齒輪磨損狀態(tài)的周期平穩(wěn)信號(hào)分析

金大瑋，朱建新，李偉

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齒輪磨損狀態(tài)的周期平穩(wěn)信號(hào)分析

金大瑋1，朱建新2，李偉1

（空軍航空大學(xué) 1. 飛行器與動(dòng)力系，2. 基礎(chǔ)部，吉林 長(zhǎng)春 130022）

對(duì)齒輪常見的失效形式——磨損進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際信號(hào)，將時(shí)域分析、FFT與周期平穩(wěn)信號(hào)分析相比較．仿真結(jié)果表明，周期循環(huán)平穩(wěn)分析方法在提取故障特征方面具有更大的優(yōu)勢(shì)．

齒輪；磨損；周期平穩(wěn)信號(hào)；調(diào)制

1　齒輪磨損的信號(hào)分析方法概述

齒面磨損是開式齒輪主要的失效形式之一，一般是由于潤(rùn)滑油不干凈或載荷過大造成的．當(dāng)不干凈的潤(rùn)滑油或者磨粒進(jìn)入正在運(yùn)轉(zhuǎn)的齒面時(shí)，就有可能使齒面局部表面材料磨損或撕裂，這樣就會(huì)使齒廓發(fā)生顯著改變，加大側(cè)隙．在工程中及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)知或診斷齒面是否磨損是非常重要的．在工程實(shí)際中，經(jīng)常使用信號(hào)處理辦法對(duì)齒輪的磨損情況進(jìn)行預(yù)測(cè)與診斷[1-3]．

在齒輪故障診斷中，常用的信號(hào)處理方法為時(shí)域分析與頻域分析[4]．近些年來，周期循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)的分析方法也逐漸引起了人們的關(guān)注，這是因?yàn)閷?duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的某些零部件（軸承、軸和齒輪等）來說，在它們工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)含有調(diào)制現(xiàn)象，這種調(diào)制現(xiàn)象通常是以調(diào)幅或調(diào)頻的形式表現(xiàn)出來．因此，在進(jìn)行信號(hào)分析時(shí)，除了要兼顧到信號(hào)本身的特點(diǎn)，還要考慮到調(diào)制的現(xiàn)象[5]．在進(jìn)行故障診斷時(shí)，常用的傳統(tǒng)分析方法同周期平穩(wěn)信號(hào)相比，故障特征的提取能力并沒有優(yōu)勢(shì)．同時(shí)，非平穩(wěn)的高階噪聲和平穩(wěn)噪聲都不能影響高階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量與高階譜分析．所以，在進(jìn)行此類分析時(shí)，可以忽略這２類噪聲的影響．這樣看來，周期循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)在齒輪磨損方面的故障診斷具有極大的優(yōu)勢(shì)[6-8]．

2　齒輪箱磨損狀態(tài)的周期平穩(wěn)信號(hào)分析

數(shù)據(jù)分析結(jié)果見圖1．

圖1 齒輪磨損狀態(tài)解調(diào)分析

由圖1a可以看出，齒輪有明顯的沖擊現(xiàn)象．在FFT譜圖中，譜峰在嚙合頻率與它的２倍頻處較為明顯，并且在嚙合頻率處的譜線兩邊存在有非常明顯的邊頻帶，邊頻帶的幅值變化清晰可見；在圖1c的低頻段中有一峰值的對(duì)應(yīng)頻率為12.2 Hz，很明顯，應(yīng)是高速軸的轉(zhuǎn)頻；在圖1d圖中，嚙合頻率處的譜線兩側(cè)也存在起伏變化明顯的邊頻帶．將圖1d與圖1b、圖1c比較后發(fā)現(xiàn)，噪聲對(duì)前者的影響比后兩者要弱得多．根據(jù)譜圖分析可以看出，在載波頻率384.1Hz兩邊所分布的譜線所對(duì)應(yīng)的頻率值分別為372 Hz，373.5 Hz，375.8 Hz，392.2 Hz，396.4 Hz．經(jīng)過計(jì)算可以知道載波頻率附近的頻帶距離為12 Hz與12.2 Hz，這與圖1c解調(diào)出來的頻率是基本相同的．375.8 Hz，392.2 Hz這２個(gè)頻率與載波頻率之間的帶寬為8.1 Hz，這恰好與低速軸轉(zhuǎn)速一致．373.5 Hz與載波頻率之間的帶寬為10.5 Hz，大約是低速軸轉(zhuǎn)頻與高速軸轉(zhuǎn)頻之和的二分之一．這樣看來，調(diào)制作用是由高速軸與低速軸的轉(zhuǎn)頻對(duì)嚙合頻率的影響而產(chǎn)生的．

在對(duì)磨損齒輪的故障信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，周期循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)分析方法與時(shí)域分析和FFT信號(hào)分析相比，對(duì)于提取故障信號(hào)的特點(diǎn)具有更大的優(yōu)勢(shì)．

[1] 張賢達(dá)，保錚．非平穩(wěn)信號(hào)分析與處理[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998

[2] 王宏禹．非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)分析與處理[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999

[3] 陳進(jìn)，姜鳴．高階循環(huán)統(tǒng)計(jì)理論在機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用[J]．振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2001，14（2）：125-132

[4] 黃文虎，夏松波，劉瑞巖，等．設(shè)備故障診斷原理、技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1996

[5] 張雨，徐小林，張建華．設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的理論與實(shí)踐[M]．長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2000

[6] 丁康，李巍華，朱嘵勇．齒輪及齒輪箱故障診斷實(shí)用技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

[7] 高國(guó)華，張永忠．齒輪箱故障診斷技術(shù)的新發(fā)展[J]．機(jī)械傳動(dòng)，2003，60（3）：58-61

[8] 陳進(jìn)，姜鳴．高階循環(huán)統(tǒng)計(jì)理論在機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用[J]．振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2001，14（2）：125-132

Periodic stationary signal analysis on gear′s abrasion

JIN Da-wei1，ZHU Jian-xin2，LI Wei1

（1. Department of Aircraft and Dynamic，2. Department of Basic Course，Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China）

Analyzes abrasion which is the common failure of gear，and compare time-domain analysis，F(xiàn)FT and periodic stationary signal analysis，periodic stationary signal analysis．The simulation results showes that the periodic stationary signal analysis is the best method to abstract fault characteristic．

gear；abrasion；periodic stationary signal；modulation

1007-9831（2016）11-0025-03

O29∶TH17

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.11.007

2016-10-08

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目——周期平穩(wěn)信號(hào)分析在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用

金大瑋（1976-），女，吉林九臺(tái)人，講師，博士，從事故障診斷研究．E-mail：jindawei2002@163.com