淺談智能化的齒輪箱系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)方案

齒輪箱作為連接和傳遞動(dòng)力的通用部件，在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)決定了齒輪也是一個(gè)易于發(fā)生故障的部件，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)整機(jī)的工作性能有很大的影響。因此，齒輪箱的故障診斷技術(shù)一直都是人們研究的重要課題。

齒輪特有的嚙合傳動(dòng)方式使得齒輪傳動(dòng)有著明顯的缺點(diǎn)：相對(duì)于其他傳動(dòng)方式而言，齒輪傳動(dòng)的振動(dòng)、噪聲更大；齒輪本身對(duì)制造工藝、材料的熱處理和裝配的要求高，稍有不慎就會(huì)成為導(dǎo)致機(jī)器故障的主要因素。齒輪多以齒輪箱的結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)，隨著軸承等零部件的增多，這就又增加了故障診斷的難度。但由于各個(gè)組件結(jié)構(gòu)參數(shù)等的不同，各個(gè)零部件所引起的振動(dòng)信號(hào)的頻率、幅值是不同的。所以當(dāng)某一部件出現(xiàn)故障時(shí)就會(huì)出現(xiàn)特定與其相對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析就能得出齒輪箱的故障范圍和性質(zhì)。

通過(guò)理論研究和實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)具有故障的齒輪箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，其中在頻域分析中除了傳統(tǒng)的頻譜分析外，還采用細(xì)化譜分析以及解調(diào)分析方法，并與正常狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行比較，從而提取該故障的特征，進(jìn)而提出行之有效的診斷方法。

1 齒輪箱主要的故障信號(hào)特點(diǎn)

齒輪箱中的軸、齒輪和軸承在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)正常工作時(shí)，齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)是平穩(wěn)的，其主要成分是各軸的轉(zhuǎn)頻和齒輪的嚙合頻率。當(dāng)任一部件發(fā)生故障時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)的幅值、頻率都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。

1.1 齒輪箱振動(dòng)信號(hào)時(shí)域特征分析

1）振動(dòng)信號(hào)是穩(wěn)態(tài)信號(hào)

與正常齒輪箱振動(dòng)信號(hào)相比，這種信號(hào)的變化僅僅是幅值的變化，它所對(duì)應(yīng)的故障主要是齒輪的均勻磨損，使得輪齒變薄、齒型誤差變大，引發(fā)振動(dòng)的能量變大。

2）振動(dòng)信號(hào)是周期平穩(wěn)信號(hào)

在這種信號(hào)中出現(xiàn)有規(guī)律的沖擊或者是調(diào)制現(xiàn)象，它所對(duì)應(yīng)的故障主要有齒輪的點(diǎn)蝕、疲勞剝落、齒型誤差、安裝誤差，軸的彎曲、不平衡、不對(duì)中以及滾動(dòng)軸承的剝落等情況。

3）振動(dòng)信號(hào)是非周期性信號(hào)

在這種信號(hào)中出現(xiàn)了無(wú)規(guī)律的沖擊或調(diào)制現(xiàn)象，它所對(duì)應(yīng)的主要是齒輪或軸承的嚴(yán)重故障，比如齒輪的斷齒、膠合，軸承的壓痕、斷裂等。

1.2 齒輪箱振動(dòng)信號(hào)頻域特征分析

下面對(duì)這些振動(dòng)信號(hào)常出現(xiàn)的頻率特點(diǎn)、調(diào)制規(guī)律進(jìn)行介紹，在設(shè)置采樣頻率以及進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)應(yīng)引起注意。

1）振動(dòng)信號(hào)中出現(xiàn)軸頻及其高次諧波；

2）振動(dòng)信號(hào)中出現(xiàn)齒輪的嚙合頻率及其高次諧波；

3）振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率邊頻帶；

4）振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)以齒輪固有頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的邊頻帶；

5）振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)以齒輪箱固有頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的邊頻帶；

6）振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)以外圈的各階固有頻率為載波頻率，產(chǎn)生剝落元件的通過(guò)頻率為調(diào)制頻率。

2 齒輪箱的主要故障形式

作為一個(gè)整體，齒輪箱的故障形式是多種多樣的，但齒輪箱主要是由齒輪、軸承、軸和箱體等幾部分組成的，因此對(duì)齒輪箱工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)識(shí)別可以分為對(duì)這些零部件的工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)識(shí)別。由于各個(gè)組件結(jié)構(gòu)參數(shù)等的不同，各個(gè)零部件所引起的振動(dòng)信號(hào)的頻率、幅值是不同的。所以當(dāng)某一部件出現(xiàn)故障時(shí)就會(huì)出現(xiàn)特定與其相對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析就能得出齒輪箱的故障范圍和性質(zhì)。下面就各個(gè)部件出現(xiàn)故障時(shí)的振動(dòng)信號(hào)特征進(jìn)行介紹。

2.1 齒輪的主要故障特征及頻率特點(diǎn)

1）齒形誤差

這種情形下振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制；一般的齒形誤差產(chǎn)生的調(diào)制邊頻帶窄，以一階邊頻調(diào)制為主，且邊頻帶的幅值較??；若齒形誤差較為嚴(yán)重，則會(huì)激起齒輪的固有頻率，出現(xiàn)以齒輪故有頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸的轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的齒輪共振頻率調(diào)制，振動(dòng)能量（有效值和峭度）有一定程度的增大。其特征頻譜如圖1所示。

2）齒輪齒面均勻磨損

齒輪的嚙合頻率及其諧波的幅值明顯增大；如果為不均勻磨損，會(huì)產(chǎn)生以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率，但幅值小。特征頻譜如圖2所示。

3）斷齒

以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率，調(diào)制邊頻帶寬而高；以齒輪各階固有頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率，調(diào)制邊頻帶寬而高；振動(dòng)能量有很大的增加。特征圖譜如圖3所示。

2.2 齒輪箱軸承的主要故障特征及頻率特點(diǎn)

軸承疲勞剝落和點(diǎn)蝕：在齒輪箱軸系中，一般滾動(dòng)軸承內(nèi)圈和軸多為緊密地過(guò)盈配合，即軸和內(nèi)圈牢固的連為一體，要激起固有頻率需要很大的能量，且內(nèi)圈固有頻率與自由狀態(tài)下測(cè)得或者計(jì)算的頻率完全不同。外圈和箱體軸承座也是過(guò)盈配合，但同內(nèi)圈相比要松得多。且外圈在工作中一直受到滾動(dòng)體對(duì)其較大的壓力，當(dāng)軸承有故障并運(yùn)行一段時(shí)間后，外圈與軸承座之間基本完全松動(dòng)，外圈固有頻率與自由狀態(tài)下測(cè)得或者計(jì)算的頻率基本相同。由于外圈松動(dòng)且質(zhì)量輕，軸承元件出現(xiàn)故障時(shí)，振動(dòng)能量通過(guò)滾動(dòng)體傳到外圈上，激起外圈固有頻率。齒輪箱中軸承故障的載波頻率一般為外圈的各階固有頻率，調(diào)制頻率為產(chǎn)生剝落元件的通過(guò)頻率。如圖4所示。

由于軸承結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)于軸承故障產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)頻率還有一點(diǎn)應(yīng)引起重視，以便正確地監(jiān)測(cè)軸承的故障振動(dòng)信號(hào)。軸承主要由外圈、滾動(dòng)體、保持架和內(nèi)圈組成，當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)不同零件之間會(huì)產(chǎn)生沖擊力。以軸承外圈有故障缺陷為例，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈（內(nèi)圈），一定數(shù)量的滾動(dòng)體就會(huì)經(jīng)過(guò)外圈上的缺陷點(diǎn)并沖擊此缺陷點(diǎn)，每轉(zhuǎn)一圈的沖擊次數(shù)就是該軸承的？外圈缺陷放大倍數(shù)#，它可能使得振動(dòng)信號(hào)的頻率遠(yuǎn)大于軸的轉(zhuǎn)頻，稱為外圈缺陷放大。如果軸承缺陷放大倍數(shù)為305，而機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度為1000rpm，則故障頻率為3050cpm。這就意味著機(jī)器的故障導(dǎo)致每分鐘有3050次沖擊。有一點(diǎn)需要注意，軸承的缺陷放大不能精確地放大軸的轉(zhuǎn)速，因此滾動(dòng)軸承總是產(chǎn)生非同步轉(zhuǎn)速。在上述的例子中，軸承的故障頻率為3050，而軸轉(zhuǎn)速的三次諧波頻率為3000，兩者非常相近，可能會(huì)更容易混淆和誤診。

表1是常見(jiàn)軸承的典型頻率范圍，一些軸承可能有更高的故障頻率，其決定性因素主要是滾動(dòng)體的數(shù)量（它與軸承的負(fù)載等級(jí)有關(guān)）。

有了以上的認(rèn)識(shí)，在進(jìn)行齒輪箱的軸承故障診斷時(shí)就要有目的地提高采樣頻率，以防止丟失故障振動(dòng)信號(hào)。

2.3 齒輪箱軸系的主要故障特征及頻率特點(diǎn)

1）軸不對(duì)中

這時(shí)的振動(dòng)信號(hào)將以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率；調(diào)制頻率的2倍頻幅值最大；齒輪嚙合頻率及其諧波幅值增大；振動(dòng)能量（有效值和峭度）有一定程度增大。特征頻譜見(jiàn)圖5。

2）軸輕度彎曲

振動(dòng)信號(hào)將以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制，但調(diào)制邊頻帶窄且??；如果彎曲軸上有多對(duì)齒輪嚙合，則會(huì)出現(xiàn)多對(duì)齒輪嚙合調(diào)制；振動(dòng)能量（有效值和峭度）一定程度增加，特別是軸向振動(dòng)能量有較大增加。特征頻譜見(jiàn)圖6。

3）軸嚴(yán)重彎曲

振動(dòng)信號(hào)將以齒輪嚙合頻率及其諧波、齒輪固有頻率、箱體固有頻率為載波頻率，此輪所在軸轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制，但邊頻帶較寬，解調(diào)譜上出現(xiàn)軸的轉(zhuǎn)頻和多階高次諧波；如果彎曲軸上有多對(duì)齒輪嚙合，則會(huì)出現(xiàn)多對(duì)齒輪嚙合調(diào)制；振動(dòng)能量（有效值和峭度）有一定程度增加，特別是軸向振動(dòng)能量有較大增加，特征頻譜見(jiàn)圖7。

4）軸向竄動(dòng)

有故障軸上齒數(shù)多的齒輪嚙合頻率的幅值大幅度增加，振動(dòng)能量有較大增加。特征頻譜見(jiàn)圖8。

5）軸有嚴(yán)重的不平衡

振動(dòng)信號(hào)將以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻頻率的嚙合頻率調(diào)制，但邊頻帶較少而稀，解調(diào)譜上出現(xiàn)軸的轉(zhuǎn)頻；有故障軸的轉(zhuǎn)頻成分有較大的增加；振動(dòng)能量（有效值和峭度）有一定程度增加，特別是軸向振動(dòng)能量有較大增加。特征頻譜見(jiàn)圖9。

2.4 齒輪箱體的主要故障特征及頻率特點(diǎn)

齒輪箱是一個(gè)封閉的環(huán)境，齒輪箱內(nèi)零部件所產(chǎn)生的振動(dòng)向外傳播的媒介。在某個(gè)零部件出現(xiàn)故障時(shí)箱體的振動(dòng)極有可能摻雜其中，對(duì)信號(hào)分析與處理造成很大不便。

箱體共振：齒輪箱的一階固有振動(dòng)頻率為主導(dǎo)地位，其他頻率成分很低；振動(dòng)能量有很大的增加。如果是箱體共振調(diào)制，以箱體、齒輪固有頻率和齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪或軸所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率；齒輪嚙合頻率及其諧波幅值明顯增大；特征頻譜見(jiàn)圖10。

3 振動(dòng)信號(hào)診斷方法

齒輪箱各個(gè)部件有其對(duì)應(yīng)的故障特征，為了綜合利用這些典型的故障特征，對(duì)齒輪箱更加準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷，就必須在時(shí)域和頻域?qū)φ駝?dòng)加速度和速度信號(hào)進(jìn)行全面分析，盡可能多地提取有用信息。

時(shí)域主要是針對(duì)原始時(shí)域信號(hào)和包絡(luò)時(shí)域信號(hào)，一般選均方值、峰值、峭度和峰值指標(biāo)作為診斷參量。振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域均方值反映了平均振動(dòng)能量，而時(shí)域峰值、峭度和峰值指標(biāo)在一定程度上能夠顯示振動(dòng)信號(hào)是否含有沖擊成分。包絡(luò)時(shí)域均方值則直接反映振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)的大小，其峰值、峭度和峰值指標(biāo)反映出振動(dòng)沖擊信號(hào)的尖銳程度。

頻域主要從頻譜、細(xì)化譜和解調(diào)譜進(jìn)行分析。

頻譜主要分析加速度信號(hào)中齒輪嚙合頻率和軸承內(nèi)外圈固有頻率的中高成分；細(xì)化譜主要分析速度信號(hào)中軸的轉(zhuǎn)頻和軸承組件的通過(guò)頻率的低等成分，而解調(diào)譜則主要用于分析振動(dòng)加速度信號(hào)中各軸和軸承各組件通過(guò)頻率的低頻成分。

除此之外，由于齒輪箱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其振動(dòng)的頻率成分很多，所以需要對(duì)齒輪箱的有關(guān)參數(shù)建立檔案。比如說(shuō)各軸的轉(zhuǎn)頻，齒輪的嚙合頻率，軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征頻率，并對(duì)振動(dòng)的速度和加速度設(shè)置報(bào)警參數(shù)。該檔案建立以后要根據(jù)實(shí)際故障情況不斷地完善，成為齒輪箱故障診斷的參考和依據(jù)。

結(jié)論

齒輪箱的故障形式是多種多樣的，故障主要集中在齒輪、軸承、軸和箱體等幾個(gè)主要部件上，各個(gè)部件均有其典型的故障特征與頻率特點(diǎn)。通過(guò)監(jiān)測(cè)齒輪箱的振動(dòng)速度和加速度信號(hào)，在兩時(shí)域（原始時(shí)域信號(hào)和包絡(luò)時(shí)域信號(hào)）以均方值、峰值、峭度和峰值指標(biāo)作為診斷參量來(lái)檢測(cè)振動(dòng)中的沖擊成分，然后在頻域利用頻譜、細(xì)化譜和解調(diào)譜分別對(duì)各個(gè)組件的振動(dòng)頻率中的低頻、中頻、高頻成分進(jìn)行分析，最后結(jié)合對(duì)齒輪箱建檔的措施，可以實(shí)現(xiàn)齒輪箱故障的自動(dòng)診斷或智能診斷的目的。由于齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境一般比較惡劣，并且干擾大、涉及問(wèn)題較多，對(duì)齒輪箱典型故障的提取仍然存在一定的難度，還需要進(jìn)一步研究。