基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的大型輪船錨機(jī)齒輪箱故障診斷

張國(guó)華 郝劉倉(cāng) 曹振芳

邯鄲凈化設(shè)備研究所，河北 邯鄲 056027

1 引 言

作為一種傳動(dòng)裝備，錨機(jī)齒輪箱龐大的體型和其拆裝困難是其長(zhǎng)期以來不易維修的重要原因之一。受工況條件所限，傳統(tǒng)的信號(hào)處理技術(shù)，如FFT等［1］的故障診斷效果并不理想，這是因?yàn)樾盘?hào)中包括了船體、動(dòng)力源、齒輪、軸承、齒輪箱本體以及錨機(jī)間的干擾等諸多因素。因此，在有限條件下采用何種方法對(duì)大型機(jī)械裝備進(jìn)行信號(hào)處理和故障診斷是亟待解決的問題。

用于齒輪與軸承上的信號(hào)處理與故障診斷的方法很多。其中，頻譜分析［2］是一種整體變換，分析的結(jié)果為信號(hào)在頻域內(nèi)的統(tǒng)計(jì)平均值，不能反映信號(hào)的局部信息，因而其只能分析頻率不隨時(shí)間變化的線性和平穩(wěn)信號(hào)。短時(shí)傅立葉分析［3-4］是在信號(hào)傅立葉變換前加上有限時(shí)間窗函數(shù)，通過窗在時(shí)間軸上的移動(dòng)而使信號(hào)逐段被分析，從而得到信號(hào)的一組“局部”頻譜。雖然該方法可用于時(shí)域局部化分析，但窗口沒有自適應(yīng)性，不適用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中常見的多尺度信號(hào)和突變過程。Wigner-Ville分布［5］具有很高的時(shí)頻分辨率，時(shí)頻聚集性較好，且具有對(duì)稱性、時(shí)移性、頻移性和可逆性等特點(diǎn)，但其對(duì)多分量信號(hào)會(huì)產(chǎn)生交叉項(xiàng)，不宜分析復(fù)雜信號(hào)。小波分析［6-7］是一種時(shí)域與頻域相結(jié)合的分析方法，具有良好的局部化特性，并可根據(jù)不同的需要選擇不同的小波基函數(shù)和分解尺度，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷具有很好的適應(yīng)性，但是小波基函數(shù)和分解尺度的選定仍然缺乏系統(tǒng)性理論的指導(dǎo)，對(duì)于齒輪箱這樣的復(fù)雜信號(hào)，若選擇不當(dāng)，就很難明確故障特征，因此需要具備豐富的故障診斷實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。另外，文獻(xiàn)［8］還對(duì)小波基函數(shù)和分解尺度的選定進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并針對(duì)小波分析方法的某些缺點(diǎn)與局限性作了適當(dāng)改進(jìn)，最終運(yùn)用改進(jìn)的小波分析方法較準(zhǔn)確地分析了F-15B／836戰(zhàn)斗機(jī)變速箱的故障。文獻(xiàn)［9］提出了磨損碎片與振動(dòng)信號(hào)綜合分析方法，即通過對(duì)不同故障狀態(tài)的齒輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析，總結(jié)出一套較完整的診斷方法。

本文將以某大型輪船錨機(jī)齒輪箱為例，針對(duì)錨機(jī)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的特性，擬采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EMD）對(duì)故障振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理與分析。

2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法

EMD法［10-12］是基于信號(hào)的局部特征時(shí)間尺度，其通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)化處理，并將信號(hào)中不同尺度的波動(dòng)或趨勢(shì)逐級(jí)分解，從而產(chǎn)生一系列具有不同特征尺度的數(shù)據(jù)序列，即固有模態(tài)函數(shù)（IMF）。其中，IMF滿足如下條件：

1）整個(gè)數(shù)據(jù)段內(nèi)極值點(diǎn)的個(gè)數(shù)與零交叉點(diǎn)的個(gè)數(shù)相等或相差不超過1個(gè)；

2）任何一點(diǎn)由局部極大值點(diǎn)形成的包絡(luò)線和由局部極小值點(diǎn)形成的包絡(luò)線的平均值為0。

假設(shè)原始信號(hào)為x（t），IMF的提取方法如下：

1）確定信號(hào)局部極值點(diǎn)，然后用三次樣條曲線將局部極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)連接起來形成上、下包絡(luò)線，并使上下包絡(luò)線包絡(luò)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2）上下包絡(luò)線的平均值記為m1，得出：

若h1為1個(gè)IMF，則h1就是x（t）的第1個(gè)分量。

3）如果h1不滿足IMF條件，便將h1作為原始數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟1）和步驟2），得到上下包絡(luò)線的平均值m11后，再判斷h11＝h1-m11是否滿足IMF的條件，如仍不滿足，則循環(huán)k次，直至h1（k-1）-m1k＝h1k，使得 h1k滿足 IMF 的條件。 記 c1＝h1k，則c1為信號(hào)x（t）的第1個(gè)滿足IMF條件的分量。

4）將 c1從 x（t）中分離出來，得到：

將r1作為原始數(shù)據(jù)重復(fù)以上過程，得到x（t）的第2個(gè)滿足IMF條件的分量c2，重復(fù)循環(huán)n次，得到信號(hào)x（t）的n個(gè)滿足IMF條件的分量。故有：

最后，當(dāng)rn成為單調(diào)函數(shù)不能再?gòu)闹刑崛M足IMF條件的分量時(shí)，循環(huán)便結(jié)束。

由式（2）和式（3）可得：

因此，可將任意一個(gè)信號(hào)x（t）分解為n個(gè)固有模態(tài)函數(shù)和1個(gè)殘量rn之和。其中，分量c1，c2…cn分別包含了信號(hào)從高到低不同頻率段的成分，并且每一頻率段所包含的頻率成分不同，是隨信號(hào) x（t）的變化而變化。 rn則表示了信號(hào) x（t）的中心趨勢(shì)。

錨機(jī)齒輪箱的內(nèi)部傳動(dòng)參數(shù)如表1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 錨機(jī)齒輪箱內(nèi)部傳動(dòng)參數(shù)Tab.1 Transmission parameters of anchor gearbox

3 錨機(jī)齒輪箱故障診斷

3.1 數(shù)據(jù)的測(cè)量及預(yù)估

對(duì)錨機(jī)齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，首先使用B＆K4638加速度傳感器和B＆K2635電荷放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行獲取與放大，然后用比利時(shí)LMS公司生產(chǎn)的LMS動(dòng)態(tài)測(cè)試儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中，在采集過程中，采用5～1 000 Hz帶通濾波器，Hanning窗函數(shù)。

將加速度傳感器安裝在4根軸的7個(gè)軸承座上，保持其與軸承外圓柱面垂直接觸 （誤差±0.5 mm）。用電纜線連接電荷放大器和傳感器，并在接近振動(dòng)區(qū)域處用樹脂將其固定，以避免因軸承振動(dòng)所引發(fā)的干擾信號(hào)而造成有用信號(hào)的扭曲。

給定錨機(jī)4個(gè)轉(zhuǎn)速，即300 r/min、400 r/min、500 r/min和600 r/min，在各點(diǎn)采集振動(dòng)信號(hào)并計(jì)算其均方根值，如圖2所示。由圖可見，在同一位置上，隨著轉(zhuǎn)速的提高，所測(cè)得的振動(dòng)幅值增大，尤其是在最高轉(zhuǎn)速下，電機(jī)連接齒軸對(duì)應(yīng)軸承座上的振動(dòng)幅值明顯高于其他值。因此，初步斷定該處結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)了故障，或轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)頻率在共振點(diǎn)附近，后續(xù)的數(shù)據(jù)都由該點(diǎn)測(cè)得。

圖3所示為通過位于軸承座測(cè)試點(diǎn)測(cè)得的電機(jī)連接齒軸處振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域信號(hào)及其頻譜圖。由圖3（a）可看出存在明顯的沖擊現(xiàn)象。由圖3（b）可看出，在頻段175～250 Hz、350～400 Hz和50 0～600 Hz等處有幅值較高的譜峰出現(xiàn)，但是這些頻率成分對(duì)應(yīng)的振動(dòng)來源不明，因此，要準(zhǔn)確判斷齒輪箱的故障還需做進(jìn)一步的分析。

3.2 EMD分解與故障診斷

由以上頻譜分析可看出，信號(hào)中有明顯的沖擊存在，但低頻沖擊的來源尚不明確。對(duì)上圖測(cè)得的原始故障信號(hào)進(jìn)行EMD分解，得到16個(gè)IMF分量，圖4所示為振動(dòng)信號(hào)EMD分解的IMF分量和各IMF分量的頻譜圖。本文只選取前8個(gè)IMF分量作為研究對(duì)象，并分別在其頻域內(nèi)提取特征指標(biāo)。

由圖4可見，EMD將原始信號(hào)分解為若干個(gè)IMF分量，不同的IMF分量包含不同頻段所對(duì)應(yīng)的能量。但僅由此還難以分析出齒輪箱的故障所在。對(duì)各IMF分量分別作Hilbert變換，得到包絡(luò)譜（圖5）。由第1層IMF的包絡(luò)譜圖可以發(fā)現(xiàn)，在10 Hz處幅值最大，有明顯的沖擊現(xiàn)象，該頻率與電機(jī)連接齒輪軸的轉(zhuǎn)頻吻合，并且在20 Hz處有0.7 倍的幅值，在 30 Hz處有 0.35 倍的幅值，由此說明，在轉(zhuǎn)頻的倍頻處存在高次諧波。此外，從其他IMF分量也可得出相同的結(jié)論。由此可判斷，齒輪箱發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)是因電機(jī)連接齒軸旋轉(zhuǎn)不平衡而導(dǎo)致。

4 診斷結(jié)果驗(yàn)證

將電機(jī)軸拆卸后，發(fā)現(xiàn)該軸的孔徑為φ180.06 mm，超出了圖紙要求的上限 φ180.04 mm，另外，圓孔的原始面上有補(bǔ)焊痕跡。由此說明，以上缺陷使得箱體軸承孔上的軸承外圈和箱體軸承孔在裝配過程中存在問題，造成軸承在內(nèi)孔中刷圈（圖6），致使內(nèi)孔產(chǎn)生帶狀溝而影響裝配質(zhì)量，最終導(dǎo)致電機(jī)連接齒軸旋轉(zhuǎn)不平衡。

給定 4 個(gè)轉(zhuǎn)速，即 300 r/min、400 r/min、500 r/min和600 r/min，在4根軸7個(gè)軸承座處分別采集振動(dòng)信號(hào)，對(duì)應(yīng)信號(hào)的均方根值柱狀圖如圖7所示。

由圖可見，各軸承座上信號(hào)的振動(dòng)幅值差別不大，而且電機(jī)連接齒軸對(duì)應(yīng)的幅值相比修復(fù)前已明顯降低。

在電機(jī)連接齒軸右端所測(cè)信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖如圖8所示。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行EMD分解，所得各IMF分量及其包絡(luò)譜如圖9所示。由圖可見，齒輪箱經(jīng)修復(fù)后已不存在明顯的沖擊現(xiàn)象，并且信號(hào)幅值與故障存在時(shí)相比要小得多。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)錨機(jī)齒輪箱故障的診斷系統(tǒng)與振動(dòng)信號(hào)處理方法進(jìn)行了研究，并將EMD方法應(yīng)用到診斷過程中，其可準(zhǔn)確、有效地提取故障特征信息。最后，對(duì)故障部位進(jìn)行修復(fù)并再次采集信號(hào)進(jìn)行處理與分析，結(jié)果表明，EMD法可以很好地解決大型錨機(jī)齒輪箱的故障診斷問題。

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