機械故障仿真試驗臺實驗與應(yīng)用

李 崢，秦朝燁，王天楊，王 旭，2，盧文秀，褚福磊

（1.清華大學機械工程系，北京 100084；2.火箭軍工程大學導彈工程學院，西安 710025）

0 引言

在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷中齒輪和軸承是典型的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，如何快速準確定位其發(fā)生故障及程度，在故障診斷中是很重要的，由于實際工況的各種干擾，很難在各種復雜信號中找到有用的數(shù)據(jù)，尤其是對于剛剛接觸或者從事科研的研究生。為此動力學課題組開設(shè)了針對研究生的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障診斷實驗課程，利用現(xiàn)有實驗設(shè)備——機械故障仿真器，針對齒輪采集了無故障、磨損、缺齒3 種信號，針對軸承設(shè)計了內(nèi)圈、外圈、滾動體3 部位故障，采集電動機轉(zhuǎn)速從300～1 800 r/min的振動信號，對應(yīng)控制器頻率為5～30 Hz，然后利用時域和頻域信號處理方法進行分析，驗證了設(shè)備的可靠性，從而為開展實驗教學及科研工作奠定了基礎(chǔ)［1-4］。

1 試驗臺簡介

試驗臺是美國SpectraQuest 公司的機械故障仿真器（MFS），如圖1 所示。MFS從輸入端（電動機）到支撐軸承再到齒輪箱的傳動系統(tǒng)簡圖如圖2 所示。

圖1 MFS及齒輪箱實物圖和測試軸承

圖2 MFS傳動系統(tǒng)簡圖

電動機主軸1 的動力通過雙V 型皮帶傳遞到齒輪箱主動軸2，軸1 上帶輪直徑d1=50 mm，軸2 上帶輪直徑d2=125 mm，帶輪內(nèi)圈周長分別為86、325 mm，綜合考慮滑移等因素通過實驗確定傳動比i約為0.386。

2 試驗臺各種參數(shù)及故障類型

2.1 MFS研究齒輪故障

仿真器提供了典型的3 種齒輪故障，齒輪實物圖如圖3 所示。齒輪箱具體型號為Hub City M2，是一個傳動比為1.5∶1的一級減速傳動，其主動軸的齒輪可以選擇提供的3 種齒輪進行更換。輪箱中兩個齒輪的相關(guān)參數(shù)為：齒輪1 有18 齒，齒輪2 有27 齒，壓力角α均為20°。

圖3 磨損齒輪和斷齒齒輪實物圖

2.2 MFS研究軸承故障

試驗臺所采用的是30206 型軸承，外圈直徑62 mm，內(nèi)圈直徑30 mm，節(jié)徑48 mm，滾動體直徑9 mm，滾珠個數(shù)Nb=17，接觸角：14，寬度：17.5 mm，Cr：43.2 kN，Cor：50.5 kN。根據(jù)產(chǎn)生故障的不同位置，在軸承外圈、內(nèi)圈、滾動體上利用線切割加工直徑寬2 mm、深1 mm的凹槽點蝕故障缺陷。典型軸承故障圖如圖4 所示。

圖4 典型故障軸承實物圖

3 齒輪與軸承頻率分析

根據(jù)齒輪箱的各種參數(shù)可計算得到不同轉(zhuǎn)速下各齒輪對應(yīng)的轉(zhuǎn)頻及嚙合頻率［5-6］，以及不同轉(zhuǎn)速下測試的軸承具體數(shù)值，如表1 所示。

表1 不同轉(zhuǎn)頻與轉(zhuǎn)速下的齒輪頻率參數(shù)

軸承故障特征頻率計算公式：

外圈故障特征頻率（Ball pass frequency on the outer race）

內(nèi)圈故障特征頻率（Ball pass frequency on the inner race）

滾動體故障特征頻率（Ball spin frequency）

代入軸承相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，可以得到不同控制器轉(zhuǎn)頻下相應(yīng)故障特征頻率（見表2）。

表2 不同轉(zhuǎn)頻下相應(yīng)故障特征頻率Hz

4 試 驗

實驗中，齒輪箱所用為三軸ICP加速度傳感器，型號為604B31，如圖5 所示。通過磁吸座固定在齒輪箱體上，振動實驗如圖6 所示；軸承所用352C04 型號加速度傳感器如圖7 所示，其安裝在軸承座進行測試，如圖8 所示。

圖5 三軸加速度傳感

圖6 齒輪箱振動實驗裝置

圖7 單軸加速度傳感器

圖8 軸承振動實驗裝置

齒輪實驗主要是針對上述3 種典型故障齒輪在不同轉(zhuǎn)速下的實驗。通過加速度分別采集不同轉(zhuǎn)速下不同故障程度的振動信號數(shù)據(jù)，其采樣頻率為102.4 kHz。針對軸承實驗內(nèi)容主要是在相同轉(zhuǎn)速下4 種軸承典型故障信號對比分析，然后對采集到的振動數(shù)據(jù)進行時域和頻域處理，從而得到相應(yīng)的實驗規(guī)律。

5 信號分析與處理

5.1 時域分析處理

根據(jù)上述實驗，分析3 種不同故障程度的齒輪在6 種轉(zhuǎn)頻下的時域信號，時域分析選取最大值，其他時域分析的各種指標：如峰峰值、有效值、均方值等都與最大值的趨勢一樣，其最大值的趨勢圖如圖9 所示。

根據(jù)圖9 的趨勢，可以明顯看出齒輪發(fā)生故障時，時域的各個指標不僅隨著故障程度的升高而升高，并且也隨著轉(zhuǎn)速的增加而更為明顯，因此在利用時域指標判斷齒輪是否發(fā)生故障時，應(yīng)盡量提高其轉(zhuǎn)速，才能更好地判定設(shè)備是否發(fā)生了故障，但是時域分析無法判斷其發(fā)生位置。

圖9 不同狀態(tài)下齒輪時域信號變化趨勢圖

針對不同故障低速軸承信號進行時域信號分析處理，得到不同故障的各種時域值。

由表3 可知，實驗軸承比正常軸承的相應(yīng)參數(shù)都大，這正是軸承發(fā)生故障的征兆。實驗軸承外圈固定，內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動，因此當外環(huán)發(fā)生故障時，外圈故障位置不變，相對于其他故障干擾最少，也是最容易診斷。由于其運動特點，所以外圈軸承振動信號較為容易采集和分析。從表3 可以看出，實驗軸承各時域統(tǒng)計特征參數(shù)均大于正常軸承，對比可知軸承的確存在故障，但是無法判斷其位置。

表3 正常軸承與故障軸承時域統(tǒng)計特征參數(shù)比較

5.2 頻域分析處理

針對仿真器的各種轉(zhuǎn)速下的信號，在頻域分析中只采用設(shè)備在5 Hz 的低轉(zhuǎn)頻和30 Hz 高轉(zhuǎn)頻下的不同故障程度信號進行處理并分析，分析方法利用頻譜分析和包絡(luò)譜如圖10～12 所示。

當齒輪無故障時，低轉(zhuǎn)頻下在幅頻譜和包絡(luò)譜中可以看到100 Hz的頻率處對應(yīng)的幅值最大，100 Hz是電源頻率的2 倍頻，是機械故障仿真器電控系統(tǒng)的頻率，在斷齒和磨損齒輪的振動信號中這一頻率仍然是存在的，只是幅值大小不同而已，故可以對其不予考慮。從圖10（a）可見0.5X15.2 Hz、1X30.4 Hz嚙合頻率及2X60.9 Hz頻率成分的存在。在圖10（c）高轉(zhuǎn)頻齒輪嚙合頻率附近的邊頻帶幅值較小，可以忽略不計，無故障包絡(luò)譜與其類似，旋轉(zhuǎn)頻率占據(jù)了主要了頻譜，因此不具有任何故障的特征頻率成分，即齒輪正常，不存在任何故障。

磨損齒輪振動信號的幅頻譜和包絡(luò)譜如圖11（a）（b）所示，與圖10（a）（b）正常齒輪對比，可以發(fā)現(xiàn)兩者幾乎沒有區(qū)別，但可以發(fā)現(xiàn)1/2X、2X頻率的幅值有較大增強，可以看到30.37 Hz的嚙合頻率及60.84 Hz的2 倍頻，并且是存在邊頻帶的，可以判斷為磨損故障，而1X 頻率的幅值減小，說明存在故障，但故障較小，這說明磨損齒輪的故障信號非常微弱，符合齒輪發(fā)生微弱信號時的特征，可以判定齒輪發(fā)生了磨損微弱故障。在高速運行情況下，圖11（c）（d）與圖10（c）（d）對比發(fā)現(xiàn)，幅值明顯增大，而且在204.1 Hz出現(xiàn)了以轉(zhuǎn)頻11.4 Hz 和7.6 Hz 進行調(diào)制邊頻帶。由此可以判斷齒輪1 存在故障，并且可以判斷為磨損故障。通過以上信號分析方法判斷出了磨損故障，與正常齒輪的信號相比，磨損齒輪的邊頻帶開始顯現(xiàn)，雖然并不是太明顯，但與正常齒輪相比還是能看出差別的。

圖10 5 Hz低轉(zhuǎn)頻和30 Hz高轉(zhuǎn)頻下無故障信號分析

圖11 5 Hz低轉(zhuǎn)頻和30 Hz高轉(zhuǎn)頻下磨齒信號分析

斷齒齒輪的振動信號幅頻譜和包絡(luò)譜如圖12（a）（b）所示，與正常齒輪及磨損齒輪的信號對比可以發(fā)現(xiàn)0.5X、1X、2X 頻率的振幅有所增大，且增大較多。圖12（c）（d）可見，嚙合頻率204.1 Hz在這些頻率四周存在以11.3 Hz和7.6 Hz 的轉(zhuǎn)頻進行調(diào)制的邊頻帶，并且邊頻帶幅值大，與斷齒故障的頻譜特征相同，可以判斷齒輪存在著斷齒故障。

圖12 5 Hz低轉(zhuǎn)頻和30 Hz高轉(zhuǎn)頻下斷齒信號分析

由以上齒輪的振動信號分析可知，當齒輪轉(zhuǎn)速很低時，其振動并不劇烈，3 種齒輪的振動信號的幅值相差不大。隨著轉(zhuǎn)速的升高，齒輪的振動也在加大，因此在測試中的信號也更為明顯，通過分析得到了相應(yīng)的故障特征頻率，有利于進行故障的診斷，所以采用振動分析法對齒輪進行故障診斷時，應(yīng)該在條件允許的情況下使齒輪箱的輸入轉(zhuǎn)速盡可能高一點，這樣有利于振動信號的采集及特征信號的提取，能取得更好的診斷效果［7-13］。

由于采集到的軸承各種位置數(shù)據(jù)較多，因此這里只針對10 Hz和25 Hz下的不同位置軸承故障進行頻譜和相位譜的分析，如圖13、圖14。

圖13 10 Hz下內(nèi)圈、滾動體、外圈故障信號幅值譜與包絡(luò)譜分析

圖14 25 Hz下內(nèi)圈、滾動體、外圈故障信號幅值譜與包絡(luò)譜分析

由表3 不同轉(zhuǎn)頻下相應(yīng)故障特征頻率，當控制器轉(zhuǎn)頻為10 Hz下，不論在幅值譜還是在包絡(luò)譜中，都能明顯看到了軸承相應(yīng)的內(nèi)圈、外圈、滾動體的特征頻率為53 Hz、36 Hz、20 Hz，其他頻率相對于故障特征頻率均較小，這是由于軸承發(fā)生故障時，相應(yīng)故障的振動較其他的振動更為明顯，同理25 Hz下軸承不同位置的特征頻率也較為突出，實驗結(jié)果表明計算所得故障與實驗的故障一致，綜上所述，當軸承發(fā)生故障時，無故障指標明顯比其他故障的指標低障，可以判斷出軸承發(fā)生了故障，但是無法定位故障位置。通過針對軸承的特征頻率計算得到的故障特征頻率，能有效地定位軸承故障形式，上述頻率的分析有效的驗證了設(shè)備的可靠性，滿足實驗教學。

6 結(jié)語

本文通過對機械故障仿真器的齒輪3 種和軸承4種典型位置故障信號，3 種不同轉(zhuǎn)速的實驗研究，利用時域和頻域的分析方法，驗證和得到了齒輪與軸承隨著故障程度的增加及轉(zhuǎn)速的增加而變化的趨勢，為研究生能有效地開展針對不同故障、不同轉(zhuǎn)速的情況下旋轉(zhuǎn)進行故障診斷研究，驗證了試驗臺能有效地服務(wù)于教學實驗及科研實驗中，為研究生開展相關(guān)科研及學習提供了實驗基礎(chǔ)。