兩種傳遞路徑不同振動信號的特征分析?

牛雪梅,李 敏,熊曉燕

(1.太原科技大學電子信息工程學院,山西太原 030024;2.太原理工大學機械電子工程研究所,山西太原 030024)

0 引 言

在齒輪故障診斷中,齒輪箱箱體的振動加速度信號是使用最廣泛的一種振動信號,已有大量文獻研究對其進行各種分析和處理來提取故障特征,在很多情況下也是有效的[1-3].但若齒輪箱內部的傳遞環(huán)節(jié)較多時,各種因素會使系統(tǒng)的非線性特征明顯,在箱體測得的振動信號是各種信號的交叉耦合,給特征提取帶來困難,或者造成故障誤判.若從軸端測取扭轉振動信號,傳遞環(huán)節(jié)少,傳遞路徑簡單直接,干擾因素減少,信號比較單純,經(jīng)過簡單的處理,故障特征就可以清晰地提取出來,利于故障的準確判斷.根據(jù)實際對象或工業(yè)現(xiàn)場的條件,扭振信號的測取可以采取兩種方式,一種由高精度編碼器信號經(jīng)變換處理得到[4],另一種使用定子電流信號解調而來.

1 扭振信號的獲取

扭轉振動是旋轉機械中的一種重要的振動形式,傳動軸及與其有關聯(lián)的部件的損傷或故障的信息都可以反映在扭振信號中,并且由于其未經(jīng)過復雜的傳遞路徑,因而更容易提取出準確的故障特征.

有如下兩種方法可以比較有效地獲取扭轉振動的信號:

1)在軸端安裝高精度增量型光電編碼器.這種編碼器可以產(chǎn)生幾千甚至幾萬個脈沖,其角度分辨率很高,可以感測到幅度(角度)較小的扭轉振動,再經(jīng)過頻率-電壓轉換電路,就能獲得扭轉振動信號;也可以將編碼器輸出的信號經(jīng)過希爾伯特變換而獲取扭振信號.有些工業(yè)現(xiàn)場的旋轉機械就安裝有測量轉速的編碼器,經(jīng)過適當?shù)母脑?可在工業(yè)現(xiàn)場方便地測得扭振信號.

2)使用電流傳感器提取電機的電流信號,再經(jīng)過解調分析來得到軸的扭振信號.

2 兩種傳遞路徑不同的振動信號的雙譜特征

齒輪箱在許多機械系統(tǒng)中都是重要的組成部分,其主要作用是傳遞動力和改變轉速.它的結構形式也多種多樣.一般來說,齒輪上的振動激勵到箱體上安裝的振動加速度計的傳遞路徑是:齒輪→軸→軸承→齒輪箱箱體→加速度計.在這個傳遞過程中,由于結構本身存在的非線性因素(如間隙、磨損及非線性剛度等)以及傳遞過程中混入的其它噪聲,會使測得的信號非線性程度加強,給診斷帶來困難.而直接從軸端測得的扭轉振動信號,傳遞路徑簡單,非線性因素和干擾噪聲減少,利于后續(xù)的診斷.

本文使用高階譜分析對兩種傳遞路徑得到的振動信號進行了研究.這里把傳遞路徑作為系統(tǒng)考慮.對于非線性系統(tǒng),當諧波信號作用于它時,系統(tǒng)的輸出信號既包含輸入信號原有的頻率成分,又會由于非線性耦合而出現(xiàn)新的頻率成分.

高階譜可以識別出非線性相位耦合的情況.這里,高階譜所檢測和描述的信號是指隨機激勵非線性系統(tǒng)得到的響應信號.設二次非線性系統(tǒng)的輸入信號

系統(tǒng)的響應信號

式中:X為非零常數(shù).

信號 z(k)含有余弦項 (λ1,h1),(λ2,h2),(2 λ1,2 h1),(2 λ2,2 h2),(λ1- λ2,h1-h2),(λ1+ λ2,h1+h2).響應信號中不但含有激勵信號的頻率成分,同時也出現(xiàn)了新的頻率成分,它等于激勵信號某兩個頻率成分的和(或差),同時其相位也等于兩個相位的和(或差),這種現(xiàn)象就稱為二次相位耦合.

功率譜是不含有相位信息的,故其無法檢測二次相位耦合,而雙譜(三階累積量)就能檢測及表征二次相位耦合的情況[5-15].

齒輪箱-電機實驗臺如圖 1所示,由電機,單級傳動齒輪箱,加載裝置,振動加速度計和扭轉振動測量裝置組成.

當齒輪箱中的齒輪、軸和軸承均無故障時,對上述兩種傳遞路徑不同的振動信號進行雙譜分析.由圖 2可以看出,在箱體上測得的振動加速度信號已出現(xiàn)了非線性相位耦合現(xiàn)象,若齒輪箱中的零部件再出現(xiàn)故障時,信號的非線性情況會更加嚴重;若故障很輕微時,故障特征提取就變得較困難,有時也會出現(xiàn)誤判的情況.扭振信號沒有經(jīng)過復雜的傳遞路徑,由于傳遞路徑的因素導致的非線性就不嚴重,當出現(xiàn)輕微故障時,簡單的信號處理就能提取出明顯的特征.圖 3為扭振信號的雙譜圖,在 6個對稱區(qū)域的某個區(qū)域中,頻率成分簡單,沒有二次相位耦合現(xiàn)象.

圖1 齒輪箱-電機實驗臺Fig.1 Test-bed of gearbox-motor

圖2 箱體振動加速度信號的雙譜圖Fig.2 Bispectrum of box acceleration sig nal

圖3 扭振信號的雙譜圖Fig.3 Bispectrum of to rsional vibration signal

3 故障特征提取

從上面的分析可以看出,當齒輪傳動系統(tǒng)中的零部件有故障或損傷時,箱體振動加速度信號的頻率成分就比扭振信號的頻率成分復雜的多.當齒輪上存在點蝕、裂紋等故障時,其接觸剛度隨之發(fā)生變化,這會造成扭轉剛度的瞬時改變,這種變化會反映在扭振信號中.

對于上述齒輪箱-電機實驗臺,經(jīng)過理論計算,傳動軸的轉動頻率為 3.4 Hz,齒輪的嚙合頻率為 100.4 Hz.這個特征也可以從扭振信號的頻譜圖中非常明顯地體現(xiàn)出來,如圖 4所示.

當發(fā)生故障時,齒輪嚙合而產(chǎn)生的信號被上述故障信號調制,在頻譜圖上就表現(xiàn)為在嚙合頻率及其各次諧頻的兩側出現(xiàn)間隔均勻的邊頻帶.圖 5為點蝕齒輪扭振信號的頻譜圖.從圖 5中可以明顯地得到點蝕齒輪的信號特征:在 3.4 Hz處有一突出譜線,在 100.1 Hz處也有一突出譜線,在其兩邊,存在以 3.4 Hz為間隔的均勻明顯的邊頻帶,這與理論計算是基本吻合的.

圖4 提取的無損傷齒輪的扭振信號的頻譜圖Fig.4 Torsional vibration sig nal spectrum of undamag ed gear

圖5 提取的點蝕齒輪的扭振信號的頻譜圖Fig.5 Torsional vibration signal spectrum of pitting gear

對箱體振動加速度信號施以與扭振信號相同的處理,其故障特征就遠沒有扭振信號的特征明顯,如圖 6所示.

圖6 提取的點蝕齒輪的振動加速度信號的頻譜圖Fig.6 Vibration acceleration signal spectrum of pitting gear

4 結 論

當齒輪箱中的齒輪、軸和軸承均無故障時,對箱體振動加速度信號和傳動軸端測取扭振信號這兩種傳遞路徑不同的振動信號進行雙譜分析.振動加速度信號頻率成分較復雜,出現(xiàn)了非線性相位耦合的現(xiàn)象.若齒輪箱中的零部件在出現(xiàn)故障時,信號的非線性情況會更加嚴重;若故障很輕微時,故障特征提取就變得較困難,有時也會出現(xiàn)誤判的情況.扭振信號沒有經(jīng)過復雜的傳遞路徑,由于傳遞路徑的因素導致的非線性就不嚴重,雙譜圖中沒有二次相位耦合的現(xiàn)象.當出現(xiàn)輕微故障時,譜分析就能提取出明顯的特征.

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