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變速箱噪聲的故障診斷與頻譜分析

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摘　要　應(yīng)用振動(dòng)、噪聲信號(hào)頻譜分析和相干函數(shù)分析技術(shù)，從理論上說(shuō)明變速箱故障診斷的依據(jù)。檢測(cè)了一臺(tái)噪聲嚴(yán)重超標(biāo)的實(shí)際變速箱系統(tǒng)，得到其三向振動(dòng)和噪聲信號(hào)。綜合分析了實(shí)測(cè)信號(hào)及其計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，從而得出檢測(cè)對(duì)象出現(xiàn)強(qiáng)烈噪聲的主要原因在于其中一對(duì)嚙合輪發(fā)生“嗑碰”。
　　關(guān)鍵詞:變速箱，噪聲，振動(dòng)，故障診斷，相干分析
　　中圖分類號(hào)：TH17
SPECTRAL ANALYSIS AND DIAGNOSIS OF GEARBOX NOISE
Lu Xuejun　Wei Zhi
（Department of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou　310027）
　　Abstract　The theory of coherence function and spectrum of vibration and noise signals is applied in gearbox noise analysis in the paper. The basis of fault diagnosis of gearbox is theoretically introduced. An over noisy gearbox typed BJ212 is inspected for fault diagnosis. Based on the real signals of three dimensional vibration and noise of the gearbox, the cause of the fault is ascertained by means of analyzing the spectrums and coherence functions of the signals.
　　Key words: gearbox, noise, vibration, fault diagnosis, coherence function analysis
0　引　言
　　變速箱的變速、儲(chǔ)能、增加扭矩等作用，使它成為動(dòng)力機(jī)械中應(yīng)用十分廣泛的通用部件之一。它的工作是否正常涉及到整臺(tái)機(jī)器或機(jī)組的工作性能。變速箱的工作形式和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，又使得它容易引發(fā)故障。因此，變速箱的質(zhì)量檢測(cè)在動(dòng)力機(jī)械工程中占有重要的地位。
　　本文運(yùn)用故障診斷技術(shù)分析變速箱出現(xiàn)故障的原因。實(shí)施故障診斷技術(shù)的首要步驟是獲得反應(yīng)檢測(cè)對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的診斷信息。在動(dòng)力機(jī)械工程中，獲得診斷信息的常用方法有直接觀察法、振動(dòng)噪聲檢測(cè)法、磨損殘留物檢測(cè)法和運(yùn)行性能監(jiān)測(cè)法等［1］。對(duì)變速箱而言，振動(dòng)和噪聲信號(hào)是故障診斷的重要信息。
　　變速箱的噪聲水平可以從客觀上反映變速箱的工作狀態(tài)，而成為其質(zhì)量檢測(cè)的指標(biāo)之一。在設(shè)計(jì)變速箱時(shí)，就規(guī)定了其噪聲標(biāo)準(zhǔn)。聲與振動(dòng)緊密地在一起，是源與流的關(guān)系。因振動(dòng)而發(fā)聲的物體即是聲源，當(dāng)振動(dòng)以波的形式在彈性媒質(zhì)中傳播時(shí)，便形成聲波。噪聲是人類不希望聽(tīng)到的聲音，是一種環(huán)境污染，會(huì)對(duì)人造成生理和心理的危害。因而，對(duì)噪聲的監(jiān)測(cè)、診斷和控制是多門(mén)學(xué)科尤其是機(jī)械工程研究的重要課題。
　　變速箱在工作中，內(nèi)部構(gòu)件，如齒輪、軸承等，不斷產(chǎn)生振動(dòng)沖擊。當(dāng)有故障存在時(shí)，其振動(dòng)強(qiáng)度增大，噪聲水平超標(biāo)。本文根據(jù)振動(dòng)和噪聲譜，利用相干函數(shù)分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)手段，分析了一臺(tái)BJ212型變速箱噪聲超標(biāo)的原因。

1　變速箱振動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)及相干函數(shù)
1.1　振動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)分析
　　變速箱是由箱體、軸、軸承和齒輪等組成的，因此箱內(nèi)存在多種激勵(lì)。主要有簡(jiǎn)諧激勵(lì)、周期激勵(lì)和隨機(jī)激勵(lì)三種形式。其中軸承中的滾動(dòng)體在通過(guò)負(fù)荷區(qū)時(shí)產(chǎn)生簡(jiǎn)諧激勵(lì)，齒輪嚙合以及齒面節(jié)線沖擊和嚙合沖擊產(chǎn)生周期激勵(lì)，而由于軸承和齒輪的設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)仍騽t引起隨機(jī)振動(dòng)。在小振動(dòng)的情況下，可以假設(shè)為小阻尼中參數(shù)系統(tǒng)，故可從其振動(dòng)微分方程中求得其時(shí)域響應(yīng)。
　　鑒于建立變速箱的實(shí)際振動(dòng)模型很困難，數(shù)學(xué)方程不容易建立起來(lái)，因此在工程上一般是分析其頻域響應(yīng)。在線性系統(tǒng)中激勵(lì)和響應(yīng)在功率譜圖上的關(guān)系如圖1所示，其中Fh為簡(jiǎn)諧激勵(lì)的頻譜，F(xiàn)s為周期激勵(lì)的頻譜，F(xiàn)r為隨機(jī)激勵(lì)的頻譜。

　　對(duì)于線性系統(tǒng)，各激勵(lì)的線性疊加的響應(yīng)等于各激勵(lì)單獨(dú)作用的響應(yīng)疊加。變速箱內(nèi)軸的旋轉(zhuǎn)、齒輪的嚙合等產(chǎn)生的都是周期性振動(dòng)信號(hào)，在譜圖上有突出的峰值，隨機(jī)激勵(lì)看作是平穩(wěn)和寬帶的，在譜圖上接近水平直線，并不影響對(duì)特征頻率的識(shí)別。
1.2　相干函數(shù)分析
　　兩個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程X（t）和Y（t）的相干函數(shù)為
　　　　　
γXY（f）為頻率f處對(duì)應(yīng)輸入X（t）的輸出量的均方值在總輸出量均方值中所占的比例。而1-γXY（f）則為其它不相關(guān)輸入所引起的比例。在實(shí)際分析中，相干函數(shù)是通過(guò)計(jì)算輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的互功率譜與自功率譜得到的。在整個(gè)測(cè)量頻帶上，相干函數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)化的，因而消除了傳感器和傳感通道的增益作用。

2　振動(dòng)、噪聲測(cè)試及數(shù)據(jù)分析
2.1　測(cè)試過(guò)程與儀器
　　測(cè)試的目的是拾取變速箱的振動(dòng)及噪聲信號(hào)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程及儀器設(shè)備如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用三向加速度傳感器，由三維振動(dòng)矢量全面反映檢測(cè)對(duì)象的振動(dòng)狀態(tài)。傳感器安裝在Ⅱ軸軸承座孔處，以獲得在徑向水平、徑向垂直和軸向三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)。將ND2精密聲級(jí)計(jì)置于距輸出軸軸端75-100cm處，以獲得噪聲信號(hào)。三路振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)由磁帶記錄儀記錄。示波器則用于監(jiān)視實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各信號(hào)的狀態(tài)。所檢測(cè)變速箱有五個(gè)變速檔，模擬實(shí)際工況，我們測(cè)量其在各檔下的振動(dòng)、噪聲信號(hào)和電壓。

2.2　變速箱特征頻率分析
　　統(tǒng)計(jì)資料表明［2］，齒輪、軸承和軸的故障占變速箱故障的90％。特征頻率也就是軸頻、齒輪的嚙合頻率以及軸承的內(nèi)外圈和滾動(dòng)體的頻率。它們和諧頻、邊頻相結(jié)合，成為對(duì)故障判定的依據(jù)。圖3為BJ212型變速箱傳動(dòng)簡(jiǎn)圖，表1列出軸和齒輪嚙合的特征頻率，其中輸入軸的轉(zhuǎn)速為2200rpm。

2.3　振動(dòng)、噪聲譜及相干函數(shù)分析
　　診斷對(duì)象即BJ212型變速箱有五個(gè)檔位，設(shè)計(jì)噪聲指標(biāo)為空檔89.5dBA、Ⅰ檔90dBA、Ⅱ檔90dBA、Ⅲ檔88dBA和倒檔91dBA。本文所檢測(cè)的變速箱噪聲明顯超標(biāo)，其倒檔時(shí)的噪聲達(dá)到97dBA，故需對(duì)在各檔下測(cè)得的振動(dòng)和噪聲信號(hào)進(jìn)行譜分析以及相干函數(shù)分析，尋找故障原因。
　　本文以倒檔時(shí)的振動(dòng)、噪聲譜和相干函數(shù)分析為例，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的變速箱振動(dòng)、噪聲信號(hào)經(jīng)專門(mén)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行處理后，得到測(cè)試點(diǎn)處三個(gè)方向的振動(dòng)頻譜圖（圖4～圖6）、噪聲信號(hào)的頻譜圖（圖7）和相干函數(shù)圖（圖8）。其中，采樣頻率為2000Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為1024，實(shí)測(cè)的輸入軸轉(zhuǎn)速是2226rpm。在圖4～圖6中，縱坐標(biāo)為各振動(dòng)加速度自（功率）譜與幅值1g、頻率50Hz的簡(jiǎn)諧加速度之自譜的比值，圖7的縱坐標(biāo)為聲級(jí)計(jì)輸出電壓信號(hào)幅值。由于理論上的電機(jī)轉(zhuǎn)速與實(shí)際值總有差別，以及其它不可避免的測(cè)試和計(jì)算誤差，使得譜圖上的特征頻率與相應(yīng)的理論值并不能吻合。在圖4所示的振動(dòng)頻譜圖上，軸頻及Z15/Z29嚙合頻率分別為19.44Hz（理論值為19Hz）和558.9Hz（理論值為550.57Hz）。從圖7所示的噪聲譜圖中看到，中頻噪聲能量較強(qiáng)，尤以558.9Hz及其邊頻處的幅值z(mì)ui為突出。說(shuō)明該頻率分量在總噪聲中貢獻(xiàn)較大，其原因需結(jié)合聲源（變速箱）具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析。

3　結(jié)　論
　　本文以噪聲作為故障癥狀，通過(guò)相干函數(shù)分析確定相關(guān)的振動(dòng)信號(hào)，從而由振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征分析故障原因，實(shí)驗(yàn)表明這種方法能夠建立故障征兆空間與故障狀態(tài)空間的映射，故具實(shí)際效果。
　　振動(dòng)和噪聲的譜分析作為一種傳統(tǒng)的分析手段，其豐富的診斷事例還為診斷專家系統(tǒng)提供了豐富的專家知識(shí)，從而決定性地提高專家系統(tǒng)的水平。所以，基于相干理論的針對(duì)性實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于現(xiàn)代故障診斷理論在工程實(shí)際中更好地發(fā)揮其作用有著重要意義。
*作者　盧學(xué)軍　女，碩士，講師，1968年11月生。
作者單位：浙江大學(xué)機(jī)械系，杭州　310027
參考文獻(xiàn)
1 　郭文璜. 機(jī)械工程中的噪聲測(cè)試與控制. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993
2 　崔寧博. 設(shè)備診斷技術(shù). 天津：南開(kāi)大學(xué)出版社，1988
3 　盧學(xué)軍. 變速箱噪聲的故障診斷：［學(xué)位論文］. 河北工學(xué)院，1994

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