汽车变速器轴承的故障诊断方法

1、基于循环谱分析的汽车变速器轴承故障诊断摘 要：利用二阶循环谱对6种不同间隙和滚道表面状态下的汽车变速器轴承振动信号进行了分析。在循环频率频率平面内搜索特征频率面，对特征频率面内的幅值进行累加，提取出汽车变速器轴承故障特征。试验与分析结果表明，利用二阶循环谱理论能有效地提取汽车变速器轴承振动信号的故障特征。关键词：汽车变速器轴承； 二阶循环谱； 故障诊断在滚动轴承、齿轮等复杂零部件故障的振动信号中，由于故障发生时所产生的冲击作用，普遍存在调制现象，给信号分析和处理带来困难。特别是当调制源信号微弱并被其他成分淹没时，提取特征信号存在更大困难。实际上，旋转机械的振动信号含有大量随机和周期成分，统计特

2、性( 如相关函数) 是随时间变化的，属于非平稳信号1。一般情况下，这类信号的非平稳性常表现为统计特性的周期性，是特殊的非平稳信号，即循环平稳信号2。循环平稳信号都具有一种共同的性质，在特定的采样周期条件下具有遍历性，充分利用这一特性有利于将这类信号和其他非平稳信号区别开来。一般来讲，时变信号不具有遍历性，其统计量，如时变相关函数、时变功率谱等就不能利用单次信号观测记录进行估计，但循环统计量却可以，而且由循环平稳信号获得的各种统计量可以抑制平稳有色噪声，高阶循环统计量还可以抑制非平稳的高斯有色噪声3。在工程实际中有大量的循环平稳信号，如汽车发动机的振动信号、汽车变速器轴承振动信号等均具有循环平稳

3、特性。国内外许多科技工作者使用循环谱理论分析处理发动机非稳态信号，有效地提取了发动机各个主要机械配合副的故障特征。例如文献4中，作者采用二阶循环谱方法有效地提取了发动机曲轴轴承故障的特征参数。本文利用循环统计理论分析汽车变速器轴承振动信号中的二阶统计特性，通过在循环谱模域内进行搜索，提出了二阶循环谱特征频率面的概念，并对其幅值累加量进行比较，有效地提取了变速器轴承振动信号的故障特征。1 循环平稳信号处理技术11 循环自相关函数假设是一个零均值的非平稳信号，的( 时变) 相关函数定义为 (1)式中: 为时间滞后；为数学期望。若的统计特性具有周期为的周期性，可以对过程以为周期进行采样，即采样时刻为

4、: ，则这样的采样值显然满足遍历性4，因而可以用样本平均来估计相关函数，即 (2)其中，是周期函数，可以用Fourier级数将其展开，得 （3）令，且Fourier系数为 （4）则 （5）称为循环自相关函数，即频率为的循环自相关强度。把 0的频率称为信号的循环频率，因为零循环频率对应于信号的平稳部分，所以只有非零的循环频率才能刻画出信号的循环平稳性5。12 循环谱密度及计算信号的自相关函数和功率谱密度函数是描述信号二阶统计量的重要特征参量6。信号的循环自相关函数的Fourier 变换，即 (6)称为循环谱密度或谱相关密度函数( 简写为CSD) 。在实际工程中，常用循环周期图法来计算循环谱密度，

5、过程如下:1) 先对信号做时间长度为的Fourier变换，则有则有 (7)2) 定义循环周期图为 （8）循环周期图不是循环功率谱的一致估计，即，其中是的真实循环功率谱。但循环周期图是循环功率谱的渐进一致估计7，即 (9)实际应用中，采用较多的数据点来近似计算循环功率谱。1.3 仿真分析设仿真信号为（10）式中: = 4 Hz；= 7 Hz；= 15 Hz；= 200 Hz;= 50 Hz。该信号有3 个调制源(，)和2 个载频(，)。图1为其二阶循环谱三维图。从图中可以看到，在循环频率=4 Hz，7 Hz，15 Hz 时，分别出现了峰值。图1 中未标记的峰值是3 个调制源(，)的2 倍频以及它

6、们的交叉项。图1 仿真信号二阶循环谱三维图2 汽车变速器轴承振动信号二阶循环谱分析21 振动信号的采集为了能获得与实际车辆运行工况一致的振动信息，从大修厂收集了许多堪用的或刚从车上更换下来的变速器第2 轴后轴承( 1700 轴承) ，从中选择6 个作为试验样品，各轴承的技术状况见表1。表1 1700 轴承技术状况项目123456轴向间隙/mm0.580.750.430.390.300.25径向间隙/mm0.170.090.070.0610.050.3滚道表面状况光滑光滑光滑轻微疲劳剥落光滑新轴承为减少其他因素影响试验的正确性，更换轴承时，尽量保持其他条件不变。更换轴承后，为了减少安装带来的误差

7、，变速器走合10 min 后再进行振动信号测试。加速度传感器安放在变速器侧方离试验轴承最近的位置。振动信号采集如图2示。1 变速器; 2 振动加速度传感器; 3 示波器; 4 带通滤波器; 5 A /D变换器; 6 计算机图2 变速器振动信号测试示意试验中，发动机转速为1500 r/min (25 Hz) ，变速器挂直接挡，采样频率为914 Hz，采样点数为2048。22 振动信号的分析处理图3为变速器轴承各种技术状况下的振动信号时域波形图，图3 1 6 号轴承振动信号时域分别对其进行二阶循环谱分析。1号轴承二阶循环谱三维图如图4所示图4 1 号故障轴承二阶循环谱4号轴承二阶循环谱三维图如图4

8、所示图5 4号新轴承二阶循环谱6号轴承二阶循环谱三维图如图6所示图6 6号新轴承二阶循环谱从图中可以明显看出，轴承振动信号的能量主要集中在低频部分。本文首先在特殊频率处( 25 Hz及其半倍频与倍频) 对循环频率进行扫描，发现结果并不明显。因此，本文提出了循环谱特征频率面搜索法，即对某一频率面内的幅值进行累加，如果累加值反映了轴承的技术状况的变化，就认为该平面为轴承故障信号的循环谱特征频率面。搜索方法为f 为某一定值，沿方向搜索时，如果特征频带为到，可以得到长为到频带宽度、宽为57 Hz 的矩形平面，其左下角坐标为(，)，其右上角坐标为(，)。再对平面内的幅值进行累加比较，如果累加值反映了故障

9、状况的变化，即可认为是循环谱特征频率面( 简称特征面)。按照此搜索方法，得到轴承技术状况对应的特征面(见表2) 。 表2 特征频率面分布情况 幅值/V2轴承编号径向间隙 轴向间隙 滚道表面状况=014Hz=057Hz=07Hz=57114Hz=1421Hz=57114Hz=028Hz=114171Hz1276504219317721960212380666045271431034379376629311325043482175214281488052112454369114606380625011340从表2 可以看出，当频率为057 Hz，为014 Hz时，随着轴承径向间隙的增大，特征面内的

10、幅值累加值呈现出线性增加的趋势; 当频率为57114 Hz，为07 Hz 和1421 Hz 时，特征面内幅值累加值随着轴承轴向间隙的增大而增大; 当频率为114171 Hz，为0 28 Hz时，随着轴承径向间隙的增大，特征面内的幅值累加值也越来越大，表现了良好的线性关系。4 号轴承特征面内幅值累加值却比3 号轴承大，这是由于4 号轴承滚道有轻微疲劳剥落。通过以上分析可知，=057 Hz，= 014 Hz是轴承径向间隙故障的特征面；=57114 Hz，= 07 Hz 和=1421 Hz 特征面反映了轴承轴向间隙故障; =114171 Hz，=028 Hz是轴承径向间隙和滚道剥落的特征面。3 结论

11、1) 利用二阶循环谱特征频率面搜索法能有效提取汽车变速器轴承故障特征，通过搜索，可分别找到反映轴承径向间隙、轴向间隙和滚道表面状况的特征频率面。2) 在汽车变速器轴承故障诊断中，二阶循环谱特征频率面搜索法比循环频率扫描法更有效，稳定性更好。参考文献:1 李力，屈梁生 循环统计量方法在滚动轴承故障诊断中的应用J 振动、测试与诊断，2003，23( 2) : 116 1192 肖云魁，曹亚娟，吴晓，等 用循环谱理论分析柴油机曲轴轴承加速振动信号J 振动、测试与诊断，2008，28( 2) : 117 1213 李会梁，程广涛，付钰，等 汽车传动轴故障的二阶循环谱分析J 军事交通学院学报，2008，10( 3) : 48 514 肖云魁 汽车故障诊断学M 北京: 北京理工大学出版社，2006: 199 2105 张贤达，保铮 非平稳信号分析与处理M 北京: 国防工业出版社，1998: 20 256 姜鸣，陈静，秦恺，等 循环周期图在滚动轴承故障诊断中的应用J 机械科学与技术，2002，21( 1) : 108 110