倒頻譜分析法在新能源減速器異響診斷中的應(yīng)用

邢明星 高海龍 吳海東

摘 要：在研究了齒輪系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲機(jī)理的基礎(chǔ)上建立了以倒頻譜分析法為核心的齒輪故障診斷數(shù)學(xué)模型，依據(jù)該模型，利用LMS Test. Lab函數(shù)運(yùn)算、頻譜曲線繪圖功能對(duì)某新能源減速器測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行倒頻譜分析，并準(zhǔn)確找到故障源;結(jié)果表明，倒頻譜分析法能夠簡(jiǎn)化復(fù)雜振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征，分離、提取密集邊頻信號(hào)中的周期成份，精確定位故障源，對(duì)工程應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)噪聲機(jī)理;倒頻譜分析法;邊頻信號(hào);周期成份

1 引言

在變速傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的異響中，齒輪的局部故障占有很大的比例，而此時(shí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)中包含了豐富的故障特征信息，不同的齒輪故障具有的振動(dòng)信號(hào)特征不同。目前故障的診斷方法有很多，常見的方法有：時(shí)域分析法、頻域分析法、時(shí)間序列分析法和倒頻譜分析法等，各種振動(dòng)信號(hào)分析方法在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中都取得了成功的應(yīng)用[1，2]。

齒輪嚙合傳動(dòng)過程中，其振動(dòng)和噪聲可以迅速、全面、真實(shí)地反映齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)故障的性質(zhì)和范圍，而要準(zhǔn)確診斷出故障所在，振動(dòng)信號(hào)特征的提取和分析成為關(guān)鍵[3]。由于齒輪傳動(dòng)過程中齒輪軸的轉(zhuǎn)頻調(diào)制齒輪的嚙合頻率，從而導(dǎo)致齒輪振動(dòng)信號(hào)的頻譜曲線圖中會(huì)出現(xiàn)在齒輪嚙合頻率周圍產(chǎn)生一系列邊頻譜帶;當(dāng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)會(huì)保持不變;而當(dāng)齒輪出現(xiàn)故障時(shí)，邊頻帶的數(shù)量和幅值會(huì)發(fā)生變化;這些邊頻帶交叉在一起很難進(jìn)行分辨，只應(yīng)用普通的頻譜分析法已不能夠準(zhǔn)確的判斷出故障，利用倒頻譜法能夠有效地分析復(fù)雜邊頻的周期成分[3，4，5]。本文采用倒頻譜分析法對(duì)某新能源減速器齒輪振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行兩次傅里葉積分變換，將原功率譜上成族的邊頻線簡(jiǎn)化為單根譜線，使信號(hào)的能量更加集中[6]，進(jìn)而準(zhǔn)確定位故障源，為提升整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的使用品質(zhì)提供了保障。

2 減速器齒輪嚙合振動(dòng)調(diào)制分析

由前文可知，若該輸入信號(hào)存在問題，則輸出信號(hào)會(huì)存在邊頻現(xiàn)象，根據(jù)式（1）-式（6），利用倒頻譜法可以將復(fù)雜的的頻譜卷積計(jì)算變成簡(jiǎn)單的迭加計(jì)算，進(jìn)而對(duì)導(dǎo)致產(chǎn)生邊頻的問題信號(hào)進(jìn)行分離提取，識(shí)別頻譜周期性，精確測(cè)算頻率間隔，找到問題真因。

4 工程應(yīng)用及分析

本文利用倒頻譜分析發(fā)對(duì)某型號(hào)新能源減速器在行車過程中出現(xiàn)的“噠噠”敲擊異響昂進(jìn)行故障分析，測(cè)試方案如表1所示。測(cè)試設(shè)備為L(zhǎng)MS振動(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由LMS SCADAS數(shù)采前段、16通道電壓/ICP/TEDS/BRIDGE輸入模塊、轉(zhuǎn)接線、BNC線、ICP傳感器組成，測(cè)試完成后利用LMS Test.Lab軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖3（a）為測(cè)試的時(shí)域信號(hào)，信號(hào)平穩(wěn)無異常。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化，如圖3（b）所示，1050Hz處有明顯峰值，同時(shí)主峰值周圍的邊頻信號(hào)幅值增大，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速為1000rpm時(shí)，輸入軸齒輪的嚙合3倍頻f1=（1000/60）*63=1050Hz，依據(jù)該計(jì)算結(jié)果和邊頻的存在可斷定異響來自于減速器內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)件，但無法明確具體故障源。利用倒頻譜法處理分析，如圖3（c）所示，在T=0.06s， 0.12s，0.18s，0.24s處依次出現(xiàn)峰值，相鄰兩峰值的頻率差△f=1/△T=1/0.06=16.6 Hz，而輸入軸軸轉(zhuǎn)頻f2=1000/60=16.6Hz，由此可見，減速器振動(dòng)數(shù)據(jù)中的邊頻帶主要由輸入軸轉(zhuǎn)頻調(diào)制形成，故異響產(chǎn)生的根源來自輸入軸齒輪，產(chǎn)生該故障的原因可能包括：①載荷異常波動(dòng)，導(dǎo)致齒面剝落，產(chǎn)生敲擊;②齒面磕碰產(chǎn)生敲擊;③齒輪加工精度差產(chǎn)生大的誤差（經(jīng)分析裝箱數(shù)據(jù)，可排除）;拆箱后，查看發(fā)現(xiàn)輸入軸齒輪齒面存在磕碰現(xiàn)象，如圖3（d）所示，與測(cè)試分析結(jié)果一致，達(dá)到預(yù)期目的。

5 總結(jié)

（1）研究了齒輪系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲機(jī)理，明確出定位故障源的根本在于如何分離、提取并分析振動(dòng)信號(hào)中的邊頻成份，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建齒輪故障診斷倒頻譜分析數(shù)學(xué)模型;

（2）對(duì)某型號(hào)新能源減速器異響問題進(jìn)行真因排查，通過簡(jiǎn)化復(fù)雜振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征，分離、提取密集邊頻信號(hào)中的周期成份，并經(jīng)分析計(jì)算，精確定位故障源，進(jìn)一步驗(yàn)證了倒頻譜分析法的有效性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供重要經(jīng)驗(yàn)。

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