變速器疲勞壽命試驗早期故障分析診斷

郭明

摘 要 本文通過實際中使用德爾塔分析儀對變速器疲勞壽命試驗中早期故障進行分析診斷的一個案列，介紹一種變速器疲勞壽命試驗早期故障分析診斷的方法，同時說明早期故障分析診斷在疲勞壽命試驗過程中的意義。

關鍵詞 德爾塔分析儀;振動;諧波;序值;故障分析診斷

1引言

德國萊爾浩福公司旗下的產品—德爾塔分析儀在變速器疲勞壽命試驗早期故障分析診斷中運用比較廣泛。它基于對試件的實時頻譜分析，利用數理統計方法，在定工況或變工況的動態耐久性試驗中，對試件振動譜中信號成份的當前分布特性和其初始的分布特性進行在線，實時，連續的比較，通過比較結果的差異提供故障開始發生，或加劇的信息。

2故障分析案列

以下針對一個16擋手動變速器在整個疲勞壽命試驗過程中通過德爾塔分析儀采集的振動信號，進行早期故障分析診斷。

2.1 確定故障發生時的擋位及時間

根據以往經驗，設定該變速器各擋位的報警閥值為800（由于該值為經驗值，故在試驗過程中應該重點關注振動趨勢指數曲線的變化，而不是僅僅關注報警時的曲線）。圖1為1、2和3擋疲勞壽命試驗振動趨勢指數曲線，從圖中可以看出，在疲勞壽命試驗過程中，德爾塔分析儀第一次報警時間發生第三循環3擋試驗過程中，并且曲線有明顯劇變，說明在此時變速器可能發生了故障;而在第三循環1擋和2擋的振動趨勢指數曲線幾乎沒有變化，說明在該循環的這兩個擋位試驗過程中可能未發生任何故障，即故障發生的起始時間可能就在第三循環3擋。

圖2為3擋疲勞壽命試驗振動趨勢指數曲線，從圖中可以看出，曲線起始變化時間到報警時間之間間隔17分鐘，說明故障不是瞬間發生的，是一個漸變過程。

2.2 確定故障發生部位

圖3為基于變速器機械結構的3擋疲勞壽命試驗能量傳遞圖，其中1-GJ代表前副箱傳動齒輪，Z-GJ代表中間軸傳動齒輪，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代表副箱驅動齒輪，Z-GG代表副箱中間軸驅動齒輪，Z-GD代表副箱中間軸軸齒，FS-GD代表副箱減速齒輪。

同步化輸入軸轉速（即不管輸入軸的轉速是多少，都假設其特征頻率為1）后，通過德爾塔分析儀自帶的軟件“Rhf Order Calculator”計算出3擋疲勞壽命試驗過程傳遞路線上各個齒輪及軸的特征頻率和諧波對應的序值如表1所示：

圖4為3擋疲勞壽命試驗第三循環過程中的瀑布圖，其中X軸表示試件序值，Y軸表示振幅的變化大小，Z軸表示時間。瀑布圖中隨時間新出現的、振幅連續的變化，通常表示故障始發或加劇時，振動譜線中信號成分分布特性的變化。

從圖4中的瀑布圖可以看出，隨著試驗的進行，連續出現新的間隔為0.37的序值信號分布，基于表1的序值，0.37對應的是3擋疲勞壽命試驗時的副箱中間軸，由此可知，故障始發或加劇造成了副箱中間軸的不平衡機械旋轉，從而導致分布特性的變化，這表明故障部位與副箱中間軸相關。

圖5為3擋疲勞壽命試驗報警時刻的振動序譜放大圖（采樣時間為2014年3月11日，7：31：25 PM），其中X表示序值，Y軸表示振幅，上方的紅色曲線是德爾塔分析儀在“實時監控階段”采樣到的變速器當前振動譜，而下方的黃色曲線是德爾塔分析儀在“實時監控階段”采樣到的變速器當前振動譜與德爾分析儀在“自學習階段”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，在報警時刻，變化譜上出現了連續的間隔為0.37的序值信號，而且該信號是序值為4.75和9.625的零件對應的邊頻信號。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次諧波對應的序值（由于受采樣頻率的影響，實際采樣的振動序值有0.125的偏差），而0.37對應的是副箱中間軸的序值。由此可以得出，故障發生部位在副箱中間軸軸齒上。

2.3 故障分析總結

綜合2.1和2.2可以得出，該變速器在疲勞壽命試驗過程中，在第三循環3擋運行至2014年3月11日下午7：14時，開始有故障出現，故障發生部位在副箱中間軸軸齒，并且隨著試驗的繼續運行，故障逐漸加劇。

試驗停止后拆檢發現，副箱中間軸軸齒一個齒斷裂，與其相鄰的一個齒出現嚴重點蝕，見圖6，與分析結果基本一致。

3早期故障分析診斷在疲勞壽命試驗過程中的意義

早期識別試件機械結構的變化;

同樣的工況下，若試件機械結構出現變化，其振動信號頻譜就會隨之出現變化，變化值的絕對值之和形成的振動趨勢指數曲線也會同時上升，從而被試驗人員識別。

保護試件和試驗臺架不被完全損壞;

故障發生后，振動趨勢指數曲線會明顯上升，若報警值設置合適，可及時切斷試驗臺運行，終止試驗，從而保護試件和臺架。

縮短產品開發研制周期;

借助于及時切斷試驗運行，產品測試工程師有最好的機會去發現故障產生原因，從而為設計人員提供有用信息，為其下一個開發步驟提供依據，從而縮短產品研制周期。

提高試驗臺的利用率;

借助于振動信號變化，及時切斷試驗臺，可有效提高試驗臺的利用率。

降低試驗成本。

如果能早期及時的發現故障，確定故障部位，分析故障原因，并更換發生故障的元件，試件就有可能更快的通過試驗要求，從而降低試驗成本。

參考文獻：

[1] REILHOFER KG（Germany），德爾塔分析儀（delta-ANALYSER）手冊.2013.