基于振動信號分析的變速器滾動軸承損傷過程監(jiān)測研究

張瑞亮 劉亞瓊 王鐵 顏天曉

（1.太原理工大學(xué)，齒輪研究所，太原 030024；2.廣東威靈電機(jī)制造有限公司，佛山 528311；3.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545000）

基于振動信號分析的變速器滾動軸承損傷過程監(jiān)測研究

張瑞亮1劉亞瓊2王鐵1顏天曉3

（1.太原理工大學(xué)，齒輪研究所，太原 030024；2.廣東威靈電機(jī)制造有限公司，佛山 528311；3.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545000）

對三軸式5擋變速器進(jìn)行等幅疲勞試驗，采用均方幅值和全頻帶包絡(luò)法對變速器疲勞壽命周期內(nèi)的振動信號進(jìn)行了分析，對變速器及軸承的損傷過程進(jìn)行了監(jiān)測，并對軸承的失效原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在高速擋工況下，均方幅值可以作為軸承損傷過程監(jiān)測的宏觀指標(biāo)；全頻帶包絡(luò)分析方法可以有效監(jiān)測軸承損傷過程；兩者結(jié)合可以更好實現(xiàn)變速器滾動軸承損傷過程的在線監(jiān)測。

1 前言

變速器的可靠性直接影響汽車傳動系統(tǒng)的性能。滾動軸承是變速器最主要的失效部件之一，其失效比例占變速器失效的50%[1]。另外，軸承損傷還會引起其它部件的二次損傷，甚至整個設(shè)備的損傷和失效。因此，國內(nèi)外工程技術(shù)領(lǐng)域一直非常關(guān)注滾動軸承損傷過程的監(jiān)測和診斷[2]。

振動分析方法作為軸承狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的主要方法之一，具有測試方便、數(shù)據(jù)處理分析理論相對完整等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。在軸承振動信號的處理分析方面，研究人員已經(jīng)提出了許多振動信號處理方法和相關(guān)指標(biāo)來進(jìn)行軸承損傷過程監(jiān)測，比如譜峭度分析[3]、基于頻帶熵的帶通濾波包絡(luò)分析[4]、階次跟蹤及其組合方法[5～7]、雙譜及調(diào)制雙譜分析[8～9]等。盡管這些研究工作取得了一些成果，但仍然存在計算分析過程復(fù)雜、軸承復(fù)合故障及軸承損傷過程研究較少、人為設(shè)置軸承故障等問題，因此在實際變速器軸承損傷過程監(jiān)測中應(yīng)用效果欠佳。

均方根值（Root Mean Square,RMS）作為有量綱的統(tǒng)計特征值，能較好地體現(xiàn)變速器振動信號的動態(tài)信息，但僅能反映變速器整體的疲勞損傷信息。為進(jìn)一步提取并分析變速器軸承損傷信息，可以采用包絡(luò)分析提取滾動軸承故障特征。包絡(luò)分析是提取滾動軸承故障最有效的方法之一。全頻帶包絡(luò)分析具有簡單方便、運算量小等特點，容易實現(xiàn)在線監(jiān)測。當(dāng)軸承損傷到一定程度時，通過全頻帶包絡(luò)可以診斷出軸承故障頻率，從而實現(xiàn)軸承損傷過程監(jiān)測。為了更準(zhǔn)確監(jiān)測實際變速器軸承損傷過程，本文在三軸式5擋變速器等幅疲勞試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合RMS和全頻帶包絡(luò)方法對變速器軸承的損傷過程進(jìn)行監(jiān)測分析。

2 基于振動分析的滾動軸承監(jiān)測理論基礎(chǔ)

2.1 滾動軸承故障特征

滾動軸承一般由外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架4部分構(gòu)成。當(dāng)這些軸承元件出現(xiàn)局部缺陷時，會引起具有特定故障頻率的振動峰值，從而可以根據(jù)該頻率峰值的出現(xiàn)和變化對軸承損傷狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。軸承外圈、內(nèi)圈、滾動體、保持架的故障特征頻率的計算公式分別為[10]：

式中，n1為軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速；n2為軸承外圈轉(zhuǎn)速；z為滾動體個數(shù)；d為滾動體直徑；D為軸承節(jié)徑；α為軸承接觸角。

實際上，軸承工作時總是有輕微滑動，尤其是當(dāng)軸承工作在動態(tài)載荷和存在嚴(yán)重磨損的情況下。因此，實際故障頻率可能會與計算值存在細(xì)微差別。

2.2 RMS分析

在工程應(yīng)用中，RMS是最常采用的時域統(tǒng)計指標(biāo)之一。對于總體樣本點為N的離散時域信號x(n)，其RMS為：

由于RMS是對樣本總體N的平均,因此能較好地反映振動信號的總體動態(tài)信息，常用來判斷機(jī)械設(shè)備的整體運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

2.3 包絡(luò)分析

包絡(luò)分析是最有效的滾動軸承故障特征提取方法之一，其中希爾伯特（Hilbert）包絡(luò)是最常用的包絡(luò)分析方法，其具有數(shù)據(jù)處理過程簡單方便、運算量小的特點，因此在軸承損傷故障診斷中得到廣泛使用。其是時域信號絕對值的包絡(luò)，可以從信號中提取調(diào)制信號，進(jìn)行分析調(diào)制信號的變化[2]。

假設(shè)y（t）是一個連續(xù)的時間信號，其Hilbert變換可以定義為：

式中，τ是積分變量。

y（t）與其Hilbert變換可以構(gòu)成解析信號

式中，i表示復(fù)數(shù)的虛部。

則信號y()t的Hilbert包絡(luò)可以定義為：

對其進(jìn)行傅里葉變換分析就可以得到包絡(luò)譜，通過觀察包絡(luò)譜圖中軸承故障特征頻率峰值的出現(xiàn)和變化，就可以確定軸承故障類型及監(jiān)測其損傷過程。

3 試驗方法

對三軸式5擋變速器臺架等幅疲勞試驗[11]測得的振動信號進(jìn)行分析，來監(jiān)測軸承損傷過程。變速器結(jié)構(gòu)及傳感器安裝位置如圖1所示，其中10#、11#和12#加速度傳感器分別監(jiān)測變速器箱體軸向、豎直方向和水平方向的振動。各軸承型號及參數(shù)見表1，其中軸承2內(nèi)、外圈均旋轉(zhuǎn)且沒有保持架。試驗采用排擋循環(huán)法進(jìn)行，試驗各循環(huán)工況為輸入扭矩350 N·m，轉(zhuǎn)速1500 r/min；一個循環(huán)工況由低速擋開始，逐次向高速擋轉(zhuǎn)換，以最高擋結(jié)束（其中4擋為直接擋，不進(jìn)行循環(huán)試驗）；若10個循環(huán)變速器未失效，則進(jìn)行倒擋試驗，變速器各擋傳動比及循環(huán)工況中各擋試驗及倒擋試驗時間見表2。在試驗過程中，對振動信號進(jìn)行連續(xù)采集，采樣間隔為10 min。應(yīng)用采樣分辨率為16位的16通道高速數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)保存在電腦中以便后續(xù)分析。為了獲得較好的故障頻率辨識度，數(shù)據(jù)采樣頻率為24 kHz，每次采樣的數(shù)據(jù)長度為60 s。

試驗進(jìn)行到第6循環(huán)1擋剛開始時，變速器出現(xiàn)異響，停機(jī)拆箱檢查發(fā)現(xiàn)軸承2的滾動體、內(nèi)圈及外圈均出現(xiàn)了損傷（見圖2），屬于復(fù)合故障。可知，軸承2的內(nèi)圈、外圈和滾動體均出現(xiàn)一端損傷的現(xiàn)象，表明軸承2在運轉(zhuǎn)過程中存在一定程度的偏載，從而導(dǎo)致軸承2較早出現(xiàn)損傷。這是因為三軸式變速器是將輸出軸的輸入端插入到變速器輸入軸的常嚙合齒輪端部的孔內(nèi)，通過軸承2支撐實現(xiàn)輸出軸的連接。這種結(jié)構(gòu)型式容易使得輸入軸的輸出端和輸出軸的輸入端處于“類懸臂”狀態(tài)。此外，三軸式變速器輸入軸和輸出軸中心線的理想安裝狀態(tài)是同軸，但除直接擋外，兩軸的轉(zhuǎn)速不同，雖然輸入軸和輸出軸上齒輪的軸向力方向均向外，在一定程度上能夠緩解由于“類懸臂”導(dǎo)致的軸不對中狀態(tài)，但是受齒輪端面力的作用、不同擋位不同工況以及裝配時設(shè)定的軸承游隙調(diào)整等影響，這種“類懸臂”狀態(tài)不易控制，而軸承2正好處在這個位置，且內(nèi)圈和外圈均旋轉(zhuǎn)，工況相對惡劣，較容易出現(xiàn)偏載而產(chǎn)生不均勻損傷故障。

圖1 變速器及傳感器安裝位置

表1 軸承型號及參數(shù)

表2 變速器各擋傳動比及循環(huán)工況試驗時間

4 滾動軸承損傷過程監(jiān)測分析

為了驗證所提出的變速器滾動軸承損傷過程監(jiān)測方法的正確性，分別對采集的變速器前5個循環(huán)振動信號進(jìn)行RMS和包絡(luò)分析。

齒輪的振動信號反映了齒輪系統(tǒng)的運行狀態(tài)。常用的振動分析方法[7]有時域分析、頻譜分析、時頻分析。時域分析直接對信號時域波形進(jìn)行分析，主要的特征參數(shù)為有效值、峰峰值、峰值因子和峭度等；頻譜分析是將時域信號轉(zhuǎn)換到頻率域中進(jìn)行分析；時頻分析是同時將信號表征在時域和頻域上。文中主要對信號進(jìn)行時域和頻域分析，在時域中評價齒輪系統(tǒng)振動特性的參數(shù)主要有最大值、最小值、均方根值、峭度；在頻域中，主要對其幅值進(jìn)行比較。

圖2 軸承2失效圖

4.1 RMS分析

為了減小數(shù)據(jù)處理量，縮短計算時間，同時能較好反映整體振動變化趨勢，在各擋位每個循環(huán)內(nèi)均勻取10個采樣點，并將這10個采樣點的RMS均值作為各循環(huán)的RMS值，得到各擋位的RMS分析結(jié)果，如圖3所示。可知，隨著變速器工作循環(huán)次數(shù)的增加，由于其零部件會發(fā)生磨損或損傷，因此各擋位的RMS值總體趨勢逐漸增大。具體表現(xiàn)為：1擋第3循環(huán)運轉(zhuǎn)過程中RMS值緩慢增大后又減小，可能是由于在第3循環(huán)中某部件發(fā)生損傷導(dǎo)致；2擋第4循環(huán)中RMS值快速增大，其原因是與變速器輸入端花鍵相連的花鍵套發(fā)生斷裂，更換花鍵套后，花鍵磨合等原因?qū)е拢?擋前4個循環(huán)中RMS值緩慢增大，到第5循環(huán)時其值快速增大，可能是由于出現(xiàn)了新的故障導(dǎo)致；變速器5擋前4個循環(huán)中RMS值增大速率較快且相對平穩(wěn)，同樣在第5循環(huán)RMS值快速增大，這也可能是由于出現(xiàn)新的故障導(dǎo)致。

此外，變速器內(nèi)部各零部件的振動信號都會通過軸、軸承等部件構(gòu)成的傳動路徑最后傳遞到軸承座。從故障診斷角度考慮，10#傳感器位于變速器輸出軸軸承蓋附近，其對變速器損傷及故障信號反映更加敏感，而且只對1個傳感器的振動信號進(jìn)行分析，將會顯著減小計算工作量從而有利于實現(xiàn)在線監(jiān)測，因此以基于10#傳感器采集的振動信號來分析變速器軸承2的疲勞損傷過程。從圖3可以看出，由10#傳感器采集的振動信號的RMS均值隨著變速器損傷程度的加劇，其中1擋、2擋和3擋的RMS均值增加量較小，其第5循環(huán)比第1循環(huán)的最大增加量為4.071 mm/s2；5擋的RMS均值變化較為顯著，變化趨勢清晰，其第5循環(huán)比第1循環(huán)的最大增加量為11.55 mm/s2，這可能是由于處于5擋時輸出軸轉(zhuǎn)速較高，工況相對惡劣，此時故障沖擊產(chǎn)生的能量相對較大，故障特征明顯且對損傷的變化較為敏感，因此變速器處于第5擋時更有利于狀態(tài)監(jiān)測。

圖3 各擋前5個循環(huán)內(nèi)各測點的RMS均值

由上述分析可知，變速器作為一個復(fù)雜的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，使用振動信號的RMS值作為其整體運轉(zhuǎn)狀況的指標(biāo)，在一定程度上能反映變速器的損傷情況，對變速器整體損傷狀態(tài)監(jiān)測具有一定的參考價值，但是要實現(xiàn)變速器滾動軸承等具體零部件損傷過程的精確監(jiān)測，還需要對振動信號進(jìn)行更為細(xì)致的分析。

4.2 包絡(luò)分析

由變速器試驗工況和滾動軸承參數(shù)求得滾動軸承2在變速器第5擋時的外圈故障特征頻率fo為44.99 Hz，內(nèi)圈故障特征頻率fi為64.98 Hz，滾動體故障特征頻率fr為17.20 Hz。

對10#傳感器采集的振動信號每個循環(huán)中的一個采樣點進(jìn)行全頻帶包絡(luò)分析，得其各循環(huán)全頻帶包絡(luò)譜。分析頻率為200 Hz（大于前3階特征頻率）范圍內(nèi)的包絡(luò)譜，發(fā)現(xiàn)包絡(luò)譜中僅有1階故障頻率，更高階頻率未能包絡(luò)出來，可能是由于軸承2內(nèi)圈與外圈均旋轉(zhuǎn)的特定工況導(dǎo)致，也可能是損傷初期點蝕或剝落坑較小，高階諧波會被噪聲淹沒而觀察不到，而當(dāng)損傷加劇后，點蝕或剝落坑又較寬且淺，導(dǎo)致不會產(chǎn)生高階諧波等原因所致。因此只對其1階故障頻率進(jìn)行分析，包絡(luò)譜分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著試驗的進(jìn)行，軸承2滾動體和內(nèi)圈故障頻率幅值從第1循環(huán)到第4循環(huán)逐漸增大，表明軸承的損傷越來越嚴(yán)重，第5循環(huán)略微下降，是由此時外圈也出現(xiàn)故障導(dǎo)致；軸承2各元件損傷過程為第1循環(huán)滾動體出現(xiàn)損傷，第2循環(huán)內(nèi)圈出現(xiàn)損傷，第5循環(huán)外圈也出現(xiàn)損傷。這與振動信號RMS值的變化趨勢基本一致，也驗證了RMS值對變速器軸承故障具有一定的敏感性，且當(dāng)變速器處于5擋時對軸承損傷的變化更敏感，所以盡量在變速器處于高速擋時對其進(jìn)行分析。

此外，還應(yīng)用濾波信號包絡(luò)分析等方法對軸承2的損傷過程進(jìn)行分析，得出了類似結(jié)果。但是，由于濾波信號包絡(luò)分析方法存在最佳中心頻率和最佳邊帶等濾波參數(shù)不易確定等缺點，對于變速器這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、損傷形式多樣、擋位工況變化較多的機(jī)械傳動系統(tǒng)，其濾波參數(shù)的選取將更為復(fù)雜，這給濾波信號包絡(luò)分析也帶來了諸多困難。因此，對于變速器滾動軸承損傷過程監(jiān)測來說，全頻帶包絡(luò)分析方法可以說是一種效率和精度都比較好的方法。

圖4 5擋各循環(huán)包絡(luò)譜

5 結(jié)束語

本文采用RMS和包絡(luò)分析方法對變速器及其滾動軸承損傷過程及原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明RMS值對軸承損傷較為敏感，對于變速器這種較為復(fù)雜的齒輪傳動系統(tǒng)，RMS值可以作為其軸承運轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測的宏觀監(jiān)測指標(biāo)之一，當(dāng)RMS出現(xiàn)明顯增大時，表明軸承可能出現(xiàn)一定程度的損傷；結(jié)合全頻帶包絡(luò)分析方法可以獲得更為明確的滾動軸承各組成元件的損傷過程，實現(xiàn)軸承損傷過程精確監(jiān)測。由于高速擋狀態(tài)下軸承損傷造成的沖擊能量較大，更有利于故障特征的提取，所以可以盡可能選擇變速器高速擋工況下對軸承損傷過程進(jìn)行分析。

1 劉亞瓊.商用車變速器臺架等幅疲勞試驗軸承損傷過程分析：[學(xué)位論文].太原：太原理工大學(xué)，2015.

2 顏天曉，張瑞亮，王鐵，等.基于EEMD和Hilbert包絡(luò)分析的軸承復(fù)合故障診斷研究.機(jī)械傳動，2016(6)：132～135.

3 Eftekharnejad B，Carrasco M R，Charnley B，et al.The ap?plication of spectral kurtosis on Acoustic Emission and Vi?brations from a defective bearing.Mechanical Systems and Signal Processing，2011，25：266～284.

4 王小玲，陳進(jìn)，從飛云.基于時頻的頻帶熵方法在滾動軸承故障識別中的應(yīng)用.振動與沖擊，2012，18：29～33.

5 程利軍，張英堂，李志寧，等.基于階比跟蹤及共振解調(diào)的連桿軸承故障診斷研究.內(nèi)燃機(jī)工程，2012(5)：67～73.

6 徐亞軍,于德介,劉堅.基于線調(diào)頻小波路徑追蹤階比循環(huán)平穩(wěn)解調(diào)的滾動軸承故障診斷.航空動力學(xué)報,2013(11):2600～2608.

7 Borghesani P，Ricci R，Chatterton S，et al.A new proce?dure for using envelope analysis for rolling element bearing diagnostics in variable operating conditions.Mechanical Systems and Signal Processing，2013(38)：23～25.

8 周宇，陳進(jìn)，董廣明，等.基于循環(huán)雙譜二次切片分析的滾動軸承故障診斷研究.振動與沖擊，2012，18：24～28.

9 Ibrahim R，Tian X，Gu F，et al.The fault detection and severity diagnosis of rolling element bearings using modula?tion signal bispectrum.Eleventh International Conference on Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologies，Manchester，2014.

10 羅紅梅，齊明俠，裴峻峰，等.滾動軸承故障診斷中精確轉(zhuǎn)頻的實用計算新方法.振動與沖擊，2007(5)：64～66,154.

11 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.QC/T 568-2011汽車機(jī)械式變速器臺架試驗方法.北京：中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2011.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年5月26日。

The Failure Process Monitoring of Transmission Rolling Bearings Based on Vibration Signal Analysis

Zhang Ruiliang1,Liu Yaqiong2,Wang Tie1,Yan Tianxiao3
（1.Gear Research Institute of Taiyuan University of Technology,Taiyuan,030024;2.Guangdong Welling Motor Manufacturing Co.,Ltd,Foshan,528311;3.SAIC-GM-Wuling Motors Co.,Ltd,Liuzhou,545000）

In this research,constant amplitude fatigue test of 5-speed transmission with 3-shaft was conducted,Root Mean Square(RMS)and Full Band Signal Envelope(FBSE)methods were used to analyze the vibration signals within the fatigue lifecycle of transmission,to monitor the failure process of transmission and bearings,and analyze the cause of bearing failure.The results show that,at high speed operations,the RMS values of vibration signals can be used as a macro indicator of bearing failure process monitoring,and the failure process of bearing can be monitored by FBSE method.It is better to implement the on-line monitoring of transmission rolling bearing failure process by the combination of RMS and FBSE.

Transmission,Bearingfailure,Vibration signal,On-linemonitoring

變速器 軸承損傷 振動信號 在線監(jiān)測

U463.212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）10-0029-05

精密齒輪傳動設(shè)計和高擋齒輪制造技術(shù)（2014BAF08B01）。