基于频谱分析法的失效齿轮齿的振动特性分析
上海频询仪器设备有限公司(Spectra Quest, Inc.中国代表处)
上海市闵行区宜山路2016号合川大厦7楼N座
摘要
文章研究了预置故障情形下齿轮齿的振动特性。采用Spectra Quest 公司的变速箱动态仿真器(GDS)进行实验研究，该测试装置模拟了二级平行齿轮传动，其中齿轮箱的输入齿轮故障设置可调，且对每一级齿轮在有无电磁制动器加载的两种情况下进行测试。实验结果表明：由于齿轮牙齿断裂影响，在频谱中的啮合频率周围出现了强双边带。齿轮故障程度变高，边带振幅可能要比啮合频率分量更高。
1.序言
减速器在工业和车辆中都很常用。在使用减速器的过程中，齿轮齿不可避免地要产生磨损、破裂，或在高负荷下产生失效。因此在任何重大故障发生之前，有必要研究有效的故障诊断方法来提高整机的可靠性。基于振动技术的加速计较易获得加速信号，因此应用广泛。齿轮诊断参数包括均方根值、峰值系数、曲线的峰态、能量比和其它度量标准[1]，这些方法均是统计学方法。其它的诸如联合时频分析、子波和神经网络的先进技术，已经被成功地应用于齿轮的故障诊断。Spectra Quest公司已在机械故障模拟系统[2]中对齿轮的故障诊断进行了演示并编写了技术说明，实验研究了一级齿轮传动在有失效轮齿情况下的振动信号与故障严重程度在时域、频域中之间的关系。据观察，当一个斜齿轮轮齿进入啮合时，在时域中产生了像信号一样的推动力，推动力随着损坏的程度有所增长。在频域中，齿轮边的振幅也会随着齿轮的传动失效严重程度而有所增加。
和先前的技术说明相比较，本文所述的实验是在下图所示的SpectraQuest公司的齿轮动态仿真器(GDS)中进行的。实验仅观察了二级传动的正齿轮，目的是对频率分量的变化和齿轮故障程度建立联系。
图1.变速箱的动态模拟器和电磁制动器
GDS是一个用来研究常用齿轮失效形式的专用设计平台。直齿或螺旋齿轮可用于二级平行轴承的设计，齿轮箱的驱动力为转速在0~3600范围、动力为3马力的发动机，在确保有适当的润滑和温控下，齿轮箱的变换器能输出更高速度，并能用电磁对负载进行制动，如上图所示。加载力的大小由电源来控制，齿轮箱采用模块化设计可以轻易看出各种各样的失效形式，如齿面塑性变形、轮齿折断和齿面点蚀、齿轮偏心、齿面磨损，或者在完全受控的环境中的一种或多种失效形式组合。为了改变系统刚度和节省空间，齿轮沿轴线方向被任意放置。GDS也是一个分析齿轮噪音、负荷能力和故障诊断技术的试验台。
2.实验系统
图2描绘了变速箱内部和一个二级平行传动的齿轮布局示意图。图片中的数字是齿轮齿数。因为这是一个二级传动，因此有两个啮合频率，分别命名为Fm1 和Fm2 ：
Fm1=24*Fi，
Fm2=Fi*24*36/60，
其中，Fi是输入轴的转速。
在该测试中，对四个齿轮进行了研究：(1)一个标准通用齿轮(2)一个小缺口齿轮(3)一个大缺口齿轮和(4)一个缺牙齿轮。所有的故障齿轮都是输入齿轮(24个齿牙中的一个齿牙)。图3显示了3个故障齿轮。对每个齿轮装置在有无负荷的两种加载情况下进行了实验。用电流源来控制刹车时所需的制动力。每一个加载的情形下电流达到了0.16安。
图2.二级平行齿轮传动
图3.断裂齿轮 (a)小缺口齿轮(b)大缺口齿轮(c)缺牙齿轮
转速控制器中设置的转速一般为3600r/m或60Hz。由于异步电动机的工作机理原因，实际速度要比变频调速小一些。旋转速度也是负载的函数，重负载下转速将降低，实际速度小于3600r/m，而且在运行期间会有很小的变化。
每次测试中，都在模拟器上安装了5个传感器：一个用来测试主轴转速的光学转速计，一对在轴承上的加速计，一个在变速箱顶端的加速计和一个电动机加速计。
图4.SpectraPad数据采集前端
用SpectraQuest的前端来收集在图4 中的频谱衬垫显示的数据，通过PCMCIA端口和便携式电脑连接起来，所有测试的采样率是51.2千次/秒。或者频带宽度是20千赫。频谱线的数量是6400。而在每个测试中收集了64个数据块。
3. 实验结果
3.1 基本分析
正像上面所讨论的那样，二级传动齿轮拥有两个啮合频率。当输入轴的转速小于60赫兹，Fm1和Fm2大概分别为1425Hz和854Hz。图5描绘了在这两个运行条件下获得的加速信号频谱，每个图都显示了两个高振幅的啮合频率，两个啮合频率的第二和第三谐波尽管相对较小，但在图中也能看到。
图5也显示了均方根振动的整体水平。我们可以很清楚地看出由于负载效应的影响，图5(b)中的振幅等级要比图5(a)中的振幅等级高，另外除了增加振幅外，由于负载用于输出端，Fm1的振幅的增加要比Fm2更为明显。
两图也显示了在2278Hz时的高幅频率的情况。但是，这不是任何啮合频率的叠加作用。为了区别作为与旋转有关或者是与结构有关的频率的内容，需要在不同速度时做进一步的实验。
图5. 变速箱的基本数据加速谱 (a)不加载，(b)加载.
3.2小缺口齿测试
该测试采用了一个有内置小芯片的24个齿牙的齿轮。图6显示了两个变速箱在有无负荷加载情况下的加速数据的幅值。和图5中显示的幅值相比较，可以看出，在图6(a)和(b)中，仅有fm2的频率分量占主导作用。fm1的频率分量勉强可以看见。但是，两个啮合频率的二次谐波在频谱中都有所显现。1725.62Hz是fm2的二次谐波，而2846.87 Hz是fm1的二次谐波。
图6 测试6的变速箱数据加速谱(a)不加载，(b)加载
图7 单边带出现的二次啮合频率
断齿齿轮说明了在每次旋转时产生的导致在时间信号下对其它频率的调幅影响，调幅导致在频谱中出现边带[3]。通过缩放啮合频率带，能清楚地看到边带。图7显示了图6(a)在500Hz和1200Hz之间缩放FFT的频谱。两个强边带显示在737.50Hz和796.87Hz时，频率间隔是59.37Hz，更为确切的说是和输入轴的旋转速度相同。这是因为缺损的齿轮是输入轴的齿轮，因此调幅频率和输入轴的转速相同。如果我们把调幅频率放大到和图6(b)一样的频率范围，就可以看到即使是同样的齿边带，在负载的作用下啮合频率也会变得更为明显。
3.3大缺口齿测试
该测试中采用了一个内置有大芯片的24齿牙的齿轮。图8显示了两个变速箱在有无负荷加载情况下的加速数据的幅值。可以看出，fm2的频率分量和它的第二谐波在频谱中占主导作用，强边带给出了有关的两个组成部分。同样，加载情况下的总体振幅较高。
图8 测试7的变速箱数据加速谱(a)不加载，(b)加载
图9 测试5的变速箱数据加速谱(a)不加载，(b)加载
3.4 缺齿牙测试
缺齿牙是所有测试中最为严重的故障，测试齿轮中丢失一个齿牙。在图9(a)中可以看出，在796.87Hz和737.5Hz时振幅边带甚至要比先前所有拥有高啮合频率时振幅边带要高;加载情况下，振幅边带比除了fm2分量之外的、与旋转相关的所有分量有更高的振幅。图10和11表明在未加载情况下fm2 和2fm1的缩放FFT的频谱，图11也表明了单边带的幅值(2918.75Hz)要比2fm1的分量(2859.37Hz)要高。
图10 关于fm2的频带
图11 关于fm1的频带
结论
实验是在变速箱的动态仿真器中进行的，研究了齿轮故障诊断技术。从理论预测和实验结果两方面得出以下结论：
(1)负载会影响整体振幅以及啮合频率振幅。
(2)缺口齿和少牙齿齿轮在每一次旋转中都要产生影响。因此，啮合频率出现在齿边。频率间隔是输入轴的转速。
(3)动态仿真器中芯片的等级将会对边带振幅产生严重影响。有时边带的等级甚至比啮合频率分量的等级更高，这与正常齿轮的运转情况有很大差别。
参考文献：
[1] SQ... iagnosticparam.html
[2] “Analyzing Gearbox Degradation Using Time-Frequency SignatureAnalysis”, Spectra Quest Tech Note, March 2006.
[3] “Vibration Signal Analysis of Fan Rotors”, Spectra Quest Tech Note,March 2007.
所有的技术说明可参看：上海频询仪器设备有限公司官网
发表于 2013-11-25 15:10
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