（机械工程专业论文）阶次分析在齿轮变速箱故障诊断中的应用.pdf

摘要 摘要 汽车齿轮箱故障诊断仪的研制开发对于提高我国汽车齿轮箱的生产水平提 高具有重要的意义。振动理论分析的不断成熟与完善为齿轮箱故障诊断仪的开 发提供了坚实的理论基础。阶次分析是基于f f t 的一种时频转换谱分析，它是 变速旋转机械体振动分析的最重要的一种方法。 本文围绕上海汽车齿轮厂齿轮箱故障诊断仪开发这一项目，具体阐述了阶 次分析在齿轮箱故障诊断中的应用。同一般的齿轮箱故障诊断分析文章相比， 本文更注重实际现场问题分析，省去了大薰冗余的理论叙述，主要内容如下： 首先，通过绪论介绍了当前齿轮箱故障诊断常见的方法、l a b v i e w 编程语言以 及齿轮箱故障诊断中碰到的困难。其次，研究了阶次分析的理论基础，着重解 释说明了如何通过重采样和傅立叶变换得到阶次分析以及它和常见谱分析之间 的内在联系。第三，着重叙述了齿轮箱故障诊断中的数据采集系统，稳定、合 理、高速的数据采集系统是实现阶次分析的前提。第四，通过实际的现场分析 来说明阶次分析在齿轮箱故障诊断中能解决的一些问题。最后，总结回顾了阶 次分析的实现过程并展望齿轮箱故障诊断的发展方向。 综上所述，本论文的闪光点在于将l a b v i e w 测试编程语言和齿轮箱故障诊 断相结合，立足于生产线上新型齿轮箱快速在线故障诊断，通过阶次谱分析的 应用，将抽象的振动理论分析转化为实际齿轮箱故障诊断仪开发，为今后的齿 轮箱故障诊断仪开发提供重要的参考依据。当然，在这一过程中，不可避免地 遇到了更多、更具体的问题，这些都将在正文中详细叙述。 关键词：齿轮箱，阶次分析，快速傅立叶变换，l a b v i e w , 重采样 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fg e a r b o xo n l i n ed e f a u l td i a g n o s i ss y s t e mh a s g r e a ts i g n i f i c a n tm e a n sf o rt h ep r o m o t i o no ft h eg e a r b o xm a n u f a c t u r ec a p a c i t y t h e c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fv i b r a t i o na n a l y s i st h e o r yp r o v i d e sd i a g n o s i ss y s t e mw i t h a na v a i l a b l ea n da d e q u a t et h e o r yf o u n d a t i o n o r d e ra n a l y s i sb a s e do nf f ri sa t r a n s f o r mb e t w e e nt i m e d o m a i ns i g n a la n df r e q u e n c y d o m a i ns i g n a la n df u r t h e r m o r e ， i ti st h em o s ti m p o r t a n tv i b r a t i o na n a l y s i so fr o t a t i o n a lm a c h i n e r y t h i sa r t i c l eb a s e do nt h er e s e a r c ho fg e a r b o xo n l i n ed e f a u l td i a g n o s i ss y s t e m d e v e l o p m e n tw i l lp r o v i d eas p e c i f i ce x p l a n a t i o no ft h ea p p l i c a t i o no fo r d e ra n a l y s i s i nt h eg e a r b o xv i b r a t i o na n a l y s i s c o m p a r e dw i t ho t h e ra r t i c l e sr e l a t e dw i t hg e a r b o x v i b r a t i o na n a l y s i s ，i tp a ym o r ea t t e n t i o nt op r a c t i c a lp l a n tw o r k i n ga n dj u s tg i v ea c o n c i s et h e o r yd i s c f i p t i o n ，i t sm a i nc o n t e n ta r ea b o u t ：f i r s t ，i ti n t r o d u c es o m eu s u a l v i b r a t i o ns p e c t r u m ，l a b v m w , a n dt h ed i f f i c u l t i e se n c o u n t e r e dd u r i n gt h er e s e a r c h p r o g r a m s e c o n d ，t h ea r t i c l eg i v e su saw h o l ed i s c r i p t i o na b o u tt h eo r i g i n a t i o no ft h e o r d e ra n a l y s i sf r o mm a t h e m a t i cp e r s p e c t i v ea n dt h er e l a t i o n s h i pw i t ho t h e rs p e c t r u m t h i r d ，i te x p l a i n st h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，b e c a u s et h es m o o t ha n de f f i c i e n td a t a a c q u i s i t i o ni st h ep r e m i s eo f t h eo r d e ra n a l y s i s f o u r t h ，t h r o u g ht h er e a lp l a n to n l i n e d i a g n o s i ss y s t e m ，w ec a ng e tc o n c l u s i o na b o u tt h ec a p a c i t yo ft h eo r d e ra n a l y s i s f i n a l l y , i tp r o v i d es o m ec o n c l u s i o na n dd e v e l o p m e n to ft h eo r d e ra n a l y s i s i nc o n c l u s i o n ，t h ed i s t i n g u i s h i n gc o n t e n to ft h i s a r t i c l ei st h a ti t sm a i n e x p l a n a t i o na r em o s t l yf r o mn e wg e a r b o xq u i c ko n l i n ed i a g n o s i sa n di tt r a n s f o r m s t h ea b s t r a c tv i b r a t i o na n a l y s i st or e a ld e v i c et h r o u t ht h ea p p l i c a t i o no fo r d e ra n a l y s i s b a s e do nl a b v i e w , t h e r e f o r ei tw i l lb eag o o dr e f e r e n c ef o rt h er e l a t e di n s t r u m e n t s m a n u f a c t u r ea n dd e v e l o p m e n t d e f i n i t e l y , m o r es p e c i f i cd i f f i c u l t i e sw i l la p p e a r d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ew o r k ，a n dt h er e l a t e ds o l u t i o nw i l lb ea v a i l a b l ei nt h em a i n a f t i c l e k e y w o r d ：g e a r b o x ，o r d e ra n a l y s i s ，f 心l a b v i e w , r e s a m p l e i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和研究意义 1 1 1 课麓来源 本课题来源于正在进行的上海汽车齿轮厂与同济大学现代制造技术研究所 的合作、上海汽车基金会资助( 编号0 5 0 2 ) 项目新齿轮箱在线故障诊断仪 研制开发。 1 1 2 研究的目的及意义 汽车齿轮箱故障诊断水平的提高对于汽车齿轮箱的生产水平具有重要的意 义。目前，齿轮箱故障诊断大都处于局限于理论上的可行性分析，用于实际的 在线故障诊断不多。本论文的研究对象为型号0 4 3 b 的普桑系列的手动五档加 倒档变速齿轮箱。在生产线上一百多个零部件组成一台新的0 4 3 b 齿轮箱后， 主要要完成两项工作，第一是为齿轮箱注油，第二完成故障诊断，这两项工作 是在同一个台架上完成的。具体如下图所示： 图1 10 4 3 b 汽车齿轮箱 图1 2 齿轮箱校验台 故障诊断就是通过p l c 控制试验台架模拟实际开车环境，挂好档位，通过 p l c 控制，实现从零转速加到最大值，然后减速到2 0 0 r m 左右，荐换档检测。 在这一过程中，由操作人员听是否出现异常噪声等现象，并以此作为判断齿轮 箱好坏的依据。目前，大部分齿轮箱厂的故障诊断均是依靠工人的经验完成， 这就存在着很大的主观性和不规范性。为了提高齿轮箱故障检测的自动化生产 第1 章绪论 过程，研制新型快速在线齿轮箱故障诊断仪势在必行。 目前，各类基于振动分析的齿轮箱故障诊断学在理论上得到了较快地发展， 包括小波分析在内的故障诊断方法越来越多被应用于各种机械振动分析，但作 为在线快速齿轮箱故障诊断，这些方法在实际应用中的效果就会大打折扣。因 此，寻找更快、更简单、更准的谱分析方法是实现新型快速在线齿轮箱故障诊 断的关键，这也是本论文主要要解决的问题。 阶次分析是旋转体机械振动监测及故障诊断的最重要方法之一，因为转速 的波动会使频谱图上基频以及各次谐波分量变得模糊1 1 1 , 基于重采样原理的阶 次分析是实现信号从等时采样到等角度采样的一种信号处理方法，它主要能解 决因转速波动丽产生的谐波分量重叠所带来的困难，它是实现新型快速在线齿 轮箱故障诊断的基础，本文将对阶次分析在齿轮箱故障诊断中的应用作深入阐 述。 1 2 齿轮箱故障诊断的国内外研究现状及发展动态 齿轮箱是汽车中关键部件之一，齿轮箱的故障诊断也是当前国内外最热门 的研究课题之，且难度较大。故障诊断技术在企业的成功应用和因此带来的 巨大的经济效益促使人们不断研究和开发新的理论和技术，近三十年来，该领域 不断吸取现代科技发展的成果，从理论到实际应用都有了迅速的发展，至今己发 展成为集数学、力学、振动分析、信号处理、人工智能、电子技术等各个现代 科学技术于一体的新兴交叉科学，其研究的内容主要反映在以下四个方面：( 1 ) 故 障机理的研究，( 2 ) 故障信息处理的研究，( 3 ) 故障诊断方法研究，( 4 ) 监测、诊断仪 器和系统的开发与研究“1 。 早在一个世纪以前，人们就已经开始对齿轮箱的振动和噪声进行研究。但 直到六十年代中期，齿轮的振动和噪声问题才成为评价一个齿轮箱装置好坏的 重要因素，引起了世界的广泛关注。英国学者h o p t i z 在1 9 6 8 年就齿轮振动与 噪声的原理，发表了一些著名的研究曲线，阐述了齿轮箱的振动和噪声是传动功 率和齿轮传动误差及齿轮精度函数。另外，如美国的a u c k i n g h a m 和德国的 n i c m a n 也对齿轮箱的振动和噪声提出了自己的见解和看法。从7 0 年代初开始 出现了些简单的齿轮箱故障诊断，仅仅限于直接分析测量一些简单的振动参 数，用一些简单的方法诊断，但对齿轮箱故障诊断的灵敏度不高，诊断准确率 第1 章绪论 很低“1 。从7 0 年代末到8 0 年代中期，齿轮箱故障诊断的频域法发展很快，其 中b r a n d a l l 和j a m e s t a y l o r 等人做了很多有意的研究，积累了一些故障诊断成功 的实例，对齿轮箱磨损和齿轮箱齿轮断裂等故障诊断研究较为成功。处理和分析 故障机理研究和典型故障特征的提取诊断方法研究和人工智能的应用等几个 方面。信号的处理和分析方法也取得了相当大的发展，从传统的分析方法如时 域波形分析法、转速同步分析、功率谱分析、细化谱分析、相关分析、相干分 析、倒频谱分析、解调分析、瀑布图、伯得图到一些较新的分析方法如 w i g n e r - v i l l c 技术、优化h i l b c r t 解调、复调制带通滤波器调制、小波分析等时 域分析方法已开始得到应用，并取得了一定的效果，出现了一些新的分析方法。 当前齿轮箱的故障诊断方法很多，如振动诊断、噪声分析、扭振分析、油液分 析、声发射、温度及能耗监测等。齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时会产生 振动，若发生故障，其振动信号的能量分布就会发生变化，振动信号是齿轮箱 故障特征的载体。对其振动状况分析，可实现不停机操作状态下的故障诊断， 大大减少了由于停机所造成的巨大的经济损失，而且基于振动分析的故障诊断 系统性能可靠，价格便宜，操作简单方便，所以，振动诊断是一种行之有效的 方法，在我国及世界范围内得到了广泛的应用。 齿轮箱的故障，如齿轮点蚀、断齿、轴轻度弯曲以及滚动轴承的疲劳剥落 等，会产生周期性的脉冲冲击力，从而产生振动信号的调制现象，在频谱图上 表现为在啮合频率或固有频率两侧出现间隔均匀的调制边频带。因此，在齿轮 箱的故障诊断中，对调制信号进行解调是一项重要的工作。常用的方法有：希 尔伯特变换、广义检波滤波共振解调方法。目前齿轮箱故障诊断仍广泛采用h 呵 分析，频谱分析的精度对齿轮箱故障诊断而言是相当重要的。机械但由于离散 傅立叶变换的能量泄露导致频谱分析的误差，所以必须进行频谱校正。 机械工况监视与故障诊断技术的各种理论和方法研究最终都必须落实到具 体的监测诊断装置上，也就是说只有监测诊断仪器或系统的研制成功才能实现 真萨的经济效益。随着电子技术与计算机技术的发展，故障诊断装置和仪器已 经由最初的模拟式监测仪表发展到现在的基于微机的实时在线监测与智能故障 诊断系统和基于微机的便携式检测分析系统，这类系统一般具有强大的信号分 析与数据管理功能，能全面记录反映机器运行状态变化的各种信息，实现故障 的精确诊断。随着网络技术的发展，远程式分布监测诊断系统已经成为目前的 研究开发热点，但这其中涉及到更多的计算机实现技术。 第1 章绪论 1 3l a b v i e w 编程语言 n il a b v i e w 是一种图形化的编程语言，用于快速创建灵活的、町升级的 测试、测量和控制应用程序。它主要由前面板恤o n tp a n e l ) 和程序框图( h i o c k d i a g r a m ) 组成，其中前面板相当于虚拟仪器，盾面板就是程序框图。使用n i l a b v i e w 可以采集到实际信号，并对其进行分析得出有用信息，然后将测量结 果通过直观化的显示、报告和网络实现共享。无论您是否有相关经验，使用 l a b v i e w ，您都可以方便快捷地开发测量程序。在世界范围内，汽车、通信、 航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各领域均通过丑b v 瑾w 提高了应用开发的效率。涵盖了从研发、测试、生产到服务的产品开发所有阶 段1 4 | 1 5 | 。 选择l a b v i e w 开发测试和测量应用的一人决定性因素是其开发速度。通 常，使用l a b v i e w 开发应用系统的速度比使用其它编程语言快4 到1 0 倍。这 一惊人速度背后的原因在于l a b v i e w 易用易学，它所提供的工具使创建测试 和测量应用变得更为轻松。l a b v i e w 提供了强大的测量分析和信号处理工具， 可与l a b v i e w 数据采集、仪器控制和显示的功能紧密集成。分析工具可进行 常见的快速傅立叶变换、数字滤波、统计和联合时频分析，而各种面向应用程 序的工具包则可用于阶次分析、统计过程控制以及符合标准的声音和振动分析。 充分利用l a b v i e w 编程语占的优越性能实现阶次分析计算，也是文章的一大 亮点。本论文所有的频谱分析程序均采用l a b v i e w 编程，这也为l a b v i e w 学 习者提供了重要的学习价值。 1 4 本论文需要解决的难题 如前所述齿轮箱故障诊断在不断的发展过程中碰到一些具体的困难。而 0 4 3 b 新型齿轮箱在线快速诊断仪的开发同一般的齿轮箱故障诊断相比既有相 同的共性，也有一定的特性。丰要共性问题如下： ( 1 1 振动信号相当复杂，齿轮箱可以看作为质量弹簧组成的一个振动系统，齿 轮的弹簧刚度具有周期性变化的性质，制造装配误差、传动误差的存在和扭转 的变动形成激振力的作用下，齿轮会产生振动，此振动通过轴、轴承座传给齿 轮箱，轴承、轴等的振动也会传给齿轮箱，产生箱体的振动。同时，振动还以 轮箱，轴承、轴等的振动也会传给齿轮箱，产生箱体的振动。同时，振动还以 第1 章绪论 1 3l a b v i e w 编程语言 n il a b v i e w 是一种图形化的编程语言，用于快速创建灵活的、可升级的 测试、测量和控制应用程序。它主要由前面板( f r o n tp a n e l ) 和程序框图( b l o c k d i a g r a m ) 组成，其中前面板相当于虚拟仪器，后面板就是程序框图。使用n i l a b v i e w 可以采集到实际信号，并对其进行分析得出有用信息，然后将测量结 果通过直观化的显示、报告和网络实现共享。无论您是否有相关经验，使用 l a b v i e w ，您都可以方便快捷地开发测量程序。在世界范围内，汽车、通信、 航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各领域均通过l a b v i e w 提高了应用开发的效率。涵盖了从研发、测试、生产到服务的产品开发所有阶 段1 4 1 1 5 3 。 选择l a b v i e w 开发测试和测量应用的一大决定性因素是其开发速度。通 常，使用l a b v i e w 开发应用系统的速度比使用其它编程语言快4 到1 0 倍。这 一惊人速度背后的原因在于l a b v i e w 易用易学，它所提供的工具使创建测试 和测量应用变得更为轻松。l a b v i e w 提供了强大的测量分析和信号处理工具， 可与l a b v i e w 数据采集、仪器控制和显示的功能紧密集成。分析工具可进行 常见的快速傅立叶变换、数字滤波、统计和联合时频分析，而各种面向应用程 序的工具包则可用于阶次分析、统计过程控制以及符合标准的声音和振动分析。 充分利用l a b v i e w 编程语言的优越性能实现阶次分析计算，也是文章的一大 亮点。本论文所有的频谱分析程序均采用l a b v i e w 编程，这也为l a b v i e w 学 习者提供了重要的学习价值。 1 4 本论文需要解决的难题 如前所述齿轮箱故障诊断在不断的发展过程中碰到一些具体的困难。而 0 4 3 b 薪型齿轮箱在线快速诊断仪的开发同一般的齿轮箱故障诊断相比既有相 同的共性，也有一定的特性。主要共性问题如下： ( 1 1 振动信号相当复杂，齿轮箱可以看作为质量弹簧组成的一个振动系统，齿 轮的弹簧刚度具有周期性变化的性质，制造装配误差、传动误差的存在和扭转 的变动形成激振力的作用下，齿轮会产生振动，此振动通过轴、轴承座传给齿 轮箱，轴承、轴等的振动也会传给齿轮箱，产生箱体的振动。同时，振动还以 4 第1 章绪论 固体声和空气声的形式传播成为噪声。 ( 2 ) 齿轮箱升降速转动带来的频率叠代，齿轮箱设备是一种重要的旋转机械。 目前，应用于旋转机械故障检测的方法很多，但是能够清晰、准确、适应转速 变化的快速易行和可靠的故障检测诊断方法不多，因为，在转速的变化时会使 频谱图上转速的频率分量变得模糊，使得频谱图上的基频以及其各次谐波分量 的功率会分散在一连串的频率谱线上。这种被模糊了的转速频率分量将使其幅 值测量造成误差，使得传统的频谱分析难以获得有效效果 ( 3 ) 齿轮箱故障诊断的专家知识库很缺乏，知识库可靠性和推广性差。从分析 上可知，研究有效的故障诊断方法，分析故障机理，构建专家知识库，进行人 工智能分析、神经网络方面的探索是当前齿轮箱故障诊断的发展方向。 以上是一般齿轮箱故障诊断中遇到的主要问题，而0 4 3 b 新型齿轮箱在线 快速诊断的诊断对象为剐组装好的新齿轮箱，而且是在线快速诊断，因此它的 研发也就体现出一定的特性，具体如下： ( 1 ) 故障机理的不同，在生产线上刚组装好的齿轮箱的故障明显不同于长期使 用的齿轮箱。它的故障一般体现在加工和安装方面，同时故障出现率也较低， 故障特征相对来说也不是很明显，这也给故障诊断提高了难度。 r 在线故障诊断不同于一般的故障分析，它最大的特点是要在两分钟左右内 实现六档的全自动故障诊断，这就要求故障诊断系统有较好的自动识别模式和 较为良好的硬件数据采集、分析、存储性能，有关这方面的知识将在第三章重 点介绍。 本论文就是围绕解决这些齿轮箱故障诊断中的共性和特性问题而展开的。 1 5 本论文的主要研究内容 本论文围绕0 4 3 b 信号新型齿轮箱在线快速故障诊断仪整个开发过程，结合 阶次分析在齿轮箱故障诊断中的应用，重点介绍了阶次分析的实现过程，具体 内容如下： 第一章，绪论，主要介绍了齿轮箱故障诊断的原理以及国内外研究发展动态， 0 4 3 b 齿轮箱故障诊断中碰到的具体问题，这些简单的介绍为后面的 阶次分析在齿轮箱故障诊断中的应用的深入探讨作铺垫。 第二章，阶次分析的理论基础，这一章立足于齿轮箱振动信号谱分析计算原 第1 章绪论 理，从数学角度深刻探讨了阶次分析的由来与本质以及它与各类谱分 析之间的内在联系和区别。阶次分析的核心是重采样，为了读者能更 深刻地理解阶次分析，本章还提供了阶次分析的模拟程序，这些程序 都是通过l a b v i e w 来实现的。 第三章，齿轮箱故障诊断振动信号的采集系统。如前所述阶次分析十分依赖于 数据采集的前置处理，稳定、合理的信号采集系统是实现阶次分析的 前提，同时，人们也可以采用不同的采集途径实现信号采集，然后通 过对比分析，再根据现场情况选择最佳采集方法。本章通过0 4 3 b 齿 轮箱故障诊断系统大量的现场采集数据方案分析，来说明如何才能实 现稳定、合理的数据采集硬件和软件配置系统。 第四章，齿轮箱故障诊断实际谱分析对比，通过对比各类谱分析在提取齿轮箱 故障信号方面的能力，进一步说明阶次分析的优越性。 第五章，总结和展望，回顾阶次分析的实现过程，分析阶次分析的实际效果与 齿轮箱故障诊断的发展方向，总结本论文的刨新点。 6 第2 章阶次分析理论基础 2 1 引言 第2 章阶次分析的理论基础 判断一个齿轮箱是否符合标准有许多种方法，而新型齿轮箱在线快速故障 诊断要求系统具有较快的响应计算速度和比较完善的自动判断知识库，而且新 型齿轮箱出现故障的几率更小、更难识别。因此，在选择具体的谱分析算法之 前应先了解新型变速箱振动检测机理。目前，各类振动谱分析在齿轮箱的振动 谱分析中得到了较大的发展和应用，理解各类谱分析的数学内涵是选择谱分析 的前提。在各类谱分析中阶次分析是最适合旋转机械体振动分析的一种方法， 这是由它本身具有的数学内涵决定。最后，本章通过l a b v i e w 模拟程序来说明 阶次分析作为一种谱分析所具有的特性和共性。 2 2 新齿轮箱振动检测机理 2 2 1 新型变速箱与常见旧齿轮箱故障对比分析 新型变速箱和旧交速箱在故障出现的形式和原因上是有着明显的不同，因 此对于不同的变速箱采取的故障诊断的方法也有所不同。下面先对新旧变速箱 故障出现的形式和原因作简要的对比分析。 对于一般的旧变速齿轮箱，在长期运转中，由于载荷作用引起的疲劳应力、 或由于工作环境以及冲击载荷等影响，轴承和齿轮都将不可避免地出现一些故 障。以下是常见旧齿轮变速箱出现的故障类型及其原因： ( 1 ) 磨损这里的磨损是广义的磨损概念，但主要指磨料磨损、粘着磨损和 由此引起的擦伤和胶合。磨料磨损主要是外界的微粒进入轮齿啮合面。胶合是 由于载荷集中于局部的接触齿面上，油膜破坏或单位接触载荷过大。 f 疲劳包括初期点蚀、破坏性点蚀和最终剥落。初期点蚀是由齿面局部 凸起，局部承受较大载荷，受高频变应力作用：破坏性点蚀是由于局部点蚀引 起动载荷加大。齿面硬度低，齿面粗糙，润滑油粘度低引起的；剥落的出现是 第2 章阶次分析理论基础 轮齿的表层和次表层的缺陷以及热处理产生的过大内应力造成的。 ( 3 ) 变形包括压痕、起皱、隆起和犁沟。主要原因有受冲击载荷作用，啮 合不良致使齿面屈服和变形，齿度硬度低，润滑油粘度低。 ( 4 ) 断裂齿轮最严重的损伤形式，常常因此而造成停机。根据原因，可将 断裂分为疲劳折断、磨损折断、过载折断等，其中疲劳折断最为常见，它是由 于承受超过材料疲劳极限的反复弯曲应力而发生的。通常首先沿受力侧齿根角 内部产生裂纹，此后逐渐沿齿根或向斜上方发展丽致折断。折断的断面一般呈 成串的贝壳状轮廓线，其中可以见到比较光滑部分的会聚点。有的热加工裂纹 和磨削裂纹也会成为疲劳折断的起因。 ( 5 ) 气蚀主要由于润滑油中析出的气泡被压溃破裂，产生瞬时冲击力和高 温面产生冲蚀麻点。 ( 6 ) 点蚀由于电气设备传导至啮合齿廓的漏电流，产生火花放电，侵蚀齿 面产生电弧坑点。 以上是一般旧齿轮变速箱出现故障的常见形式及其原因，而一般刚组装好 的新齿轮变速箱故障大多是出现在齿轮本身的制造和装配质量上。因齿轮本身 的制造而引起的故障表现为轴弯曲、加工制造毛刺，在功率谱中一般出现在高 频区域：因装配出现的故障如安装偏心、不平衡、齿轮不对中安装误差等引起 的变频故障一般出现在低频区域。以下是新旧变速齿轮箱出现故障的常见形式 对比分析： 失娥形式一失效百分比一 齿轮疲劳破坏p4 弧p 轴零疲劳谈坏一 1 涨d 轴p 1 濞一 满油一 1 哺p 卡挣 3 _ p 其他， 1 和 表2 1 旧齿轮变速箱故障分析 失效形式一失效百分比一 齿轮制造缺陷一 5 嘣， 零部件安装误差一 3 0 9 p 轴、轴零制造缺陷p 10 i i o 漏油一 2 薯p 协 2 p 其他一 雠。 表2 2 新齿轮变速箱故障分析 ( 以上数据源自上海汽车齿轮厂) 通过上面的对比分析可以看出，相对于旧变速齿轮箱新变速箱在故障出现 的形式上相对集中，主要就是由齿轮制造或者轴、轴承、齿轮之间的安装误差 造成的，这就为新齿轮变速箱故障诊断提供了理论上的依据。一般的旧变速箱 由于工作环境的不同诱发的故障类型类型也是多种多样的，因此旧齿轮箱的故 第2 章阶次分析理论基础 障诊断主要还是靠人工检测来完成，要实现在线故障检测，查找故障位置是几 乎不可能的。新变速齿轮箱故障种类少，表现形式相对集中，只要通过测试多 个变速齿轮箱，找出特征信号的规律，建立合理的诊断知识库，就能成功实现 在线故障诊断。 2 2 2 新齿轮箱掇动检测机理 1 振动信号处理的基本原理 振动信号分析是了解设备运行状态和进行故障诊断的主要方法之一，其目 的是为了使信号所包含的重要信息显示出来，提取有效的故障特征。迄今，己 有多种信号交换方法应用于设备的故障诊断，其中傅立叶交换是使用最为普遍， 也最为成熟的一种。 在机械设备状态监测和故障诊断过程中，传感器的输出信号经采样和a d 转换为数字信号送入计算机后，经过预处理后交付给后面的应用程序使用。当 传感器输出的电信号较弱时需要放大，若传感器输出的电信号较强时需要衰减 以使电信号符合计算机可以采样的强度机械设备状态监测和故障诊断的过程首 先就是采样，以一定的采样频率采得振动信号中包括反映机械设备状态的真实 信号和混入的噪声信号。 随着微机技术的发展，最近d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 也在声音、 振动分析中得到了广泛地应用，这是由于d s p 具有快速计算能力的特点决定。 它对于很多在线故障诊断很有帮助，因为d s p 能减轻主机的计算量，从而提高 整个系统的判断识别能力。整个信号处理的结构框图如下所示： 图2 1 振动信号处理基本框图 上图的虚线部分就是添加了d s p 的处理系统，在振动信号分析中它经常用 来完成快速傅立叶变换( f f t ) 、信号放大等工作以减轻p c 的计算负担。但开 第2 章阶次分析理论基础 发d s p 模块周期长、难度大，一般要根据实际的测试工程来定。 2 新齿轮箱在线故障诊断原理 要判断一台新组装的变速箱是否符合生产标准有许多方法和途径，因为这 个判断标准本身就是人为定的，在质量上并没有绝对的好与坏之分，只能是跟 大多数的变速箱相比它是否符合标准。要实现这一过程只能通过不断的检测自 学习来完成，具体来说就是将测过的变速箱的关键参数存储起来作为判断的依 据，这就是它的故障诊断自学习过程。 同一般的固定传动比的齿轮箱故障检测不同，我们要检测变速箱的变速箱 分为一、二、三、四、五档和和倒档。由于振动信号的最终谱分析结果和每档 的转速具有密切的关系，因此通过台架上的编码器测得转速信号是前提条件。 同时我们必须分开检测每一个档位是否符合标准，所以换档信号也是必须的， 这样采集系统就分为三路，如下图所示： 振动传感器卜i 降噪、调理卜 信号 变速箱采集 计算机 _ - 实验台 - 转速信号h 降噪、调理卜+( 同步) l 曲e w 档位转换信号 图2 2 测试硬件采集系统 同图2 1 相比，测试系统并没有采用d s p 处理器，这是考虑诊断系统开发 的成本和可行性。如上图所示，将三路信号通过数据采集卡直接接到计算机上 将简化整个系统，但同时也对软件处理能力有了更高的要求。 如绪论所述。新变速齿轮箱在线故障诊断的基本要求就是通过振动谱分析 得到最简单的结果即变速箱是否符合生产标准，这就要求系统具有功能完善的 信号采集系统、信号处理系统、和数据存储系统。考虑到齿轮箱故障诊断仪是 在线自动操作系统，不仅要求整个仪器具有较强的分析与自动识别功能外，还 应具备较好的人机界面，以方便工人操作，这是不同于许多非在线齿轮箱故障 诊断的重要特点。其主要组成如下所示： 1 0 第2 章阶次分析理论基础 厂一一一用户界面 l 厂 l 一一一后台处理一一一一j 图2 3 诊断系统原理图 上图中的在线监测程序就是建立在阶次分析原理上的振动谱分析，同时为 了能确定故障出现的位置通过信号采样叠加平均将变速箱的振动信号主要分为 输入轴、中间轴和输出轴。p c 机既承担着程序分析计算工作，又承担着谱分析 结果显示，数据存储，故障判断工作，因此p c 机的性能很重要，这将在后面 详细叙述 2 3 常见谱分析方法 由于齿轮箱的信号频率成分比较复杂，单纯用一、两种谱分析方法很难发 现它的某些典型故障特征，从而作出漏判或误判的情况，因此对信号进行时域 和频域的综合分析是经常采用的一种方法。 2 3 1 时域分析 时域分析是指原始时域和包络时域的统计特征值分析。原始时域和包络时 域常用统计特征值包括均值、均方值、方差、均方根值、均方幅值、峭度、峰 值、峰峰值和峰值指标等。对于有限长度的离散时间序列x 1 ，x 2 ，x 3 ， x n ，这些统计特征值为： 均值 均方值 砌。! 专x i n 钉 x a 。! 粤筒z n 钉 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 第2 章阶次分析理论基础 方差 均方根值 均方幄值 峰值 最大差值 峰值指标 d t 三砉( 彤一洳) 2 o ；岳 硒s = 髓茄2 x p = m a xi x i i x p l = m a x x i m i n 船 c l ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 峰值、峭度与峰值指标通常是由振动加速度信号求得。而均方根值则由振 动速度信号求出，需对加速度信号经积分变换得速度信号后才能计算出来。由 于振动信号的原始时域均方值反映平均振动能量，峰值、峭度和峰值指标在一 定程度上反映出振动信号是否含有冲击成分：而包络时域均方值可直接反映出 振动信号包络大小，峰值、峭度和峰值指标则可直接反映出振动冲击信号的尖 锐程度。因此原始时域和包络时域特征值是故障诊断过程中判断故障的有无的 重要指标。在齿轮箱故障诊断过程中若时域各项指标与正常值相比均不超标， 则可以直接判断该齿轮箱工作正常，只有在出现超标的情况下才继续运用其它 方法进行故障分析。 2 3 2 频域分析 齿轮箱大多数故障的振动信号都会产生各轴转频、齿轮啮合频率成分幅值 的变化和不同形式的幅值调制现象。因此频域分析是齿轮箱故障诊断的重要手 段。频谱分析方法是在综合利用特征参数对齿轮箱进行简易诊断后，即判断齿 轮箱是否有故障。发现故障后，就应进一步通过振动信号的频率分析，以判明 故障的类别和原因。频谱分析法有诸多优点，这使其成为故障诊断中应用最多 的方法。频谱分析中最常用到的是幅值谱和功率谱密度函数，利用快速傅立叶 变换，假定x ( f ) = f 【x ( t ) 】 则有： 第2 章阶次分析理论基础 幅值谱为s ( 0 = i x ( 纠( 2 9 ) 功率谱为c = ( 0 - - x ( c ) x ( ol x ( f ) 1 2( 2 1 0 ) 另外，工程上常用分贝谱，即取功率谱的对数。总体上来说。齿轮箱的振 动频谱一般可分为低频、中频和高频三个频段。低频为轴频以下的频率范围， 齿轮本身的动平衡、轴的对中情况等常反映在这一频段内。中频段为轴频至啮 合频率这一范围，通常认为中频段与齿轮箱的低阶结构共振频率关系较大，实 际上中频段的影响因素很多，随齿轮箱结构及转速不同而不同。另外齿轮、轴 承的特征频率也可能出现在这一频段。啮合频率以上的频段为高频段，一般认 为高频段包含的信息较多。当齿轮有缺陷时，在其啮合传动过程中，缺陷会对 齿轮箱产生冲击，在振动信号上表现为幅值调制和频率调制现象出现，不同的 故障在频谱上有不同的表现，从频谱上识别故障，一般是根据啮合频率及其谐 频上的特征来识别，以下有几类常用的故障频谱识别方法。 1 ) 基频识别 设齿轮的齿数为z ，转速为n ，则其啮合频率为：f = z * n 6 0 。过去常以基频 分量的幅值变大作为发生故障的依据，但由于影响基频的因素很多，当故障不 够明显时，啮合频率幅值变化很小，往往难蛆识别出故障频率。 2 ) 频谱识别 根据谐频的间距来诊断，在分辨率较高的频谱上，常可以看到均匀的尖峰， 对应的频率之间有谐波关系，侧量其间隔可以判断故障的发生部位。 3 1 边频识别 边频识别是齿轮故障诊断中最常用的方法之。由于齿轮故障般会引起 信号的调制，通过识别频谱上边频的间距，可以知道引起调制的故障冲击频率， 从而可推故障的位置。但由于幅值调制和频率调制同时存在，边频往往变的复 杂，不对称，特别当存在多个调制源和低频调制时，直接识别边频往往很困难。 对于这种情况，我们可以应用f f t 方法解调出调频调幅信号的调制周期。细化 频谱技术的出现，使人们可以在频谱上将任意很小的局部频段细化，大大提高 了频谱的分辨率，从而解决了边频有时难以直接识别的问题。但细化谱的频带 很窄，一般只与频谱结合使用，即选择频段加以细化。 4 ) 细化谱分析 所谓细化( z o o m ) 是对信号频谱中某一频率段进行局部放大。现有的基于复 第2 章阶次分析理论基础 解析带通滤波器的是复调制细化选带谱分析算法，这种算法速度快、精度高。 细化分析能够大大提高分析频段的频率分辨率和频谱分析精度，是非常重要的 一种高精度谱分析手段。在齿轮箱故障诊断中细化谱主要用于分析振动速度信 号中各轴转频和轴承各组件通过频率等低频成分。 5 ) 倒频谱谱分析 在齿轮故障诊断的方法中，倒频谱方法具有特殊的优越性，特别是用在边 频识别上，它提供了频谱中周期结构如谐波族、边须的信息。对功率谱作倒频 谱变换其主要原因为在倒频谱上，可以较容易的识别信号的组成分薰，便于提 取其中我们关心的信号成分，在倒频谱中，有峰值的地方，是有边带造成的， 而峰值的倒频谱表示调制信号的周期大小，其倒数恰好为调制频率，该调制频 率是我们要寻找的故障信息。倒频率还可以消除路径对源的影响，使源和路径 分离，得到源的重要信息嘲，。 2 3 3 时域同步平均法 时域同步平均法是一种常见的信号处理方法，它是在混有噪声干扰的信号 中提取周期性信号的有效方法。它的基本原理是，系统采集一个输入信号和一 个时标信号，例如在齿轮故障诊断时，时标可以将某一齿轮轴的一整转定为脉 冲周期t ，输入信号即可以此周期分段采样再迭加平均，并经平滑输出。时域 平均法是从复杂信号中提取周期分量的有力工具。当随机信号中包含有确定性 的周期信号时，如果截取信号的采样时间等于周期性信号的周期，将所截得的 信号叠加平均，就能将该信号从随机信号、非周期信号以及与指定周期不一致 的其他信号中分离出来。至今，许多基于新的信号处理方法的齿轮故障分析技 术仍然依靠时域平均法来分离待诊断齿轮的啮合振动信号啪1 。 轿车齿轮变速箱是一个由很多零部件组成的复杂系统，在其组装完之后还 应进行检测。检测的方法是通过测量它的振动情况来确定它是否符合标准。在 变速器的实际运行过程中，通过加速度传感器测量所得的信号是极为复杂的， 原因主要有两个：一是因为变速器的构成零部件多，在实际的运行过程中它的 振源就非常多，不可能在变速箱的里面安装传感器来测量振动，只能通过与箱 体接触的传感器测得振动信号，也就是说测得的信号是经过箱体辐射的内部振 动信号，这就使得信号的提取分析变得很困难；二是因为变速器的检测包括五 档和倒档一共六档检测，也就是说每对齿轮每根轴的转速都在不停地变化，通 1 4 第2 章阶次分析理论基础 过传感器测得的信号就有可能发生振动频率重叠。以下是研究对象0 4 3 b 汽车 变速箱的结构示意图： 悼行瓣莉 _ - - - - - - - - - - - 一 图2 40 4 3 b 汽车变速箱的结构简图 变速箱主要由输入轴、中间轴和输出轴组成，其中中间轴和输出轴传动比 固定。以下是变速箱对应的主要零部件： 齿轮： 1 、主动轴一档齿轮2 、主动轴二档齿轮3 、主动轴三档齿轮4 、主动轴四 档齿轮5 、主动轴五档齿轮r 、倒档主动齿i n p u t 、输入 轴 1 、从动一档齿2 、从动二档齿 37 从动三档齿、 4 从动四档齿 57 、从动五档齿 r 、从动轴倒档齿o u p u t 、输出轴r 倒档惰轮 o u p u t 、从动锥齿轮 轴承l 档位齿轮滚针轴承： 主动四档滚针轴承主动三档滚针轴承主动五档滚针轴承 从动二档滚针轴承从动一档滚针轴承 其它轴承： 输入轴前滚柱轴承输入轴后滚柱轴承输入轴深沟球轴承 输出轴前滚柱轴承输出轴圆锥滚柱轴承o d 和均是差速器圆锥滚柱轴承 目前齿轮诊断中广泛使用的是箱体振动信号。这个信号中包含了每个齿轮 的啮合振动以及机器系统中其它振源的响应。当载荷稳定不变时，齿轮的啮合 振动信号基频及其高次谐波、调幅与调频包络等特征中包含了齿轮的故障信息， 是诊断齿轮故障的依据。但是，由于箱体振动信号中包含了各个齿轮啮合振动 第2 章阶次分析理论基础 以及整个机器系统中其它振动的响应，因此，如何将待诊断齿轮的啮合振动信 号从很强的噪声中分离出来，是齿轮诊断的关键所在。对信号直接进行频域、 时频域分析或多分辨分析，往往得不到好的效果。 时域平均法具有良好的噪声抑制能力，但是，由于受到同步处理过程以及 信号传递过程的影响，在抑制噪声的同时，部分有用信号尤其是信号中的高频 分量也在一定程度上受到抑制。对齿轮信号的特定周期，总是取齿轮的旋转周 期。通常的做法是，在测取齿轮箱振动加速度的同时，记录一个转速同步脉冲 信号。随着平均次数的增加，齿轮旋转频率及其各阶倍频成分保留，而其他噪 声部分相互抵消趋于消失，由此可以得到仅与被检齿轮振动有关的信号。 如果一信号x ( 1 ) 由周期信号y ( t ) 和白噪声n ( t ) 组成：x ( t ) = y ( t ) + n o ，我们以 y ( 0 的周期去截x ( t ) ，共截得n 段，然后将各段对应点相加，由于白噪声的不相关 性可得到： x ( t i ) = y ( t i ) + n ( t i )( 2 1 1 ) 再对) ( ( t i ) 平均，便得到输出信号y ( t i ) y ( t i ) = y ( t i ) + n ( t o l 万 ( 2 1 2 ) 此时输出的白噪声信号是原来输入信号x ( t ) 中的白噪声信号的1 鬲，因此信噪 比将提高。实现时域平均法基本原理如下所示 2 4 1 0 ， 脯一 图2 5 时域平均法 结合上面的理论分析，将变速器主要分为三根轴和相应的齿轮，这样整个 变速器的振动就主要分为三根轴以及相关零部件的振动和箱体的振动。先利用 编码器和计数器算得输入轴的转速，然后根据传到比算得每根轴的转速，每根 轴的转速频率就是相应的基频，从而分解了整个复杂的振动信号，解决了前面 所分析的不可能用一个传感器测定变速箱内部振动信号的问题。在确定某一齿 轮箱有故障的前提下，就可以根据谱分析故障位置以确定实际的物理故障位置， 第2 章阶次分析理