基于階次包絡(luò)譜的齒輪箱故障診斷方法

1階次跟蹤分析對于具有穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)壓力的機器，通?？梢允褂没诟道锶~變換（fft）的光譜分析方法，有效提取故障特征。齒輪箱的升降速過程的振動信號為非平穩(wěn)信號,不滿足傅里葉變換對信號的平穩(wěn)性要求,因此不適合用常規(guī)的頻譜分析方法進行分析處理;若人為地將這類信號假定為平穩(wěn)信號進行分析,必然會導(dǎo)致較大的誤差,甚至得出錯誤的結(jié)論。但對齒輪箱升降速過程振動信號進行分析,更容易發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的缺陷,因此基于升降速過程的齒輪箱故障診斷具有很重要的現(xiàn)實意義。在這種情況下,專門針對齒輪箱升降速振動信號分析的階次跟蹤分析便應(yīng)運而生。本文針對齒輪箱升降速過程振動信號非平穩(wěn)的特點,提出基于階次包絡(luò)譜分析的齒輪箱故障檢測和診斷方法,該方法能有效提取軸承的故障特征信息,為基于升降速過程分析的齒輪箱故障診斷開辟一條新的途徑。2分類亞組的基本原則2.1等角度重采樣解決了傳統(tǒng)頻譜分析方法的困難在傳統(tǒng)的信號處理方法中,如頻譜分析法及倒譜分析法等在處理平穩(wěn)信號時具有比較好的特性;但在處理齒輪箱等設(shè)備瞬態(tài)振動信號時,由于齒輪的嚙合頻率隨著輸入軸轉(zhuǎn)速的變化而改變,造成所謂的“頻率模糊”現(xiàn)象,傳統(tǒng)頻譜分析方法難以解決這一難題,而等角度重采樣能有效解決“頻率模糊”現(xiàn)象,它能把時域里等時間間隔的采樣信號轉(zhuǎn)化為角域等角度采樣,保證旋轉(zhuǎn)機械在每一轉(zhuǎn)內(nèi)有相同的采樣點數(shù),避免在時域內(nèi)采樣時,由于頻率的變化而造成的一些特征信息的丟失,彌補傳統(tǒng)頻譜分析法在處理瞬態(tài)信號時的不足,是對傳統(tǒng)分析方法的補充。因此,等角度重采樣的實質(zhì)是將時域(timedomain)的非平穩(wěn)信號通過恒定的角增量重采樣轉(zhuǎn)變?yōu)榻怯?angledomain)平穩(wěn)信號,使其能更好地反映與轉(zhuǎn)速相關(guān)的振動信息。2.2重采樣信號的解調(diào)與譜圖齒輪箱升降速時測量得到的振動信號是非平穩(wěn)信號,直接采用常規(guī)的FFT分析,在頻譜圖中會出現(xiàn)“頻率模糊”現(xiàn)象,因而不能反映系統(tǒng)的真實狀況。而階次跟蹤方法,以軸的轉(zhuǎn)頻為基準,采用等角度重采樣技術(shù),能將時域非平穩(wěn)信號轉(zhuǎn)換為角域平穩(wěn)信號,滿足FFT分析對信號平穩(wěn)性的要求,有效解決“頻率模糊”現(xiàn)象,是對常規(guī)頻譜分析方法的補充。但由于角域重采樣信號也存在調(diào)制現(xiàn)象,僅通過簡單的階次分析難以達到理想的分析效果,因此還需進行更深一步的處理。而將角域重采樣信號經(jīng)Hilbert變換解調(diào)后,再對解調(diào)后的信號進行FFT分析,在包絡(luò)譜中能清晰地看到軸承故障的特征階次及其倍頻階次。常見的階次跟蹤方法有硬件階次跟蹤法、計算階次跟蹤法和基于瞬時頻率估計的階次跟蹤法等。本文采用計算階次跟蹤法實現(xiàn)振動信號的重采樣計算。階次包絡(luò)譜具體實現(xiàn)步驟如下:1)對原始振動信號和轉(zhuǎn)速信號分兩路同時進行等時間間隔(Δt)時域采樣,得到異步采樣信號。2)確定恒定角增量Δθ所對應(yīng)的各個時間點t的值。3)根據(jù)已求出的t值,對振動信號進行插值,求出其對應(yīng)的幅值,實現(xiàn)重采樣,生成振動信號的同步采樣信號。4)對等角度重采樣的信號進行解調(diào)處理,即對重采樣信號進行Hilbert變換,得到振動信號的包絡(luò)信號。5)對包絡(luò)信號進行FFT變換,得到重采樣信號的階次包絡(luò)譜。設(shè)原始振動信號x(t)經(jīng)過等角度重采樣后的信號為y(θ),則實信號y(θ)與它的Hilbert變換y?y^(θ)組成解析信號z(θ)z(θ)=y(θ)+jy?(θ)z(θ)=y(θ)+jy^(θ)(1)則信號y(θ)的包絡(luò)為a(θ)=y2(θ)+y?2(θ)???????????√a(θ)=y2(θ)+y^2(θ)(2)對包絡(luò)信號式(2)作FFT分析,即可得到包絡(luò)信號的階次包絡(luò)譜。3小槽加工保證軸系統(tǒng)故障分析齒輪箱振動測試系統(tǒng)的組成如圖1所示,該系統(tǒng)由一臺電磁調(diào)速電機、轉(zhuǎn)速扭矩傳感器、齒輪箱(1個)、聯(lián)軸器(3個)、負載輪(共4個)、B&K3560信號分析儀、加速度傳感器(3個)組成。由轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測量電機的旋轉(zhuǎn)脈沖信號和轉(zhuǎn)矩信號,由安裝在軸承座上的加速度傳感器拾取齒輪箱振動信號,這些信號經(jīng)B&K3560信號分析儀采集到計算機中,然后對采集到計算機中的數(shù)據(jù)進行后續(xù)分析和處理。實驗中采用減速機輸入端206軸承,在不影響軸承正常使用的情況下,在滾動軸承內(nèi)圈、外圈分別加工寬為0.5mm、深為1.5mm的小槽,分別模擬軸承內(nèi)圈、外圈局部裂紋故障。實驗時測試系統(tǒng)為B&K3560多分析儀,振動傳感器為B&K4508,分析帶寬span=3.2kHz,采樣頻率為fs=8192Hz,采樣點數(shù)為16384,電機輸入軸齒輪齒數(shù)z1=30,輸出軸齒輪齒數(shù)z2=50,齒輪模數(shù)m=2.5。軸承內(nèi)圈故障特征頻率finner=z2(1+dDcosα)fr1finner=z2(1+dDcosα)fr1(3)軸承外圈故障特征頻率fouter=z2(1?dDcosα)fr1fouter=z2(1-dDcosα)fr1(4)206軸承的幾何尺寸,D=41.75mm,d=9.5mm,α=0°,Z=9。因此系統(tǒng)的各特征頻率為嚙合頻率fm=30fr1(5)206軸承的故障特征頻率finner=5.42fr1(6)fouter=3.58fr1(7)嚙合階次xm=30(8)206軸承的故障特征階次xinner=5.42(9)xouter=3.58(10)上述公式中,fr1為軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動頻率,d為滾動體直徑,D為軸承中徑,Z為滾動體的個數(shù),α為接觸角。3.1軸承不同轉(zhuǎn)速的信號分析當(dāng)軸承內(nèi)圈存在局部故障點時,隨著軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn),分布到故障點的靜態(tài)載荷密度隨內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)而周期變化。當(dāng)故障點處于最大載荷方向時,故障點承受的載荷密度最大。因為軸承故障點撞擊其他元件表面產(chǎn)生的沖擊力的幅值與故障點承受的載荷密度相關(guān),所以沖擊力的幅值也會隨內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)而周期變化。故障點到安裝在殼體上的加速度傳感器之間的振動信號的傳遞路徑也隨內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)而周期變化。載荷分布密度和傳遞路徑兩方面的影響表現(xiàn)為對高頻共振信號序列幅值的調(diào)制,調(diào)制頻率為內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率fr1,時域信號的調(diào)制在頻域表現(xiàn)為卷積。經(jīng)過階次包絡(luò)解調(diào)后,在階次包絡(luò)譜中表現(xiàn)為在軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動階次xr1、內(nèi)圈故障特征階次xinner及其高倍頻處有明顯的譜線,且在階次為xinner及其高倍頻處存在以xr1為間隔的邊頻帶。圖2是測得的齒輪箱輸入軸的瞬時轉(zhuǎn)速,圖2a是轉(zhuǎn)速傳感器的采樣信號;圖2b是計算得到的輸入軸的瞬時轉(zhuǎn)速。從圖2可以明顯地看出,輸入軸的轉(zhuǎn)速從靜止逐漸上升到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。圖3a是軸承內(nèi)圈存在故障時振動信號的時域波形,從圖3a可以明顯地看出,隨著輸入軸轉(zhuǎn)速的升高,齒輪箱的振動信號在逐漸加強,為一個非平穩(wěn)的過程信號,這充分說明齒輪箱的振動信號與輸入軸的轉(zhuǎn)速有直接的關(guān)系。圖3b是圖3a的FFT分析,由圖3b可以看出,由于輸入軸瞬時轉(zhuǎn)速的升高,在頻譜圖上發(fā)生了“頻率模糊”現(xiàn)象,頻譜圖難以反映系統(tǒng)的真實狀態(tài),很難找出軸承內(nèi)圈的故障特征階次及齒輪的嚙合階次,因此對于非平穩(wěn)的升速過程,不能按照常規(guī)的頻譜分析方法進行處理。圖4是圖3a經(jīng)過角域重采樣后的信號,圖5是重采樣信號的階次譜,但由于受軸頻調(diào)制的影響,也不能找出軸承內(nèi)圈故障的特征階次及齒輪的嚙合階次,需進行解調(diào)處理。圖6是重采樣信號的階次包絡(luò)譜,在圖6中不但能清晰地看出嚙合階次xm、輸入軸的轉(zhuǎn)頻階次xr1及2倍轉(zhuǎn)頻階次,而且軸承內(nèi)圈故障的特征階次xinner及其倍頻階次也非常明顯,從而根據(jù)階次包絡(luò)譜能有效地診斷出軸承的故障類型。3.2故障點頻率對振動譜線的影響當(dāng)軸承外圈存在局部故障點時,因為外圈固定在減速機殼體上,分布到故障點的靜態(tài)載荷密度不變,故障點到安裝在殼體上的加速度傳感器之間的振動信號的傳遞路徑不變,故軸承外圈故障的高頻共振信號在頻域表現(xiàn)為以滾動體經(jīng)過故障點的頻率(外圈故障特征頻率)為重復(fù)頻率且按指數(shù)規(guī)律衰減的高頻共振序列。經(jīng)過階次包絡(luò)解調(diào)后,在階次包絡(luò)譜中表現(xiàn)為在xouter及其倍頻處有明顯的譜線。圖7a是軸承外圈存在故障時振動信號的時域波形,同樣也為一個非平穩(wěn)的過程信號,圖7b是圖7a的FFT分析,由圖7b同樣也不能找出軸承外圈的故障特征階次及齒輪的嚙合階次。圖8是圖7a經(jīng)過角域重采樣后的信號,圖9是重采樣信號的階次包絡(luò)譜,在圖9中不但能清晰地看出嚙合階次xm,輸入軸的轉(zhuǎn)頻階次xr1及其倍頻,而且軸承外圈故障的特征階次xouter及其倍頻階次也非常明顯,從而根據(jù)階次包絡(luò)譜也能有效地診斷出軸承的故障類型。4角域重采樣信號的密度調(diào)制齒輪箱升降速過程的振動信號是非平穩(wěn)信號,不能直接采用常規(guī)的FFT分析;而階次跟蹤方法,以軸的轉(zhuǎn)頻為基準,采用等角度