倒頻譜分析法在新能源減速器異響診斷中的應用

邢明星 高海龍 吳海東

摘 要：在研究了齒輪系統的振動噪聲機理的基礎上建立了以倒頻譜分析法為核心的齒輪故障診斷數學模型，依據該模型，利用LMS Test. Lab函數運算、頻譜曲線繪圖功能對某新能源減速器測試數據進行倒頻譜分析，并準確找到故障源;結果表明，倒頻譜分析法能夠簡化復雜振動信號的頻譜特征，分離、提取密集邊頻信號中的周期成份，精確定位故障源，對工程應用具有重要意義。

關鍵詞：振動噪聲機理;倒頻譜分析法;邊頻信號;周期成份

1 引言

在變速傳動系統產生的異響中，齒輪的局部故障占有很大的比例，而此時齒輪傳動系統的振動信號中包含了豐富的故障特征信息，不同的齒輪故障具有的振動信號特征不同。目前故障的診斷方法有很多，常見的方法有：時域分析法、頻域分析法、時間序列分析法和倒頻譜分析法等，各種振動信號分析方法在旋轉機械中都取得了成功的應用[1，2]。

齒輪嚙合傳動過程中，其振動和噪聲可以迅速、全面、真實地反映齒輪傳動系統故障的性質和范圍，而要準確診斷出故障所在，振動信號特征的提取和分析成為關鍵[3]。由于齒輪傳動過程中齒輪軸的轉頻調制齒輪的嚙合頻率，從而導致齒輪振動信號的頻譜曲線圖中會出現在齒輪嚙合頻率周圍產生一系列邊頻譜帶;當正常運轉時，信號會保持不變;而當齒輪出現故障時，邊頻帶的數量和幅值會發生變化;這些邊頻帶交叉在一起很難進行分辨，只應用普通的頻譜分析法已不能夠準確的判斷出故障，利用倒頻譜法能夠有效地分析復雜邊頻的周期成分[3，4，5]。本文采用倒頻譜分析法對某新能源減速器齒輪振動信號進行兩次傅里葉積分變換，將原功率譜上成族的邊頻線簡化為單根譜線，使信號的能量更加集中[6]，進而準確定位故障源，為提升整個傳動系統的使用品質提供了保障。

2 減速器齒輪嚙合振動調制分析

由前文可知，若該輸入信號存在問題，則輸出信號會存在邊頻現象，根據式（1）-式（6），利用倒頻譜法可以將復雜的的頻譜卷積計算變成簡單的迭加計算，進而對導致產生邊頻的問題信號進行分離提取，識別頻譜周期性，精確測算頻率間隔，找到問題真因。

4 工程應用及分析

本文利用倒頻譜分析發對某型號新能源減速器在行車過程中出現的“噠噠”敲擊異響昂進行故障分析，測試方案如表1所示。測試設備為LMS振動噪聲測試系統，該系統由LMS SCADAS數采前段、16通道電壓/ICP/TEDS/BRIDGE輸入模塊、轉接線、BNC線、ICP傳感器組成，測試完成后利用LMS Test.Lab軟件包進行數據分析。

圖3（a）為測試的時域信號，信號平穩無異常。對該信號進行傅里葉變化，如圖3（b）所示，1050Hz處有明顯峰值，同時主峰值周圍的邊頻信號幅值增大，當輸入轉速為1000rpm時，輸入軸齒輪的嚙合3倍頻f1=（1000/60）*63=1050Hz，依據該計算結果和邊頻的存在可斷定異響來自于減速器內部的運轉件，但無法明確具體故障源。利用倒頻譜法處理分析，如圖3（c）所示，在T=0.06s， 0.12s，0.18s，0.24s處依次出現峰值，相鄰兩峰值的頻率差△f=1/△T=1/0.06=16.6 Hz，而輸入軸軸轉頻f2=1000/60=16.6Hz，由此可見，減速器振動數據中的邊頻帶主要由輸入軸轉頻調制形成，故異響產生的根源來自輸入軸齒輪，產生該故障的原因可能包括：①載荷異常波動，導致齒面剝落，產生敲擊;②齒面磕碰產生敲擊;③齒輪加工精度差產生大的誤差（經分析裝箱數據，可排除）;拆箱后，查看發現輸入軸齒輪齒面存在磕碰現象，如圖3（d）所示，與測試分析結果一致，達到預期目的。

5 總結

（1）研究了齒輪系統的振動噪聲機理，明確出定位故障源的根本在于如何分離、提取并分析振動信號中的邊頻成份，在此基礎上構建齒輪故障診斷倒頻譜分析數學模型;

（2）對某型號新能源減速器異響問題進行真因排查，通過簡化復雜振動信號的頻譜特征，分離、提取密集邊頻信號中的周期成份，并經分析計算，精確定位故障源，進一步驗證了倒頻譜分析法的有效性，為實際工程應用提供重要經驗。

參考文獻：

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