基于扭振信号的齿轮故障诊断研究
图2 齿轮啮合振动
2.1 扭振信号测试
扭振测量的方法很多，但是许多方法不适合在故障诊断中应用。我们在试验研究中用轴角编码器实现扭振测量，这种方法简便易行有一定的实用性，其实现原理见图3。为了避免安装时的对中要求，在编码器轴端接了一段挠性轴，挠性轴的另一端固连一块强磁体。由于编码器工作扭曲非常小，使用时将强磁体吸合到被测轴端的顶尖孔处，依靠磁体与轴端之间的摩擦力带动编码器可靠回转。“挠性轴—编码器”力学系统构成了一个低通滤波器，可以起到采样抗混作用。计数器对高 频脉冲发生器送来的基脉冲连续计数，每当编码器的一个输出脉冲上升沿到达，锁存器将这一时刻计数器的计数值锁存，并向计算机发出请求，由计算机取走计数值，这样就得到了被测轴每转过一个编码器刻度所用的时间，经换算可以得到近似的瞬时转速。本研究中所用的编码器为360线，每个脉冲间隔代表1°。
图3 编码器扭振测试
试验用变速箱为ZQ250型，螺旋角为8°6′34″，传动比为12.64，两级变速的齿数比分别为26∶73和18∶81。试验中测量输出轴的扭振转速信号，该轴上的齿轮为81齿。选用的变速箱是有一定程度磨损和安装偏心的半旧变速箱，这使试验结果更接近实际情况。在第二级从动齿轮(81齿)的某一齿上制造了一个图4所示的模拟局部故障，分别测试了有模拟故障和无故障情况下的扭振和箱体振动信号。图5a、图5b是模拟故障前后的扭振角速度信号，采样间隔为1°，信号长度对应于输出轴回转3600°。图5c、图5d是与扭振同时测量的经过200 Hz低通滤波后的箱体振动加速度信号(故障齿轮的啮合频率为153.8 Hz)，信号长度对应于输出轴回转1080°。
图4 模拟故障示意
图5 扭振信号与箱体振动信号对比
图6a是在很低转速下(0.3446 r/min)测得的模拟局部故障的转速信号，这时系统没有发生扭振，所以这些脉冲可以认为是故障形成的激励波形，冲击信号的周期与齿轮回转周期相同。图5b是正常转速时该故障的扭振响应，它是系统各阶固频的线性叠加，并且其衰减过程持续了较长时间，这说明系统阻尼小对局部故障冲击有较高的增益，也就是说扭振信号对故障很敏感。图6b是图5b经Hilbert变换解调后得到的包络，包络中信号波动与故障齿轮的回转周期相同，其幅值决定了故障的程度。扭振信号的调制解调与箱体振动信号相同，有关分析方法已有许多文献［3，8～10］介绍，这里不再赘述。
(a)局部故障的激励
(b)故障信号的包络
图6 局部故障
(a)啮合扭振
(b)扭振信号的包络
图7 装配偏心
3 结论
本文在对齿轮啮合扭振进行分析的基础上提出了通过扭振信号进行齿轮诊断的方法。试验结果表明从机器系统中测取的扭振信号受到的噪声干扰小，齿轮轴系扭振系统对故障激励的衰减作用小，因而扭振信号对故障敏感。作为齿轮早期故障诊断的信息来源，扭振信号优于箱体振动信号。但是，扭振信号的测取比较麻烦，本文同时介绍了利用轴角编码器实现扭振测试的方法。目前编码器已经具备很强的恶劣环境适应能力，并且连续工作的寿命也很长，所以本文介绍的测试方法也适用于在线监测系统。
采用挠性轴连接编码器和被测轴，除了简化安装工艺要求外，更重要的是“挠性轴—编码器”系统的力学特性是一个低通滤波器［9］，当齿轮系统转速较高或回转冲击较大时，利用其低通滤波特性可以防止发生采样混叠。但编码器测试系统的采样率较低，所以本文方法的应用将受到齿轮最高转速的限制。
扭振信号作为齿轮系统状态监测与诊断的信息源，其优越性已显而易见，如何充分利用扭振信号从中提取更完整的故障特征仍需要进一步深入研究。(end)
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