利用階次跟蹤分析法診斷高速減速齒輪箱故障

1、作者：胡賓 胡旭鋼摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的頻譜分析法難以對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械在轉(zhuǎn)速變化過(guò)程出現(xiàn)的故障狀況進(jìn)行合理的信號(hào)分析和故障診斷，引入了利用等角度采樣的階次跟蹤分析方法，簡(jiǎn)要介紹了階次跟蹤原理，并應(yīng)用階次跟蹤方法進(jìn)行了某型號(hào)減速齒輪箱的故障信號(hào)分析和診斷，驗(yàn)證了其優(yōu)越性。 關(guān)鍵詞：階次跟蹤、齒輪箱、故障診斷 引言 工程上在對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，最常采用的是傳統(tǒng)的頻譜分析法。這種方法對(duì)于穩(wěn)定工況下測(cè)得的穩(wěn)態(tài)信號(hào)具有較好的效果，能清晰地分辨出被測(cè)信號(hào)的頻率成分，從而確定故障原因。但是對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械在某些工況下出現(xiàn)的故障狀況，比如啟動(dòng)過(guò)程、停車(chē)過(guò)程、加載過(guò)程等，很難通過(guò)單純某一時(shí)段信號(hào)的頻譜分析找到確定的故障頻率成

2、分，甚至由于信號(hào)頻率成分的不斷變化，會(huì)產(chǎn)生明顯的“頻率模糊”現(xiàn)象，使得關(guān)鍵頻率成分難以識(shí)別。并且旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其旋轉(zhuǎn)部件引起的故障所產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲表現(xiàn)出的特征和軸的轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系。階次跟蹤分析法正好可以補(bǔ)足其中的不足，通過(guò)等角度采樣方法歸一化轉(zhuǎn)頻，避免了轉(zhuǎn)速變化帶來(lái)的頻率模糊問(wèn)題123。 1 階次跟蹤原理 階次跟蹤分析法是近年發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)技術(shù)，其主旨在于通過(guò)信號(hào)處理算法將等時(shí)間間隔采樣信號(hào)轉(zhuǎn)化為等角度采樣信號(hào)，即同步采樣信號(hào)，保證在信號(hào)每一周期內(nèi)都保持同樣的采樣點(diǎn)數(shù)。通常在信號(hào)分析時(shí)，如果只對(duì)轉(zhuǎn)軸速度的諧波特征感興趣（或更高的諧次，如齒輪嚙合頻率），那么采用階次跟蹤分析往往比單純的頻譜

3、分析更具有優(yōu)勢(shì)。這種分析方法可以迫使諧波分量集中在一條分析線上，通過(guò)控制模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器的采樣頻率與轉(zhuǎn)軸速度之間的同步性來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖1 說(shuō)明了基本原理4。 (a)固定采樣頻率的采樣信號(hào)(b)原始時(shí)域信號(hào)(c)等角度采樣信號(hào)（每一轉(zhuǎn)8 個(gè)采樣點(diǎn)） 圖1 采樣原理示意圖其中圖1(b)為一假設(shè)的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速上升過(guò)程產(chǎn)生的理想信號(hào)（實(shí)際情況中，振幅往往會(huì)隨轉(zhuǎn)速的變化而有所不同）。圖1(a)為通過(guò)恒定的采樣頻率得到的采樣信號(hào)（對(duì)應(yīng)于常規(guī)的頻譜分析）以及對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行FFT 分析后得到的頻譜?？梢悦黠@看到頻域上譜峰的分布與時(shí)域轉(zhuǎn)速信號(hào)中轉(zhuǎn)速的變化相對(duì)應(yīng)，頻率成分非常模糊，難以識(shí)別。對(duì)于這樣的采樣信號(hào)，利用

4、常規(guī)的頻譜分析方法已經(jīng)很難識(shí)別各頻率成分。圖1(c)所示的采樣信號(hào)是通過(guò)轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)采集固定的采樣點(diǎn)來(lái)得到（例子中每一轉(zhuǎn)有8 個(gè)采樣點(diǎn)），對(duì)此角域波形再進(jìn)行類(lèi)似時(shí)域的FFT 變換，所得頻譜既為清晰的階次譜。最后綜合各轉(zhuǎn)速下的階次譜，并可得到相應(yīng)的階次-轉(zhuǎn)速-幅值三維譜圖，可以清晰地得到頻率特征量隨轉(zhuǎn)速發(fā)生的變化。 2 應(yīng)用實(shí)例 2.1 對(duì)象 對(duì)象為某船舶高速傳動(dòng)軸減速齒輪箱在開(kāi)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中產(chǎn)生了非常強(qiáng)烈的振動(dòng)，集中在某一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分析其產(chǎn)生故障的原因。 2.2 測(cè)量結(jié)果 利用先進(jìn)的LMS SCADA3和TEST LAB 8B測(cè)試分析系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速跟蹤模塊對(duì)減速齒輪箱進(jìn)行了轉(zhuǎn)速上升過(guò)程的振動(dòng)加

5、速度測(cè)量，同時(shí)測(cè)量了齒輪箱在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的工作模態(tài)。選取部分測(cè)點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行分析，其中圖2為齒輪箱頂端邊緣測(cè)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果，圖3為齒輪箱頂端中部測(cè)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果。表2為各個(gè)工況下測(cè)得的齒輪箱工作模態(tài)。減速齒輪箱的減速比為4.57，齒輪箱各級(jí)嚙合頻率見(jiàn)表1。 2.3 故障分析 當(dāng)齒輪箱發(fā)生劇烈振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)的能量分布也會(huì)隨之變化，并最終反映到譜圖上，如圖2、圖3所示。從圖中可以明顯看到，在65階次的位置，振動(dòng)能量非常集中，并且隨著轉(zhuǎn)速的上升，能量越來(lái)越大，與實(shí)際情況相符。從各工況下齒輪箱的工作模態(tài)測(cè)量結(jié)果可以看到，齒輪箱的工作模態(tài)在1200Hz2000Hz之間非常密集，而當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到5400r/min以后，齒輪II級(jí)嚙合頻率也正好在1200Hz2000Hz之間，激發(fā)了齒輪箱的共振。在圖2的65階次曲線上任意取兩點(diǎn)A（1190，1091.82）、B（1