基于振動(dòng)分析的旋翼試驗(yàn)臺(tái)變速箱故障診斷

劉正江，陳 煥，李新民，黃建萍

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

基于振動(dòng)分析的旋翼試驗(yàn)臺(tái)變速箱故障診斷

劉正江，陳 煥，李新民，黃建萍

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

變速箱作為旋翼試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且設(shè)計(jì)要求高，在高速運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲異常等故障現(xiàn)象。介紹了國(guó)內(nèi)外變速箱故障診斷的主要方法，給出旋翼試驗(yàn)臺(tái)變速箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及質(zhì)量不平衡的理論模型，對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程出現(xiàn)的振動(dòng)異常進(jìn)行了頻譜分析和故障定位，結(jié)果表明振動(dòng)異常主要由變速箱輸入軸的質(zhì)量不平衡引起。

振動(dòng)；旋翼；試驗(yàn)臺(tái)；變速箱；故障診斷

0 引言

旋翼試驗(yàn)臺(tái)是進(jìn)行旋翼氣動(dòng)和動(dòng)力學(xué)性能研究的常規(guī)設(shè)施，而綜合考慮試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)布置和動(dòng)力系統(tǒng)的工作效率，電機(jī)輸出一般都要通過(guò)變速箱進(jìn)行減速以匹配到相應(yīng)尺寸旋翼的額定轉(zhuǎn)速。如果試驗(yàn)臺(tái)除具有常規(guī)單旋翼試驗(yàn)功能外還能夠進(jìn)行傾轉(zhuǎn)旋翼試驗(yàn)以及橫、縱列式試驗(yàn)，則變速箱還需要具備換向、同步以及多級(jí)變速的功能，這樣一來(lái)，變速箱的結(jié)構(gòu)就變得相當(dāng)復(fù)雜。

變速箱一般包括了輸入軸、輸出軸、支撐軸承和軸承座以及變速齒輪對(duì)。如果要進(jìn)行換向，則需要增加中間軸以及相應(yīng)的軸承、軸承座和換向齒輪對(duì)。上述部件除軸承座外，都是屬于旋轉(zhuǎn)件，如果設(shè)計(jì)、加工不到位或長(zhǎng)期工作在惡劣環(huán)境下，必然會(huì)出現(xiàn)各種故障。有統(tǒng)計(jì)研究表明，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的故障80%是由變速箱引起的，而變速箱80%的故障來(lái)源于齒輪軸的質(zhì)量不平衡[1]。因此，對(duì)工作狀態(tài)異常的變速箱進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、好壞或故障等級(jí)評(píng)判以及故障定位，是保證試驗(yàn)臺(tái)安全運(yùn)轉(zhuǎn)不可或缺的環(huán)節(jié)。

1 變速箱常見(jiàn)失效形式及故障診斷方法

1.1變速箱常見(jiàn)失效形式

齒輪的失效形式主要有：齒面顆粒磨損、腐蝕磨損以及齒輪端面沖擊磨損，齒面的冷、熱膠合和擦傷，齒面的接觸疲勞造成的麻點(diǎn)疲勞剝落、淺層疲勞剝落和硬化層疲勞剝落，齒輪沿根部的彎曲疲勞斷裂、齒輪局部斷裂和齒輪局部裂紋[2]。

軸和軸系的失效形式主要有：軸有較嚴(yán)重的質(zhì)量不平衡以及由于設(shè)計(jì)、加工及運(yùn)行引起的輕度或重度彎曲，而軸系通過(guò)聯(lián)軸器聯(lián)接時(shí)則可能出現(xiàn)平行(標(biāo)高)不對(duì)中、偏角不對(duì)中。

軸承的失效形式主要有：內(nèi)環(huán)、外環(huán)和滾動(dòng)體的點(diǎn)蝕、剝落、裂紋、磨損、潤(rùn)滑不良以及異物進(jìn)入等[3]。

1.2變速箱常規(guī)故障診斷方法

變速箱的故障診斷方法包括振動(dòng)診斷、噪聲分析、扭振分析、油液分析、聲發(fā)射以及溫度或能耗監(jiān)測(cè)等方法[3]。

扭振分析是利用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)回轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)行分析，不容易受其它振動(dòng)源干擾，但需要在軸系安裝扭矩傳感器，使用和測(cè)試比較復(fù)雜，甚至無(wú)法安裝。

油液分析是建立在摩擦幅材料不同和顆粒大小、數(shù)量和形狀不同的基礎(chǔ)上，通過(guò)鐵譜分析或者光譜分析來(lái)進(jìn)行故障診斷，但油液分析一般周期較長(zhǎng)，且需要專用分析設(shè)備。

另外，可以監(jiān)測(cè)對(duì)比相同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的軸承座溫度以及油壓等來(lái)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，但這種方法對(duì)突發(fā)故障不敏感，同時(shí)也存在傳感器安裝不方便的問(wèn)題。

目前，最通用的故障診斷的方法還是振動(dòng)診斷法，該方法具有可靠性高、操作使用簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，而且隨著現(xiàn)代信號(hào)處理及譜分析技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用，該方法得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2 試驗(yàn)臺(tái)變速箱不平衡機(jī)理分析

變速箱不平衡按發(fā)生的過(guò)程分為原始不平衡、漸發(fā)性不平衡和突發(fā)性不平衡，按機(jī)理可分為靜不平衡、偶不平衡和動(dòng)不平衡。其根源是質(zhì)心和旋轉(zhuǎn)中心不重合，從而產(chǎn)生方向和大小呈周期性變化的交變力，最終引起異常振動(dòng)。

為分析方便，整體上可以把變速箱簡(jiǎn)化為一個(gè)兩端由軸承座支撐的轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受力示意圖見(jiàn)下圖1。

設(shè)：偏心距e，轉(zhuǎn)子質(zhì)量M，軸剛度k，阻尼系數(shù)c，轉(zhuǎn)速n(r/min)，角速度ω=2πn/60，離心力F=Meω2,分解為垂直軸平面的兩個(gè)方向的力為：

兩個(gè)力相差90°，y方向的振動(dòng)方程為：

歸一化后：

其中阻尼系數(shù):

自振角頻率:

其通解：

通解中第一部分為瞬態(tài)解，是衰減的自由振動(dòng)，第二部分是穩(wěn)態(tài)解，對(duì)應(yīng)的是強(qiáng)迫振動(dòng)。

式中，H(ω)為幅頻響應(yīng)函數(shù)，表示振幅Y隨頻率比ω/ωn的變化而變化的放大系數(shù)，ψ(ω)為相頻響應(yīng)函數(shù)。

3 變速箱轉(zhuǎn)子不平衡故障分析

3.1轉(zhuǎn)子特征頻率計(jì)算及振幅等級(jí)設(shè)定

以美國(guó)齒輪制造者協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)426.01-72《高速斜齒輪及人字齒輪裝置橫向振動(dòng)的測(cè)量規(guī)范》[4]，計(jì)算得到不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)狀態(tài)良好、狀態(tài)一般以及故障狀態(tài)的振動(dòng)加速度限制值，具體見(jiàn)表1。

表1 不同轉(zhuǎn)速頻率下齒輪狀態(tài)振動(dòng)限制值

3.2基于三維轉(zhuǎn)速譜掃描的變速箱振動(dòng)分析

三維轉(zhuǎn)速譜掃描可以繪制出升轉(zhuǎn)速和降轉(zhuǎn)速過(guò)程中的變速箱頻譜總體圖，根據(jù)該三位譜圖可以獲得變速箱振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速發(fā)展的特性[5]。

圖2、圖3是安裝在變速箱的航向振動(dòng)加速度隨轉(zhuǎn)速?gòu)?rpm到2400rpm再回到0rpm的三維轉(zhuǎn)速譜瀑布圖，圖中水平軸為頻率，左邊縱軸為振動(dòng)加速度。

從圖2、圖3可以看出，變速箱振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速增加而逐步增大，振動(dòng)幅值主要集中在低頻段。從圖3可以明顯觀察到4條斜上升、斜下降趨勢(shì)線，其中第1條趨勢(shì)線對(duì)應(yīng)為輸出軸的1倍轉(zhuǎn)速頻率的振動(dòng)，第2條趨勢(shì)線對(duì)應(yīng)為輸出軸減速比為1.346倍轉(zhuǎn)速頻率的振動(dòng)，第3條趨勢(shì)線對(duì)應(yīng)為輸入軸減速比為2.21倍轉(zhuǎn)速頻率的振動(dòng)，第4條趨勢(shì)線對(duì)應(yīng)為輸入軸2.9756倍轉(zhuǎn)速頻率的振動(dòng)。4條趨勢(shì)線中第4條趨勢(shì)線振動(dòng)幅值最大，對(duì)應(yīng)為輸入軸的1階轉(zhuǎn)速頻率。根據(jù)這些現(xiàn)象，初步可判斷變速箱主要振動(dòng)源在輸入軸部位。

3.3不同轉(zhuǎn)速變速箱輸入軸振動(dòng)狀態(tài)分析

根據(jù)3.2節(jié)得出的結(jié)論以及3.1節(jié)表1設(shè)定的變速箱狀態(tài)評(píng)判值，獲取20秒鐘轉(zhuǎn)速?gòu)?00rpm至2280rpm，轉(zhuǎn)速間隔120rpm的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析，提取出對(duì)應(yīng)2.975倍轉(zhuǎn)速頻率的振動(dòng)加速度值與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，得出變速箱運(yùn)行狀態(tài)圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，變速箱在轉(zhuǎn)速1800rpm(對(duì)應(yīng)輸入軸基頻89.25Hz)以內(nèi)，變速箱工作狀態(tài)良好，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1920rpm，變速箱進(jìn)入一般工作狀態(tài)，而轉(zhuǎn)速超過(guò)2040rpm，變速箱進(jìn)入故障工作狀態(tài)。

3.4變速箱輸入軸振動(dòng)故障原因分析

相關(guān)研究表明[6]，出現(xiàn)質(zhì)量不平衡，往往反映出來(lái)的就是很大的1階頻率的振動(dòng)，同時(shí)由轉(zhuǎn)軸支撐座兩側(cè)同向振動(dòng)相位相差為0°或180°。從圖4可以看出，輸入軸的振動(dòng)是變速箱的主要振動(dòng)源，其中又以基準(zhǔn)1階頻率的振動(dòng)幅值最大，而高階頻率的振動(dòng)幅值非常小。因此，初步可以確定輸入軸振動(dòng)異常的原因是質(zhì)量不平衡。

為進(jìn)一步確認(rèn)上述結(jié)論，采集了100秒1800rpm轉(zhuǎn)速的變速箱輸入軸下端電機(jī)處和變速箱頂部位置的航向和側(cè)向振動(dòng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行FFT分析提取輸入軸基準(zhǔn)1階頻率對(duì)應(yīng)的相位值，列于表2。

表2 變速箱輸入軸兩端振動(dòng)相位表

從表2可知變速箱輸入軸兩端航向相位差為197.473°，側(cè)向相位差為193.386°，如果考慮傳感器安裝角度誤差的影響，可以近似認(rèn)為兩者相位差180°。從而可進(jìn)一步證明變速箱振動(dòng)異常故障的位置為輸入軸，具體原因?yàn)檩斎胼S質(zhì)量不平衡。

4 變速箱質(zhì)量不平衡調(diào)整結(jié)果

變速箱進(jìn)行了返廠分解檢查，未發(fā)現(xiàn)軸承磨損、軸不對(duì)中及彎曲等故障現(xiàn)象，隨后進(jìn)行了減速箱輸入軸的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡調(diào)整。經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡調(diào)整后，重新進(jìn)行了裝試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)考核，相較未做動(dòng)平衡調(diào)整前的狀態(tài)，具體結(jié)果見(jiàn)圖5，減速箱的振動(dòng)得到了明顯改善。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了旋翼試驗(yàn)臺(tái)變速箱故障診斷方法以及轉(zhuǎn)軸質(zhì)量不平衡的機(jī)理，給出變速箱振動(dòng)異常的三維轉(zhuǎn)速掃描譜的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)變速箱工作狀態(tài)等級(jí)進(jìn)行了評(píng)定，最后給出變速箱故障部位及振動(dòng)異常的主要原因?yàn)樽兯傧漭斎胼S質(zhì)量不平衡，返廠檢查、動(dòng)平衡調(diào)整以及重新裝試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)果也證實(shí)了該結(jié)論。

[1] 丁 康,李巍華,朱曉勇.齒輪及變速箱故障診斷實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 丁玉蘭,石來(lái)德.機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1994.

[3] 楊國(guó)安.滾動(dòng)軸承故障診斷實(shí)用技術(shù)[M].北京:中國(guó)石化出版社,2012.

[4] 徐 敏.黃昭毅.設(shè)備故障診斷手冊(cè)—機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,1998.

[5] 高 飛.振動(dòng)測(cè)量與信號(hào)分析[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,1989.

[6] 王江萍.機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)及應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,1989.

GearboxFailureDiagnoseofRotorTestStandbasedonVibrationAnalysis

LIU Zhengjiang,CHEN Huan,LI Xinmin,HUANG Jiangping

(China National Key Laboratory of Rotorcraft Aeromechanics,China Helicopter Research and Development Institute,Jingdezhen 333001,China)

Gearbox is the key component of rotor test stand transmission system,it’s very complicated with higher design requirements,and it will fail when working on very high speed.Firstly,the present research state of failure diagnose for the gearbox was reviewed.The frameword design and the model of unbalance for the gearbox were also gave out，and then the spectrum analysis for abnormal vibration data during testing and the location for this failure were presented.Finally,it was shown that the main source for out of way vibration of the gearbox was almost from the mass imbalance of the input shaft.

vibration;rotor;test stand;gearbox;failure diagnose

2017-06-05

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃(***0110047)資助

劉正江(1974-)，男，江西上饒人，碩士，高工，主要研究方向：直升機(jī)旋翼試驗(yàn)技術(shù)研究。

1673-1220(2017)03-046-04

V216.8

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