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1、频谱分析法在齿轮箱故障诊断中的应用李晓虎 贾民平 许飞云(东南大学机械工程系 南京,210096)摘要 基于齿轮箱振动及调制边频带形成机理的分析,提出用谱平均及倒频谱分析相结合的方法,对监测系统的输出信号进行频域分析,诊断齿轮箱故障,并分析其产生原因。实例及分析结果验证了该方法可迅速、准确地对齿轮箱进行故障诊断。关键词 齿轮箱 倒频谱 谱平均 故障诊断中图分类号 TH132.41 TP206 TP277引 言齿轮箱是许多机械的变速传动部件。齿轮箱的运行是否正常对整台机器或机组的工作有较大影响。设计不当,制造不良和维
2、护、操作不善是引起齿轮箱故障的主要原因。因此,提高齿轮箱运行的可靠性就要提高运行维护水平,对齿轮箱作运行状态的监测,进行故障诊断。据统计:在齿轮箱中,齿轮故障是主要故障,大约占各类故障总数的60%[1]。齿轮诊断的关键是获得各种状态的信息,而齿轮振动的频谱图包含丰富的信息,因此对各种工况的齿轮频谱图进行分析,可以确定故障及其原因。故障诊断的目的是判断机器在运行中存在的故障,对设备的当前状态作出评估,并对其劣化趋势进行预测预报。正确地判断机器在运行中所隐含的故障[2],是诊断技术成败的关键,也是诊断技术能否立足于生产
3、的前提。由于实际的齿轮箱噪声很大,振动信号的信噪比很低,传统的傅立叶变换难以获得微弱故障信号。为此,本文采用谱平均和倒频谱分析相结合的方法对齿轮箱的故障进行诊断。1 齿轮箱故障的分析诊断方法在齿轮箱故障诊断中,振动检测是目前的主要方法。齿轮的振动通常包括齿轮的周向振动、齿轮的径向和轴向振动及齿轮的固有振动等。齿轮的缺陷会反映到齿轮的振动信号当中,这是运用振动信号分析法对齿轮进行故障诊断的依据。1.1 频谱分析及其特点振动信号的频谱分析是齿轮故障信息的最基本的研究方法[1]。齿轮的制造与安装误差、剥落和裂纹等故障会直
4、接成为振动的激励源,这些激励源都以齿轮轴的回转为周期,齿轮振动信号中含有轴的回转频率及其倍频。故障齿轮的振动信号往往表现为回转频率对啮合频率及其倍频的调制,在谱图上形成以啮合频率为中心,两个等间隔分布的边频带。由于调频和调幅的共同作用,最后形成的频谱表现为以啮合频率及其各次谐波为中心的一系列边频带群,边频带反映了故障源信息,边频带的间隔反映了故障源的频率,幅值的变化反映了故障的程度。因此,齿轮故障诊断实质上是对边频带的识别。齿轮振动的各调制边频可用下式表示f=pfm±mfr1±nfr2(1)其中:fm为齿轮副的啮合
5、频率;fr1,fr2分别为主动齿轮和被动齿轮的转动频率;p为啮合频率的各阶谐频的序数;m,n分别为主、被动齿轮转动频率的各阶谐频的序数。由上可知,齿轮的振动频谱图的谱线一般有:齿轮的转动频率及其低阶谐频、齿轮的啮合频率及其倍频、啮合频率的边频带和齿轮幅的各阶固有频率等。其中,齿轮副的固有频率是由于齿轮啮合时齿间撞击而引起的齿轮自由衰减振动,它们位于高频区且振幅较小,易被噪声信号淹没。1.2 倒频谱分析原理倒频谱分析亦称为二次频谱分析,是近代信号
