階次分析在無級(jí)變速箱早期故障診斷中的應(yīng)用

林旭春 黃孟 王展 黃啟權(quán) 張?zhí)觅t

摘 要：文章主要介紹了無級(jí)變速箱臺(tái)架測(cè)試過程中常出現(xiàn)的故障類型、階次分析的基本原理和優(yōu)勢(shì)，以及運(yùn)用德爾塔分析儀對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的測(cè)試過程進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的早期識(shí)別，降低試驗(yàn)損耗。

關(guān)鍵詞：無級(jí)變速器 階次分析 故障診斷 德爾塔分析儀

1 引言

無級(jí)變速箱作為汽車變速器中的重要一員，擁有著自身特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能優(yōu)勢(shì)，成本較低、行駛平順性好以及油耗較低，因此受到眾多車企的青睞。齒輪和軸承是變速器中出現(xiàn)故障較多的部件，用于變速箱故障診斷和狀態(tài)檢測(cè)的方法有很多，而振動(dòng)分析法是變速箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的有效方法之一[1]。

對(duì)振動(dòng)信號(hào)分析常采用時(shí)域和頻域信號(hào)處理，頻域分析是對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，其假設(shè)條件是振動(dòng)信號(hào)穩(wěn)定，然而旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)大多是非平穩(wěn)信號(hào)[2]，此時(shí)頻域分析方法不能繼續(xù)使用，為此可以采用階次分析方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行有效處理。

2 階次計(jì)算

頻域分析法采用等時(shí)域采樣，而階次分析法采用的是等角域采樣，即旋轉(zhuǎn)機(jī)械每轉(zhuǎn)過一個(gè)固定角度采樣一次，因此階次分析時(shí)頻譜與轉(zhuǎn)速是同步化的，故生成的階次譜與轉(zhuǎn)速無關(guān)，同時(shí)它的邊頻帶相較于頻率分析更加明顯。頻率和階次的關(guān)系可表示如下：

實(shí)現(xiàn)階次分析的前提是得到等角度采集的振動(dòng)信號(hào)，其方法可歸納為兩類：軟件重采樣和硬件重采樣。本文采用的是德國(guó)Reilhofer KG公司德爾塔分析儀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采樣使用硬件重采樣，硬件重采樣的過程是在輸入軸上裝上編碼器，編碼器按等角度產(chǎn)生脈沖信號(hào)，觸發(fā)采集卡采集數(shù)據(jù)[3]，獲取參考軸的轉(zhuǎn)速信號(hào)和加速度傳感器的振動(dòng)信號(hào)。

通過搭建測(cè)試產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，利用系統(tǒng)自帶的RHF階次計(jì)算器計(jì)算出各部件相應(yīng)的階次，用于故障分析時(shí)的階次參考。

運(yùn)用RHF階次計(jì)算器計(jì)算得到的中間軸小齒輪端軸承階次及中間軸小齒輪嚙合階次如下（以輸出端轉(zhuǎn)速作為同步轉(zhuǎn)速）：

3 分析儀工作方式

試驗(yàn)開始前需對(duì)德爾塔分析儀進(jìn)行測(cè)試步驟及報(bào)警值設(shè)置，試驗(yàn)開始后系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行自學(xué)習(xí)，通過采集測(cè)試物的原始振動(dòng)特性，然后在大量單次測(cè)量的基礎(chǔ)上借助于對(duì)每條譜線的統(tǒng)計(jì)分析來計(jì)算出參考值以及上、下偏差，自學(xué)習(xí)階段完成后分析儀自動(dòng)進(jìn)入監(jiān)控階段。監(jiān)控階段測(cè)量到的譜線振幅超過或者低于容差帶，就會(huì)形成一個(gè)變化譜。為了能夠清晰地演示機(jī)械振動(dòng)特性的變化，所有的變化譜將在累加后形成趨勢(shì)指數(shù)，并連續(xù)與預(yù)定義的報(bào)警限值相比較，一旦超限值就會(huì)報(bào)警切斷試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行。

4 試驗(yàn)分析

對(duì)某型號(hào)無級(jí)變速箱進(jìn)行負(fù)載變速耐久試驗(yàn)，在試驗(yàn)進(jìn)行至57小時(shí)后，趨勢(shì)指數(shù)譜線超限值，分析儀出現(xiàn)報(bào)警，此處只做報(bào)警未設(shè)置中斷試驗(yàn)臺(tái)的操作，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行階次分析如下：

由于無級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，速比可以連續(xù)變化且無固定速比，所以階次計(jì)算以及運(yùn)行監(jiān)控時(shí)需要以鋼帶作為分界點(diǎn)，分別基于輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行兩路計(jì)算和監(jiān)控。同步輸入轉(zhuǎn)速時(shí)的故障數(shù)據(jù)，故障階次不連續(xù)且分布散亂，而同步輸出轉(zhuǎn)速時(shí)的故障階次如上圖，連續(xù)且清晰，由此可以判定故障出現(xiàn)在鋼帶之后的部件，并以同步輸出轉(zhuǎn)速得到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行之后的階次分析。

圖2中34.25、67.25、101、133.75、168.75、201.25階次出現(xiàn)較高峰，且在133.75階次處為最高峰，根據(jù)表1可得知以上階次分別為中間軸小齒輪端軸承外圈的1階、2階、3階、4階、5階、6階階次，由此判定該軸承外圈出現(xiàn)故障;通過放大spectrum圖譜觀察可發(fā)現(xiàn)133.75階次存在1.5階次的邊頻，即該軸承保持架的轉(zhuǎn)動(dòng)階次，符合此前判斷。同時(shí)在報(bào)警點(diǎn)之后，382階和417.5階次的振幅跟隨外圈階次振幅的增大也突然增大，計(jì)算查表可知382和417.5階次分別是滾動(dòng)體的32和35階階次，屬于外圈故障引起的滾動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)異常。在之后的拆機(jī)檢查中發(fā)現(xiàn)：中間軸滾子軸承外圈磨損，滾子間附有大量金屬碎屑雜質(zhì)，符合數(shù)據(jù)分析所得的判斷結(jié)果。

5 總結(jié)

通過對(duì)測(cè)試件的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)控，在故障發(fā)生的初期進(jìn)行及時(shí)預(yù)警及切斷試驗(yàn)臺(tái)，防止測(cè)試件出現(xiàn)進(jìn)一步的破壞性損傷，降低了試驗(yàn)資源的損耗，同時(shí)運(yùn)用階次分析的方法，能夠快速準(zhǔn)確地診斷出變速箱的故障類型，了解故障發(fā)生的先后順序，對(duì)拆機(jī)檢查和故障原因分析具有方向性的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬德安.階次分析在變速箱故障診斷中的應(yīng)用[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

[2]馬潔，徐小力，周東華.旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障預(yù)測(cè)方法綜述[J].自動(dòng)化儀表，2011，32（8）：1-3.

[3]謝峰，程林，魏瑞.基于階次分析的汽車主減速器故障診斷研究[J].第十五屆全國(guó)汽車檢測(cè)技術(shù)年會(huì)論文集，2011.