變速箱雜訊的頻譜分析與故障診斷

tags:    時間:2014-03-11 13:54:57
變速箱雜訊的頻譜分析與故障診斷簡介
     0 引 言  變速箱的變速、儲能、增加扭矩等作用,使它成為動力機械中應用十分廣泛的通用部件之一。它……
變速箱雜訊的頻譜分析與故障診斷正文
     0 引 言


變速箱的變速、儲能、增加扭矩等作用,使它成為動力機械中應用十分廣泛的通用部件之一。它的工作是否正常涉及到整台機器或機組的工作性能。變速箱的工作形式和結構複雜性,又使得它容易引發故障。因此,變速箱的質量檢測在動力機械工程中佔有重要的地位。

本文運用故障診斷技術分析變速箱出現故障的原因。實施故障診斷技術的首要步驟是獲得反應檢測對象運行狀態的診斷信息。在動力機械工程中,獲得診斷信息的常用方法有直接觀察法、振動雜訊檢測法、磨損殘留物檢測法和運行性能監測法等。對變速箱而言,振動和雜訊信號是故障診斷的重要信息。

變速箱的雜訊水平可以從客觀上反映變速箱的工作狀態,而成為其質量檢測的指標之一。在設計變速箱時,就規定了其雜訊標準。聲與振動緊密地聯繫在一起,是源與流的關係。因振動而發聲的物體即是聲源,當振動以波的形式在彈性媒質中傳播時,便形成聲波。雜訊是人類不希望聽到的聲音,是一種環境污染,會對人造成生理和心理的危害。因而,對雜訊的監測、診斷和控制是多門學科尤其是機械工程研究的重要課題。

變速箱在工作中,內部構件,如齒輪、軸承等,不斷產生振動衝擊。當有故障存在時,其振動強度增大,雜訊水平超標。本文根據振動和雜訊譜,利用相干函數分析,結合實驗手段,分析了一台BJ212型變速箱雜訊超標的原因。

1 變速箱振動系統響應及相干函數

    1.1 振動系統響應分析

變速箱是由箱體、軸、軸承和齒輪等組成的,因此箱內存在多種激勵。主要有簡諧激勵、周期激勵和隨機激勵三種形式。其中軸承中的滾動體在通過負荷區時產生簡諧激勵,齒輪嚙合以及齒面節線衝擊和嚙合衝擊產生周期激勵,而由於軸承和齒輪的設計不當等原因則引起隨機振動。在小振動的情況下,可以假設為小阻尼中參數系統,故可從其振動微分方程中求得其時域響應。

鑒於建立變速箱的實際振動模型很困難,數學方程不容易建立起來,因此在工程上一般是分析其頻域響應。在線性系統中激勵和響應在功率譜圖上的關係如圖1所示,其中Fh為簡諧激勵的頻譜,Fs為周期激勵的頻譜,Fr為隨機激勵的頻譜。

 線性系統中激勵與響應在功率譜圖上的關係


對於線性系統,各激勵的線性疊加的響應等於各激勵單獨作用的響應疊加。變速箱內軸的旋轉、齒輪的嚙合等產生的都是周期性振動信號,在譜圖上有突出的峰值,隨機激勵看作是平穩和寬頻的,在譜圖上接近水平直線,並不影響對特徵頻率的識別。

    1.2 相干函數分析

兩個平穩隨機過程X(t)和Y(t)的相干函數為



γXY(f)為頻率f處對應輸入X(t)的輸出量的均方值在總輸出量均方值中所佔的比例。而1-γXY(f)則為其它不相關輸入所引起的比例。在實際分析中,相干函數是通過計算輸入信號和輸出信號的互功率譜與自功率譜得到的。在整個測量頻帶上,相干函數是標準化的,因而消除了感測器和感測通道的增益作用。

2 振動、雜訊測試及數據分析

    2.1 測試過程與儀器

測試的目的是拾取變速箱的振動及雜訊信號,實驗過程及儀器設備如圖2所示。實驗時,採用三向加速度感測器,由三維振動矢量全面反映檢測對象的振動狀態。感測器安裝在Ⅱ軸軸承座孔處,以獲得在徑向水平、徑向垂直和軸向三個方向的振動信號。將ND2精密聲級計置於距輸出軸軸端75-100cm處,以獲得雜訊信號。三路振動信號和雜訊信號由磁帶記錄儀記錄。示波器則用於監視實驗過程中各信號的狀態。所檢測變速箱有五個變速檔,模擬實際工況,我們測量其在各檔下的振動、雜訊信號和電壓。


變速箱振動雜訊測試系統框圖

   2.2 變速箱特徵頻率分析


齒輪、軸承和軸的故障占變速箱故障的90%。特徵頻率也就是軸頻、齒輪的嚙合頻率以及軸承的內外圈和滾動體的頻率。它們和諧頻、邊頻相結合,成為對故障判定的依據。圖3為BJ212型變速箱傳動簡圖,表1列出軸和齒輪嚙合的特徵頻率,其中輸入軸的轉速為2200rpm。

 BJ212型變速箱

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