階次分析在無級變速箱早期故障診斷中的應用

林旭春 黃孟 王展 黃啟權 張?zhí)觅t

摘 要：文章主要介紹了無級變速箱臺架測試過程中常出現(xiàn)的故障類型、階次分析的基本原理和優(yōu)勢，以及運用德爾塔分析儀對試驗對象的測試過程進行監(jiān)控和預警，實現(xiàn)對故障的早期識別，降低試驗損耗。

關鍵詞：無級變速器 階次分析 故障診斷 德爾塔分析儀

1 引言

無級變速箱作為汽車變速器中的重要一員，擁有著自身特殊的結構特點及性能優(yōu)勢，成本較低、行駛平順性好以及油耗較低，因此受到眾多車企的青睞。齒輪和軸承是變速器中出現(xiàn)故障較多的部件，用于變速箱故障診斷和狀態(tài)檢測的方法有很多，而振動分析法是變速箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的有效方法之一[1]。

對振動信號分析常采用時域和頻域信號處理，頻域分析是對時域信號進行傅里葉變換，其假設條件是振動信號穩(wěn)定，然而旋轉機械的振動信號大多是非平穩(wěn)信號[2]，此時頻域分析方法不能繼續(xù)使用，為此可以采用階次分析方法對振動信號進行有效處理。

2 階次計算

頻域分析法采用等時域采樣，而階次分析法采用的是等角域采樣，即旋轉機械每轉過一個固定角度采樣一次，因此階次分析時頻譜與轉速是同步化的，故生成的階次譜與轉速無關，同時它的邊頻帶相較于頻率分析更加明顯。頻率和階次的關系可表示如下：

實現(xiàn)階次分析的前提是得到等角度采集的振動信號，其方法可歸納為兩類：軟件重采樣和硬件重采樣。本文采用的是德國Reilhofer KG公司德爾塔分析儀系統(tǒng)，數(shù)據采樣使用硬件重采樣，硬件重采樣的過程是在輸入軸上裝上編碼器，編碼器按等角度產生脈沖信號，觸發(fā)采集卡采集數(shù)據[3]，獲取參考軸的轉速信號和加速度傳感器的振動信號。

通過搭建測試產品的內部結構模型如圖1所示，利用系統(tǒng)自帶的RHF階次計算器計算出各部件相應的階次，用于故障分析時的階次參考。

運用RHF階次計算器計算得到的中間軸小齒輪端軸承階次及中間軸小齒輪嚙合階次如下（以輸出端轉速作為同步轉速）：

3 分析儀工作方式

試驗開始前需對德爾塔分析儀進行測試步驟及報警值設置，試驗開始后系統(tǒng)將會進行自學習，通過采集測試物的原始振動特性，然后在大量單次測量的基礎上借助于對每條譜線的統(tǒng)計分析來計算出參考值以及上、下偏差，自學習階段完成后分析儀自動進入監(jiān)控階段。監(jiān)控階段測量到的譜線振幅超過或者低于容差帶，就會形成一個變化譜。為了能夠清晰地演示機械振動特性的變化，所有的變化譜將在累加后形成趨勢指數(shù)，并連續(xù)與預定義的報警限值相比較，一旦超限值就會報警切斷試驗臺運行。

4 試驗分析

對某型號無級變速箱進行負載變速耐久試驗，在試驗進行至57小時后，趨勢指數(shù)譜線超限值，分析儀出現(xiàn)報警，此處只做報警未設置中斷試驗臺的操作，對數(shù)據進行階次分析如下：

由于無級變速器的結構特點，速比可以連續(xù)變化且無固定速比，所以階次計算以及運行監(jiān)控時需要以鋼帶作為分界點，分別基于輸入轉速和輸出轉速進行兩路計算和監(jiān)控。同步輸入轉速時的故障數(shù)據，故障階次不連續(xù)且分布散亂，而同步輸出轉速時的故障階次如上圖，連續(xù)且清晰，由此可以判定故障出現(xiàn)在鋼帶之后的部件，并以同步輸出轉速得到的監(jiān)控數(shù)據進行之后的階次分析。

圖2中34.25、67.25、101、133.75、168.75、201.25階次出現(xiàn)較高峰，且在133.75階次處為最高峰，根據表1可得知以上階次分別為中間軸小齒輪端軸承外圈的1階、2階、3階、4階、5階、6階階次，由此判定該軸承外圈出現(xiàn)故障;通過放大spectrum圖譜觀察可發(fā)現(xiàn)133.75階次存在1.5階次的邊頻，即該軸承保持架的轉動階次，符合此前判斷。同時在報警點之后，382階和417.5階次的振幅跟隨外圈階次振幅的增大也突然增大，計算查表可知382和417.5階次分別是滾動體的32和35階階次，屬于外圈故障引起的滾動體轉動異常。在之后的拆機檢查中發(fā)現(xiàn)：中間軸滾子軸承外圈磨損，滾子間附有大量金屬碎屑雜質，符合數(shù)據分析所得的判斷結果。

5 總結

通過對測試件的振動信號監(jiān)控，在故障發(fā)生的初期進行及時預警及切斷試驗臺，防止測試件出現(xiàn)進一步的破壞性損傷，降低了試驗資源的損耗，同時運用階次分析的方法，能夠快速準確地診斷出變速箱的故障類型，了解故障發(fā)生的先后順序，對拆機檢查和故障原因分析具有方向性的指導。

參考文獻：

[1]萬德安.階次分析在變速箱故障診斷中的應用[D].上海：同濟大學，2006.

[2]馬潔，徐小力，周東華.旋轉機械的故障預測方法綜述[J].自動化儀表，2011，32（8）：1-3.

[3]謝峰，程林，魏瑞.基于階次分析的汽車主減速器故障診斷研究[J].第十五屆全國汽車檢測技術年會論文集，2011.