基于扭振信號(hào)的齒輪故障診斷研究
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圖2 齒輪嚙合振動(dòng)
2.1 扭振信號(hào)測(cè)試
扭振測(cè)量的方法很多，但是許多方法不適合在故障診斷中應(yīng)用。我們?cè)谠囼?yàn)研究中用軸角編碼器實(shí)現(xiàn)扭振測(cè)量，這種方法簡(jiǎn)便易行有一定的實(shí)用性，其實(shí)現(xiàn)原理見圖3。為了避免安裝時(shí)的對(duì)中要求，在編碼器軸端接了一段撓性軸，撓性軸的另一端固連一塊強(qiáng)磁體。由于編碼器工作扭曲非常小，使用時(shí)將強(qiáng)磁體吸合到被測(cè)軸端的頂尖孔處，依靠磁體與軸端之間的摩擦力帶動(dòng)編碼器可靠回轉(zhuǎn)?！皳闲暂S—編碼器”力學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)低通濾波器，可以起到采樣抗混作用。計(jì)數(shù)器對(duì)高 頻脈沖發(fā)生器送來的基脈沖連續(xù)計(jì)數(shù)，每當(dāng)編碼器的一個(gè)輸出脈沖上升沿到達(dá)，鎖存器將這一時(shí)刻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值鎖存，并向計(jì)算機(jī)發(fā)出請(qǐng)求，由計(jì)算機(jī)取走計(jì)數(shù)值，這樣就得到了被測(cè)軸每轉(zhuǎn)過一個(gè)編碼器刻度所用的時(shí)間，經(jīng)換算可以得到近似的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。本研究中所用的編碼器為360線，每個(gè)脈沖間隔代表1°。
圖3 編碼器扭振測(cè)試
試驗(yàn)用變速箱為ZQ250型，螺旋角為8°6′34″，傳動(dòng)比為12.64，兩級(jí)變速的齒數(shù)比分別為26∶73和18∶81。試驗(yàn)中測(cè)量輸出軸的扭振轉(zhuǎn)速信號(hào)，該軸上的齒輪為81齒。選用的變速箱是有一定程度磨損和安裝偏心的半舊變速箱，這使試驗(yàn)結(jié)果更接近實(shí)際情況。在第二級(jí)從動(dòng)齒輪(81齒)的某一齒上制造了一個(gè)圖4所示的模擬局部故障，分別測(cè)試了有模擬故障和無故障情況下的扭振和箱體振動(dòng)信號(hào)。圖5a、圖5b是模擬故障前后的扭振角速度信號(hào)，采樣間隔為1°，信號(hào)長度對(duì)應(yīng)于輸出軸回轉(zhuǎn)3600°。圖5c、圖5d是與扭振同時(shí)測(cè)量的經(jīng)過200 Hz低通濾波后的箱體振動(dòng)加速度信號(hào)(故障齒輪的嚙合頻率為153.8 Hz)，信號(hào)長度對(duì)應(yīng)于輸出軸回轉(zhuǎn)1080°。
圖4 模擬故障示意
圖5 扭振信號(hào)與箱體振動(dòng)信號(hào)對(duì)比
圖6a是在很低轉(zhuǎn)速下(0.3446 r/min)測(cè)得的模擬局部故障的轉(zhuǎn)速信號(hào)，這時(shí)系統(tǒng)沒有發(fā)生扭振，所以這些脈沖可以認(rèn)為是故障形成的激勵(lì)波形，沖擊信號(hào)的周期與齒輪回轉(zhuǎn)周期相同。圖5b是正常轉(zhuǎn)速時(shí)該故障的扭振響應(yīng)，它是系統(tǒng)各階固頻的線性疊加，并且其衰減過程持續(xù)了較長時(shí)間，這說明系統(tǒng)阻尼小對(duì)局部故障沖擊有較高的增益，也就是說扭振信號(hào)對(duì)故障很敏感。圖6b是圖5b經(jīng)Hilbert變換解調(diào)后得到的包絡(luò)，包絡(luò)中信號(hào)波動(dòng)與故障齒輪的回轉(zhuǎn)周期相同，其幅值決定了故障的程度。扭振信號(hào)的調(diào)制解調(diào)與箱體振動(dòng)信號(hào)相同，有關(guān)分析方法已有許多文獻(xiàn)［3，8～10］介紹，這里不再贅述。
(a)局部故障的激勵(lì)
(b)故障信號(hào)的包絡(luò)
圖6 局部故障
(a)嚙合扭振
(b)扭振信號(hào)的包絡(luò)
圖7 裝配偏心
3 結(jié)論
本文在對(duì)齒輪嚙合扭振進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上提出了通過扭振信號(hào)進(jìn)行齒輪診斷的方法。試驗(yàn)結(jié)果表明從機(jī)器系統(tǒng)中測(cè)取的扭振信號(hào)受到的噪聲干擾小，齒輪軸系扭振系統(tǒng)對(duì)故障激勵(lì)的衰減作用小，因而扭振信號(hào)對(duì)故障敏感。作為齒輪早期故障診斷的信息來源，扭振信號(hào)優(yōu)于箱體振動(dòng)信號(hào)。但是，扭振信號(hào)的測(cè)取比較麻煩，本文同時(shí)介紹了利用軸角編碼器實(shí)現(xiàn)扭振測(cè)試的方法。目前編碼器已經(jīng)具備很強(qiáng)的惡劣環(huán)境適應(yīng)能力，并且連續(xù)工作的壽命也很長，所以本文介紹的測(cè)試方法也適用于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
采用撓性軸連接編碼器和被測(cè)軸，除了簡(jiǎn)化安裝工藝要求外，更重要的是“撓性軸—編碼器”系統(tǒng)的力學(xué)特性是一個(gè)低通濾波器［9］，當(dāng)齒輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速較高或回轉(zhuǎn)沖擊較大時(shí)，利用其低通濾波特性可以防止發(fā)生采樣混疊。但編碼器測(cè)試系統(tǒng)的采樣率較低，所以本文方法的應(yīng)用將受到齒輪最高轉(zhuǎn)速的限制。
扭振信號(hào)作為齒輪系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷的信息源，其優(yōu)越性已顯而易見，如何充分利用扭振信號(hào)從中提取更完整的故障特征仍需要進(jìn)一步深入研究。(end)
評(píng)論