齒輪箱故障診斷的頻響修正法研究

張志斌，王菁，高韜（. 河北省石家莊市9469部隊(duì)，河北石家莊，050070；. 河北省石家莊市發(fā)展和改革委員會信息中心，河北石家莊，0500；. 華北電力大學(xué)自動化系，河北保定，0700）

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齒輪箱故障診斷的頻響修正法研究

張志斌1，王菁2，高韜3
（1. 河北省石家莊市93469部隊(duì)，河北石家莊，050070；
2. 河北省石家莊市發(fā)展和改革委員會信息中心，河北石家莊，050011；
3. 華北電力大學(xué)自動化系，河北保定，071003）

傳統(tǒng)的齒輪箱故障診斷是通過在箱體上采集振動響應(yīng)信號進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)的，而振動響應(yīng)信號是箱體內(nèi)部各零部件對箱體的激勵信號通過不同的傳遞路徑疊加而成的復(fù)合振動信號。由于傳遞路徑的影響，使得振動響應(yīng)信號的變化不能如實(shí)地反映激勵信號的變化，進(jìn)而影響最終的診斷效果。本文提出基于頻響修正的齒輪箱故障診斷方法，通過對振動響應(yīng)信號進(jìn)行頻響修正以消除傳遞路徑的影響，不僅提高了診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，而且顯著提升了對早期故障的診斷能力。

頻響修正；齒輪箱；故障診斷

引言

齒輪箱故障診斷的傳統(tǒng)方法是響應(yīng)分析法，通過響應(yīng)分析法判斷齒輪箱內(nèi)激勵信號的工作狀態(tài)［1］。由于振動響應(yīng)信號是激勵信號和其它各種信號通過傳遞路徑疊加的結(jié)果，在某些情況下響應(yīng)分析法的效果不理想，不能夠準(zhǔn)確反映最能夠表征齒輪箱內(nèi)部運(yùn)行情況下激勵信號的變化［2］。

因此本文在分析傳遞路徑對振動響應(yīng)信號影響的基礎(chǔ)上，研究了基于頻響修正法的齒輪箱故障診斷方法，并通過試驗(yàn)證明該方法可以在很大程度上消除傳遞路徑對振動響應(yīng)信號的影響，通過對得到近似激勵信號的頻響修正信號進(jìn)行特征提取和故障模式識別，不僅能夠提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，而且能夠大大提高對早期故障的診斷能力［3］。

1　基于響應(yīng)分析的齒輪箱故障診斷方法

齒輪箱箱體的振動信號中蘊(yùn)含了箱體內(nèi)部有關(guān)部件運(yùn)行狀態(tài)的豐富信息，是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征的主要載體之一。當(dāng)箱體內(nèi)部的設(shè)備發(fā)生異常或故障時，箱體振動響應(yīng)信號的頻率組成和振幅等都會發(fā)生相應(yīng)的變化。

基于響應(yīng)分析的齒輪箱故障診斷方法是通過對齒輪箱箱體振動信號的頻率、振幅等參數(shù)進(jìn)行分析，從中提取出有效的故障特征參量，借助運(yùn)用模式識別算法［4］，最終對齒輪箱的故障部位和故障類型做出分析、診斷和定位。

2　響應(yīng)分析法的不足

當(dāng)齒輪箱箱體發(fā)生異常振動時，測量某一點(diǎn)的振動信號，該振動信號由齒輪箱內(nèi)部有關(guān)部件的振動通過不同的傳遞路徑傳來且疊加形成的。由于各個部件到同一測點(diǎn)之間的傳遞路徑不同，在該測點(diǎn)測量得到的振動信號所能反映的各個部件的工作狀況的程度也不同，這是由齒輪箱箱體的傳遞特性決定的。

當(dāng)采用多個傳感器測量時，同一部件到各個傳感器的傳遞路徑也不同；通過各個傳感器測量得到的振動信號所能反映的同一部件的工作狀況的程度也不同，這也是由齒輪箱箱體的傳遞特性決定的。

在齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，各軸系在軸承座處對箱體施加的激勵，標(biāo)記為｛F（ω）｝；在箱體上測得的振動響應(yīng)信號，標(biāo)記為｛X（ω）｝。二者之間的關(guān)系可以表示為｛X（ω）｝=［H（ω）］·｛F（ω）｝。其中，［H（ω）］為箱體的頻響函數(shù)矩陣。

齒輪箱工作狀態(tài)的變化直接反映在｛F（ω）｝的變化上，傳遞通道的影響表現(xiàn)為頻響函數(shù)矩陣［H（ω）］。H（ω）結(jié)果是給F（ω）在各個頻率點(diǎn)加上一個放大因子，在有的頻率段信號被放大，在有的頻率段被衰減，這樣就造成箱體的振動響應(yīng)X（ω）不能很好地反映齒輪箱的工作狀態(tài)［5］。

3　基于頻響修正的齒輪箱故障診斷方法

由上面的分析可以得出結(jié)論：影響振動響應(yīng)分析法診斷精度的主要原因是沒有考慮齒輪箱箱體傳遞路徑對振動信號的影響。因此，如果充分考慮齒輪箱箱體的傳遞路徑對振動信號的影響，必然可以提高齒輪箱故障診斷的精度。而傳遞路徑對振動信號的影響，直接體現(xiàn)在箱體的頻響特性上，也就是說，只有箱體的傳遞特性才能夠科學(xué)地表征傳遞路徑對振動信號的影響。鑒于此，本文提出基于頻響修正的齒輪箱故障診斷方法。

3.1基本原理

基于頻響修正的齒輪箱故障診斷法的基本原理是：利用測量得到的齒輪箱箱體的頻響特性，對由各個測點(diǎn)測量得到的振動信號進(jìn)行修正，以消除傳遞路徑對振動響應(yīng)信號的影響，得到更能夠反映齒輪箱工作狀況的激勵信號｛F（ω）｝的近似信號—頻響修正信號。在此基礎(chǔ)上，再采用傳統(tǒng)振動分析法中的特征提取技術(shù)和模式識別算法，得到最終的診斷結(jié)論。

在已知振動響應(yīng)信號｛X（ω）｝和箱體的頻響函數(shù)矩陣［H（ω）］時，就可以得到各個軸承座處的激勵信號｛（ω）｝=［H（ω）］-1·｛X'（ω）｝。信號｛F（ω）｝直接表述了各軸系對箱體的激勵，其中不存在傳遞路徑的影響，因而能夠更好地反映齒輪箱的工作狀態(tài)。

3.2實(shí)例

單級傳動的齒輪箱輸入軸齒輪齒數(shù)為28，輸出軸齒輪齒數(shù)為36，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1473r/min，輸入軸回轉(zhuǎn)頻率為24.55Hz，輸出軸回轉(zhuǎn)頻率為19.11Hz，齒輪嚙合頻率為688Hz。在從動軸齒輪齒根處加工寬0.1mm、深3mm的小槽以模擬齒根裂紋。正常工況下和從動軸齒根裂紋工況下單級齒輪箱箱體上某一點(diǎn)測得的振動響應(yīng)信號及其頻響修正信號的功率譜分別如圖1中a、c及b、d所示。

圖1　基于頻響修正齒輪箱故障診斷效果圖

由圖1可以看出，由于傳遞路徑的影響，振動響應(yīng)信號的功率譜所反映的齒輪箱狀態(tài)信息很不明顯。而頻響修正信號的功率譜則能夠較好地反映齒輪箱的實(shí)際工況：正常工況時，嚙合頻率處（688Hz）幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它頻率，而且無明顯的幅值調(diào)制現(xiàn)象；當(dāng)齒根存在裂紋時，嚙合頻率的倍頻幅值明顯增大，且調(diào)制現(xiàn)象有所增強(qiáng)。

4　結(jié)論

本文提出的頻響修正法，可以在很大程度上消除傳遞路徑對振動響應(yīng)信號的影響，得到近似激勵信號的頻響修正信號。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在頻響修正信號的基礎(chǔ)上進(jìn)行特征提取和故障模式識別，能夠有效提高齒輪箱故障診斷的精度。

國家自然科學(xué)基金（51306058， 71102174）；河北省科技支撐計劃重點(diǎn)項(xiàng)目（15212204D）。

［1］Stewart， R.M.Some Useful Analysis Techniques for Gearbox Diagnostics， Machinery Health Monitoring Group， Institute of Sound and Vibration research， University of Southhampton， July 1977.

［2］欒軍英.基于激勵分析的齒輪箱故障診斷研究. ［D］.石家莊.軍械工程學(xué)院，1999.

［3］張志斌.基于頻響修正的齒輪箱故障診斷研究. ［D］.石家莊.軍械工程學(xué)院，2004.

［4］S.Edwards， A.W.Lees， and M.I.Friswell. Fault Diagnosis of Rotating Machinery［J］. The Shock and Vibration Digest，Vol.30，No.1.Janurary，1998，4-13.

［5］王建軍，李潤方.齒輪系統(tǒng)動力學(xué)的理論體系［M］.中國機(jī)械工程，1998，9（12）:55-59.

張志斌（1969），男，博士，高級工程師。研究方向：航空維修工程。

王菁（1971-），女，高級工程師，碩士。研究方向：計算機(jī)應(yīng)用。

高韜（1981-），男，正高級工程師，博士后。研究方向：新能源汽車。

Study on Fault Diagnosis of Gearbox Based on FRF-Modified Method

Zhibin Zhang1， Jing Wang2，Tao Gao3
（1. 93469 division Air force， Shijiazhuang， Hebei， 050070， China；
2. Information Center， Reform Commission， shijiazhuang， Hebei， 050011， China；
3. Department of Automation， North China Electric Power University， Baoding， Hebei， 071003， China）

Traditional fault disgnosis of gearbox is based on the analysis of vibration signals collected from the gearbox. Vibration signals can not fully reflect the features of the excitation signals for the cause of the effects added by the passages. This can sometimes affects the accuracy of the result of the traditional fault diagnosis method.A FRF-modified method has been developed in this paper to elliminate the bad effects added on the excitation signals by the passages and to improve the the accuracy of the fault diagnosis of gearbox. Experiments show that the proposed method can improve the accuracy of the fault diagnosis even in early stage.

FRF-modified； Fault Diagnosis； Gearbox

TN911.72

A

2095-8412 （2016） 03-315-03