3擋疲勞壽命試驗(yàn)振動(dòng)趨勢(shì)指數(shù)曲線(xiàn)，從圖中可以看出，曲線(xiàn)起始變化時(shí)間到報(bào)警時(shí)間之間間隔17分鐘，說(shuō)明故障不是瞬間發(fā)生的，是一個(gè)漸變過(guò)程。

圖1—1、2和3擋疲勞壽命試驗(yàn)振動(dòng)趨勢(shì)指數(shù)曲線(xiàn)

圖2 3擋疲勞壽命試驗(yàn)振動(dòng)趨勢(shì)指數(shù)曲線(xiàn)

2.2 確定故障發(fā)生部位

圖3為基于變速器機(jī)械結(jié)構(gòu)的3擋疲勞壽命試驗(yàn)?zāi)芰總鬟f圖，其中1-GJ代表前副箱傳動(dòng)齒輪，Z-GJ代表中間軸傳動(dòng)齒輪，2-G2代表主箱二軸上3擋齒輪，Z-G2代表中間軸3擋齒輪，GFS-GG代表副箱驅(qū)動(dòng)齒輪，Z-GG代表副箱中間軸驅(qū)動(dòng)齒輪，Z-GD代表副箱中間軸軸齒，F(xiàn)S-GD代表副箱減速齒輪。

圖3 3擋疲勞壽命試驗(yàn)的能量傳遞圖（藍(lán)色為傳遞路線(xiàn)）

同步化輸入軸轉(zhuǎn)速（即不管輸入軸的轉(zhuǎn)速是多少，都假設(shè)其特征頻率為1）后，通過(guò)德?tīng)査治鰞x自帶的軟件“Rhf Order Calculator”計(jì)算出3擋疲勞壽命試驗(yàn)過(guò)程傳遞路線(xiàn)上各個(gè)齒輪及軸的特征頻率和諧波對(duì)應(yīng)的序值如表1所示：

表1—3擋傳遞路線(xiàn)上各個(gè)齒輪及軸的特征頻率和諧波對(duì)應(yīng)的序值

圖4為3擋疲勞壽命試驗(yàn)第三循環(huán)過(guò)程中的瀑布圖，其中X軸表示試件序值，Y軸表示振幅的變化大小，Z軸表示時(shí)間。瀑布圖中隨時(shí)間新出現(xiàn)的、振幅連續(xù)的變化，通常表示故障始發(fā)或加劇時(shí)，振動(dòng)譜線(xiàn)中信號(hào)成分分布特性的變化。

從圖4中的瀑布圖可以看出，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，連續(xù)出現(xiàn)新的間隔為0.37的序值信號(hào)分布，基于表1的序值，0.37對(duì)應(yīng)的是3擋疲勞壽命試驗(yàn)時(shí)的副箱中間軸，由此可知，故障始發(fā)或加劇造成了副箱中間軸的不平衡機(jī)械旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致分布特性的變化，這表明故障部位與副箱中間軸相關(guān)。

圖4 3擋疲勞壽命試驗(yàn)第三循環(huán)過(guò)程中的瀑布圖

圖5 3擋疲勞壽命試驗(yàn)報(bào)警時(shí)刻的振動(dòng)序譜放大圖

圖5為3擋疲勞壽命試驗(yàn)報(bào)警時(shí)刻的振動(dòng)序譜放大圖（采樣時(shí)間為2014年3月11日，7:31:25 PM）,其中X表示序值，Y軸表示振幅，上方的紅色曲線(xiàn)是德?tīng)査治鰞x在“實(shí)時(shí)監(jiān)控階段”采樣到的變速器當(dāng)前振動(dòng)譜，而下方的黃色曲線(xiàn)是德?tīng)査治鰞x在“實(shí)時(shí)監(jiān)控階段”采樣到的變速器當(dāng)前振動(dòng)譜與德?tīng)柗治鰞x在“自學(xué)習(xí)階段”同樣工況下生成的上下容限之間比較形成的變化譜。

從圖5可以看出，在報(bào)警時(shí)刻，變化譜上出現(xiàn)了連續(xù)的間隔為0.37的序值信號(hào)，而且該信號(hào)是序值為4.75和9.625的零件對(duì)應(yīng)的邊頻信號(hào)。基于表1的序值，4.75和9.625分別是副箱中間軸軸齒的1次諧波和2次諧波對(duì)應(yīng)的序值（由于受采樣頻率的影響，實(shí)際采樣的振動(dòng)序值有0.125的偏差），而0.37對(duì)應(yīng)的是副箱中間軸的序值。由此可以得出，故障發(fā)生部位在副箱中間軸軸齒上。

2.3 故障分析總結(jié)

綜合2.1和2.2可以得出，該變速器在疲勞壽命試驗(yàn)過(guò)程中，在第三循環(huán)3擋運(yùn)行至2014年3月11日下午7:14時(shí)，開(kāi)始有故障出現(xiàn)，故障發(fā)生部位在副箱中間軸軸齒，并且隨著試驗(yàn)的繼續(xù)運(yùn)行，故障逐漸加劇。

試驗(yàn)停止后拆檢發(fā)現(xiàn)，副箱中間軸軸齒一個(gè)齒斷裂，與其相鄰的一個(gè)齒出現(xiàn)嚴(yán)重點(diǎn)蝕，見(jiàn)圖6，與分析結(jié)果基本一致。

圖6 副箱中間軸點(diǎn)蝕和斷齒圖片

3 早期故障分析診斷在疲勞壽命試驗(yàn)過(guò)程中的意義

早期識(shí)別試件機(jī)械結(jié)構(gòu)的變化；

同樣的工況下，若試件機(jī)械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，其振動(dòng)信號(hào)頻譜就會(huì)隨之出現(xiàn)變化，變化值的絕對(duì)值之和形成的振動(dòng)趨勢(shì)指數(shù)曲線(xiàn)也會(huì)同時(shí)上升，從而被試驗(yàn)人員識(shí)別。

保護(hù)試件和試驗(yàn)臺(tái)架不被完全損壞；

故障發(fā)生后，振動(dòng)趨勢(shì)指數(shù)曲線(xiàn)會(huì)明顯上升，若報(bào)警值設(shè)置合適，可及時(shí)切斷試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行，終止試驗(yàn)，從而保護(hù)試件和臺(tái)架。

縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研制周期；

借助于及時(shí)切斷試驗(yàn)運(yùn)行，產(chǎn)品測(cè)試工程師有最好的機(jī)會(huì)去發(fā)現(xiàn)故障產(chǎn)生原因，從而為設(shè)計(jì)人員提供有用信息，為其下一個(gè)開(kāi)發(fā)步驟提供依據(jù)，從而縮短產(chǎn)品研制周期。

提高試驗(yàn)臺(tái)的利用率；

借助于振動(dòng)信號(hào)變化，及時(shí)切斷試驗(yàn)臺(tái)，可有效提高試驗(yàn)臺(tái)的利用率。

降低試驗(yàn)成本。

如果能早期及時(shí)的發(fā)現(xiàn)故障，確定故障部位，分析故障原因，并更換發(fā)生故障的元件，試件就有可能更快的通過(guò)試驗(yàn)要求，從而降低試驗(yàn)成本。