齒輪故障診斷常用信號分析處理方法

1、.齒輪故障診斷常用信號分析處理方法振動和噪聲信號是齒輪故障特征信息的載體，目前能夠通過各種信號傳感器、放大器及其他測量儀器，很方便地測量出齒輪箱的振動和噪聲信號，通過各種分析和處理，提取其故障特征信息，從而診斷出齒輪的故障。    以振動與噪聲為故障信息載體來進行齒輪的精密診斷，目前常用的信號分析處理方法有以下幾種：    (1)時域分析方法，包括時域波形、調(diào)幅解調(diào)、相位解調(diào)等；    (2)頻域分析，包括功率譜、細化譜；    (3)倒頻譜分析；    (4)時頻域分析方法，包括短時FFT，維

2、格納分布，小波分析等；    (5)瞬態(tài)信號分析方法，包括瀑布圖等。    上述各種信號分述處理方法前面均已介紹，在此僅針對齒輪振動的特點介紹其中最常用的幾種分析方法。    一、頻率細化分析技術(shù)    由于齒輪的振動頻譜圖包含著豐富的信息，不同的齒輪故障具有不同的振動特征，其相應(yīng)的譜線會發(fā)生特定的變化。    由于齒輪故障在頻譜圖上反映出的邊頻帶比較多，因此進行頻譜分析時必須有足夠的頻率分辨率。當邊頻帶的間隔（故障頻率）小于分辨率時，就分析不出齒輪的故障，此時可采用頻率細化分析技術(shù)提高分辨率。

3、以某齒輪變速箱的頻譜圖見圖1(a)為例，從圖中可幾以看出，在所分析的0 2kHz頻率范圍內(nèi)，有14階的嚙合頻率的譜線，還可較清晰地看出有間隔為25Hz的邊頻帶，而在兩邊頻帶間似乎還有其他的譜線，但限于頻率分辨率已不能清晰分辨。利用頻譜細化分析技術(shù)，對其中9001 100Hz的頻段進行細化分析，其細化頻譜如圖1 (b)所示。由細化譜中可清晰地看出邊頻帶的真實結(jié)構(gòu)，兩邊頻帶的間隔為8. 3Hz，它是由于轉(zhuǎn)動頻率為8.3Hz的小齒輪軸不平衡引起的振動分量對嚙合頻率調(diào)制的結(jié)果。本例表明，用振動頻譜的邊頻帶進行齒輪不平衡一類的故障診斷時，必須要有足夠的頻率分辨率，否則會造成誤診或漏診，影響診斷結(jié)果的準確

4、性。    二、倒頻譜分析    對于同時有多對齒輪嚙合的齒輪箱振動頻譜圖，由于每對齒輪嚙合都將產(chǎn)生邊頻帶，幾個邊頻帶交叉分布在一起，僅進行頻率細化分析有時還無法看清頻譜結(jié)構(gòu)，還需要進一步做倒頻譜分析。倒頻譜能較好地檢測出功率譜上的周期成分，通常在功率譜上無法對邊頻的總體水平作出定量估計，而倒頻譜對邊頻成分具有“概括”能力，能較明顯地顯示出功率譜上的周期成分，將原來譜上成族的邊頻帶譜線簡化為單根譜線，便于觀察，而齒輪發(fā)生故障時的振動頻譜具有的邊頻帶一般都具有等間隔（故障頻率）的結(jié)構(gòu)，利用倒頻譜這個優(yōu)點，可以檢測出功率譜中難以辨識的周期性信號。 圖1

5、60; 齒輪振動信號的頻譜分析     圖2 (a)是某齒輪箱振動信號的頻譜，頻率為0 20kHz ,譜線數(shù)4000其中包含嚙合頻率 （4 . 3kHz）及其三階諧頻成分。由于頻率分辨率太低(50Hz )，頻譜上沒有分解出邊頻帶，圖(b)是對圖(a)中的3.513. 5kHz頻段內(nèi)細化至2000譜線的頻譜。譜中包含前三階嚙合頻率的諧頻，但不包含齒輪旋轉(zhuǎn)頻率的低階譜波。由于分辨率較高（5Hz )，可以看到很多邊頻成分，但仍很難分辨出它們的周期。將圖（b)中7.59.5kHz頻率展開作橫向放大，得到圖（C)，可以看到以旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻帶。圖(d

6、)是由圖（b)而得到倒頻譜。倒頻譜上清楚地表明了對應(yīng)于兩個齒輪旋轉(zhuǎn)頻率（85Hz和50Hz）的兩個倒頻分量A1（118ms）和B1（20. 0ms），而在功率譜上卻難以分辨出來。圖2  用倒頻譜分析齒輪箱振動信號中的邊頻帶1-嚙合頻率；2，3-高次諧波；A1A5一周期為11$ms諧波；B1 B3-周期為20ms諧波    倒頻譜的另一個主要優(yōu)點是受信號傳遞路徑影響較小，這一優(yōu)點對于故障識別極為有用。圖3是兩個傳感器在齒輪箱上不同測點的分析結(jié)果。可以看到，由于傳遞路徑不同，二者的功率譜也不相同。但在倒頻譜上，由于信號源的振動效應(yīng)和傳遞途徑的效應(yīng)分離開來，代

7、表齒輪振動特征的倒頻率分量幾乎完全相同，只是低倒頻率段存在由于傳遞函數(shù)差異而產(chǎn)生的影響。由此可見，在進行倒頻譜分析時，可以不必考慮信號測取時的衰減和標定系數(shù)所帶來的影響。圖3  故障信息在功率譜和倒頻譜中明顯性比較    如前所述，在齒輪箱的振動中，調(diào)頻和調(diào)幅的同時存在及兩種調(diào)制在相位上的變化使邊頻具有不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性給在功率譜上識別邊頻造成不利影響。而在倒頻譜上，代表齒輪調(diào)制程度的幅值不受相位變化的影響，這也是倒頻譜分析的優(yōu)點之一。    三、瀑布圖分析法    除了倒頻譜分析方法外，前述瀑布圖分析方法也可

8、以在齒輪箱故障診斷中應(yīng)用。改變齒輪箱輸人軸的轉(zhuǎn)速并作出相應(yīng)的振動功率譜，就可以得到瀑布圖。在瀑布圖上，可以清楚地觀察到，有些譜峰的位置隨輸人軸轉(zhuǎn)速的變化而偏移，它們一般屬于齒輪強迫振動的頻率；而有些譜峰的位置始終不變，不隨輸入軸轉(zhuǎn)速的變化而改變，這種譜峰就屬于由共振所引起的，這種共振可能是齒輪傳動系統(tǒng)共振，也可能是箱體共振，繪制瀑布圖一般需要有20以上的轉(zhuǎn)速變化。    四、時域同步平均法    從齒輪振動中取出嚙合頻率成分，將它同齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率同步相加、平均，這種方法叫時域同步平均法。這種方法對診斷齒輪局部異常并確定其位置非常有效。因為異常嚙合時，沖

9、擊振動的振幅要比其他齒的大，所以曲線上幅值最大的峰值位置即是異常齒的位置。其分析原理如圖4所示。圖4  同期時域平均法    同期時域平均需要保證按特定整周期截取信號。對齒輪信號的特定周期，總是取齒輪的旋轉(zhuǎn)周期。通常的做法是，在測取齒輪箱振動加速度的同時，記錄一個轉(zhuǎn)速同步脈沖信號。在作信號的時域平均時，以此脈沖信號來觸發(fā)A /D轉(zhuǎn)換器，從而保證按齒輪軸的旋轉(zhuǎn)周期截取信號，且每段樣本的起點對應(yīng)于轉(zhuǎn)軸的某一特定轉(zhuǎn)角。    隨著平均次數(shù)的增加，齒輪旋轉(zhuǎn)頻率及其各階倍頻成分保留，而其他噪聲部分相互抵消趨于消失，由此可以得到僅與被檢齒輪振動有關(guān)的信號。    經(jīng)過時域平均后，比較明顯的故障可以從時域波形上反映出來，如圖5 (a)所示。圖（a）是正常齒輪的時域平均信號，信號由均勻的嚙合頻率分量組成，沒有明顯的高次諧波；圖5(b)是齒輪安裝對中不良的情形，信號的嚙合頻率分量受到幅值調(diào)制，但調(diào)制頻率較低，只包含轉(zhuǎn)頻及其低階諧頻；圖5（c）是齒輪的齒面嚴重磨損的情況，嚙合頻率分量嚴重偏離正弦信號的形狀，故其頻譜上必然出現(xiàn)較大的高次諧波分量，由于是均勻磨損，振動