傳動系統狀態監測與故障診斷研究

陳 鋼，陳希祥

（湖南信息學院 湖南 長沙 410151）

1 引言

從發動機的角度來講，傳動系統作為其中比較重要的一部分組成，是確保發動機處于安全運行狀態下的重要部件，其在發動機運行過程中的工作內容是負責發動機與附件系統兩者的動力傳遞，其振動特性對整個發動機以及機械設備運行安全性有直接性影響，因此本文通過對傳動系統狀態監測與故障診斷進行研究，具有一定現實意義。

2 齒輪運行狀態監測

在傳動系統中，齒輪傳動作為其中應用比較普遍的傳動方式，主要有齒輪、軸承、旋轉軸等部件，當齒輪處于正常運行狀態下，因齒輪本身的嚙合剛度本身的周期性變化特征會引發參數發生變動，其產生的振動頻率與齒輪本身的轉動速度，齒子數量以及重疊次數存在一定關聯性。在運行過程中，因齒形誤差隨機性，出現齒輪彈性系統共振情況。在這種情況下，若齒輪發生故障問題，就會進一步加劇其振動感，以上整體上來看，可將其稱為是齒輪的特征頻率，通過對此進行詳細探討，對傳動系統運行狀態監測上具有一定意義。對于齒輪在運行過程中的狀態監測信號特征主要如下。

其一，均勻磨損。齒輪在運行過程中出現齒面均勻磨損情況，會使得齒側間距因此不斷增大，從而導致正弦波形式嚙合因此發生一定的破壞。通過對頻譜圖進行分析，能夠看出嚙合頻率以及諧波分量所處位置不發生變化，但其中幅值變化相對比較大，與此同時高次諧波幅值隨之增大，通過對高次諧波幅值變換情況進行狀態監測后即可看出上述特征，若磨損情況更為嚴重，就會引發嚙合頻率為fm的1/k（k=2，3）的分數諧波。

其二，齒輪偏心。簡單來講就是齒輪與旋轉軸兩者的中心不能實現重合，如果齒輪副中存在某個齒輪處于偏心狀態，而該齒輪的頻譜結構中能夠明顯指出其特征是以齒輪旋轉頻率的附加脈沖幅值處于增大狀態，與此同時還會出現載荷波動周期為齒輪旋轉一周，上述這種情況下產生調制頻率是齒輪旋轉頻率，對于載波頻率應是齒輪嚙合頻率以及諧波。

其三，齒輪不同軸。因裝配因素導致齒輪和轉軸兩者處于不同軸狀態，這種狀態會增大齒輪本身能夠承受載荷，同時導致齒輪在振動狀態下產生的時域信號出現一定的調幅情況，因振幅調制在其中帶來的作用，就會使得齒輪運動過程中產生的狀態監測后頻譜圖以各階嚙合頻率nfm為中心，對于邊頻簇也會以齒輪的旋轉頻率進行相應間隔，也會將fr的高次諧波體現在頻譜圖中。

其四，齒輪局部存在異常。關于局部異常主要體現在齒根出現裂紋、齒輪斷齒，齒面部分磨損等等，出現上述故障問題后，齒輪時域振動波形就是以齒輪旋轉頻率為周期的沖擊域[1]。如果齒輪在運行中出現多種局部異常，齒輪旋轉一周后就會呈現出多種沖擊脈沖，從頻率域的角度來講，其主要特征就在于旋轉頻率和瞬時沖擊力。

其五，齒距之間存在誤差。對于這種情況主要是因為齒輪中的齒距的間距不同，會對齒輪旋轉角度變化產生相應影響，從而出現調頻現象和調幅現象。從整體上來看頻率域的運行狀態監測結果，其中振動信號頻譜中有齒輪旋轉頻率各次諧波nfr、各階嚙合頻率nfm、存在故障情況的齒輪旋轉頻率作為間隔變頻為nfm±mfr（其中n=1, m=2）等內容。

其六，齒輪不平衡。指的是齒輪回轉中心與齒輪質心不重合，由此致使齒輪副呈現出不規則運動，進而產生振動的情況，這種振動主要是以調幅為主要振動力量，調頻作為輔助振動[2]。通過分析其運行狀態，能夠看出在振動頻率范圍內，嚙合頻率（fm）與兩側諧波都會產生邊頻簇（nfm±mfr，其中m=1、n=2），由于受到力的作用不平衡，增加了齒輪軸的轉動頻率，同時也增加了其諧波能量。

3 滾動軸承狀態監測

在傳動系統中，滾動軸承作為其中具有旋轉性質的一項比較重要的元件，其主要作用是對傳動機械設備中的旋轉結構起到支撐性的作用。從根本上來講，設備處于正常運行狀態下，其產生的大部分能量會傳給軸承這一元件。正常軸承在運行期間，因承載結構周期發生變化、制造存在誤差都會使得其在運行過程中產生振動和噪聲問題，對于滾動軸承狀態監測，主要有以下兩種。

其一，磨損狀態。出現這種狀態的主要原因是因為軸承零件因長期使用產生磨損情況，使其間隙因此越來越大，同時振動也會隨之不斷增強，這種狀態具有漸變性特征，其振動波形變化規律不一，具有很強隨機性特征，但通過對頻帶振動幅值的變化進行分析能夠將磨損程度顯示出來。隨著磨損狀態不斷加深，就會使得軸承元件的振動加速度峰值以及均方根值上升速度越來越慢，這種情況下，若沒有出現疲勞性的剝落現象，因磨損形態越發嚴重，從而導致振動信號幅值相比較于軸承元件初始運行階段要大很多。

其二，因疲勞運行產生的剝落損傷狀態。出現這種運行狀態的原因是軸承零件表面出現疲勞剝落，其在運行過程中因碰撞產生突變沖擊脈沖力，在碰撞所處位置引發比較大的沖擊加速度，使其大小與疲勞損傷程度兩者呈正相關，在這種情況下出現軸承與設備兩者的共振。對于軸承剝落坑所處位置，因碰撞帶來的沖擊脈沖寬度通常都比較小，但是頻譜寬度卻相對比較大，通過以上能夠明顯看出軸承發生疲勞損傷后，能夠在比較大的頻率范圍內引發軸承-傳感器系統之間的固有振動。

4 結語

綜上所述，隨著當前我國科學技術的大力發展，越來越多的機械設備逐漸應用于各大行業中，就傳動系統而言，其中還有很多不足之處需要進一步改進，相關科研人員應對此加大研究力度，旨在通過以此能夠為我國社會經濟的發展貢獻一份力量。