基于扭振信號的齒輪故障診斷研究
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圖2 齒輪嚙合振動
2.1 扭振信號測試
扭振測量的方法很多，但是許多方法不適合在故障診斷中應用。我們在試驗研究中用軸角編碼器實現扭振測量，這種方法簡便易行有一定的實用性，其實現原理見圖3。為了避免安裝時的對中要求，在編碼器軸端接了一段撓性軸，撓性軸的另一端固連一塊強磁體。由于編碼器工作扭曲非常小，使用時將強磁體吸合到被測軸端的頂尖孔處，依靠磁體與軸端之間的摩擦力帶動編碼器可靠回轉。“撓性軸—編碼器”力學系統構成了一個低通濾波器，可以起到采樣抗混作用。計數器對高 頻脈沖發生器送來的基脈沖連續計數，每當編碼器的一個輸出脈沖上升沿到達，鎖存器將這一時刻計數器的計數值鎖存，并向計算機發出請求，由計算機取走計數值，這樣就得到了被測軸每轉過一個編碼器刻度所用的時間，經換算可以得到近似的瞬時轉速。本研究中所用的編碼器為360線，每個脈沖間隔代表1°。
圖3 編碼器扭振測試
試驗用變速箱為ZQ250型，螺旋角為8°6′34″，傳動比為12.64，兩級變速的齒數比分別為26∶73和18∶81。試驗中測量輸出軸的扭振轉速信號，該軸上的齒輪為81齒。選用的變速箱是有一定程度磨損和安裝偏心的半舊變速箱，這使試驗結果更接近實際情況。在第二級從動齒輪(81齒)的某一齒上制造了一個圖4所示的模擬局部故障，分別測試了有模擬故障和無故障情況下的扭振和箱體振動信號。圖5a、圖5b是模擬故障前后的扭振角速度信號，采樣間隔為1°，信號長度對應于輸出軸回轉3600°。圖5c、圖5d是與扭振同時測量的經過200 Hz低通濾波后的箱體振動加速度信號(故障齒輪的嚙合頻率為153.8 Hz)，信號長度對應于輸出軸回轉1080°。
圖4 模擬故障示意
圖5 扭振信號與箱體振動信號對比
圖6a是在很低轉速下(0.3446 r/min)測得的模擬局部故障的轉速信號，這時系統沒有發生扭振，所以這些脈沖可以認為是故障形成的激勵波形，沖擊信號的周期與齒輪回轉周期相同。圖5b是正常轉速時該故障的扭振響應，它是系統各階固頻的線性疊加，并且其衰減過程持續了較長時間，這說明系統阻尼小對局部故障沖擊有較高的增益，也就是說扭振信號對故障很敏感。圖6b是圖5b經Hilbert變換解調后得到的包絡，包絡中信號波動與故障齒輪的回轉周期相同，其幅值決定了故障的程度。扭振信號的調制解調與箱體振動信號相同，有關分析方法已有許多文獻［3，8～10］介紹，這里不再贅述。
(a)局部故障的激勵
(b)故障信號的包絡
圖6 局部故障
(a)嚙合扭振
(b)扭振信號的包絡
圖7 裝配偏心
3 結論
本文在對齒輪嚙合扭振進行分析的基礎上提出了通過扭振信號進行齒輪診斷的方法。試驗結果表明從機器系統中測取的扭振信號受到的噪聲干擾小，齒輪軸系扭振系統對故障激勵的衰減作用小，因而扭振信號對故障敏感。作為齒輪早期故障診斷的信息來源，扭振信號優于箱體振動信號。但是，扭振信號的測取比較麻煩，本文同時介紹了利用軸角編碼器實現扭振測試的方法。目前編碼器已經具備很強的惡劣環境適應能力，并且連續工作的壽命也很長，所以本文介紹的測試方法也適用于在線監測系統。
采用撓性軸連接編碼器和被測軸，除了簡化安裝工藝要求外，更重要的是“撓性軸—編碼器”系統的力學特性是一個低通濾波器［9］，當齒輪系統轉速較高或回轉沖擊較大時，利用其低通濾波特性可以防止發生采樣混疊。但編碼器測試系統的采樣率較低，所以本文方法的應用將受到齒輪最高轉速的限制。
扭振信號作為齒輪系統狀態監測與診斷的信息源，其優越性已顯而易見，如何充分利用扭振信號從中提取更完整的故障特征仍需要進一步深入研究。(end)
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