振　动　与　冲　击第18卷第2期JOU RNAL O F V I BRA T I ON AND SHOCK V o l.18N o.21999　变速箱噪声的频谱分析与故障诊断卢学军　魏　智(浙江大学机械系,杭州　310027)摘　要　应用振动、噪声信号频谱分析和相干函数分析技术,从理论上说明变速箱故障诊断的依据。

检测了一台噪声严重超标的实际变速箱系统,得到其三向振动和噪声信号。

综合分析了实测信号及其计算机数据处理结果,从而得出检测对象出现强烈噪声的主要原因在于其中一对啮合轮发生“嗑碰”。

关键词:变速箱,噪声,振动,故障诊断,相干分析中图分类号:TH170　引 言变速箱的变速、储能、增加扭矩等作用,使它成为动力机械中应用十分广泛的通用部件之一。

它的工作是否正常涉及到整台机器或机组的工作性能。

变速箱的工作形式和结构复杂性,又使得它容易引发故障。

因此,变速箱的质量检测在动力机械工程中占有重要的地位。

本文运用故障诊断技术分析变速箱出现故障的原因。

实施故障诊断技术的首要步骤是获得反应检测对象运行状态的诊断信息。

在动力机械工程中,获得诊断信息的常用方法有直接观察法、振动噪声检测法、磨损残留物检测法和运行性能监测法等[1]。

对变速箱而言,振动和噪声信号是故障诊断的重要信息。

变速箱的噪声水平可以从客观上反映变速箱的工作状态,而成为其质量检测的指标之一。

在设计变速箱时,就规定了其噪声标准。

声与振动紧密地联系在一起,是源与流的关系。

因振动而发声的物体即是声源,当振动以波的形式在弹性媒质中传播时,便形成声波。

噪声是人类不希望听到的声音,是一种环境污染,会对人造成生理和心理的危害。

因而,对噪声的监测、诊断和控制是多门学科尤其是机械工程研究的重要课题。

变速箱在工作中,内部构件,如齿轮、轴承等,不断产生振动冲击。

当有故障存在时,其振动强度增大,噪声水平超标。

本文根据振动和噪声谱,利用相干函数分析,结合实验手段,分析了一台BJ212型变速箱噪声超标的原因。

1　变速箱振动系统响应及相干函数1.1　振动系统响应分析变速箱是由箱体、轴、轴承和齿轮等组成的,因此箱内存在多种激励。

主要有简谐激励、周期激励和随机激励三种形式。

其中轴承中的滚动体在通过负荷区时产生简谐激励,齿轮啮合以及齿面节线冲击和啮合冲击产生周期激励,而由于轴承和齿轮的设计不当等原因则引起随机振动。

在小振动的情况下,可以假设为小阻尼中参数系统,故可从其振动微分方程中求得其时域响应。

鉴于建立变速箱的实际振动模型很困难,数学方程不容易建立起来,因此在工程上一般是分析其频域响应。

在线性系统中激励和响应在功率谱图上的关系如图1所示,其中F h为简谐激励的频 收稿日期:1998-06-24 修改稿收到日期:1998-11-03 第一作者　卢学军　女,硕士,讲师,1968年11月生。

谱,F s 为周期激励的频谱,F r 为随机激励的频谱。

图1　线性系统中激励与响应在功率谱图上的关系 对于线性系统,各激励的线性叠加的响应等于各激励单独作用的响应叠加。

变速箱内轴的旋转、齿轮的啮合等产生的都是周期性振动信号,在谱图上有突出的峰值,随机激励看作是平稳和宽带的,在谱图上接近水平直线,并不影响对特征频率的识别。

1.2　相干函数分析两个平稳随机过程X (t )和Y (t )的相干函数为 Χ2X Y (f )= S X Y (f ) 2S X (f )S Y (f )ΧX Y (f )为频率f 处对应输入X (t )的输出量的均方值在总输出量均方值中所占的比例。

而1-ΧX Y (f )则为其它不相关输入所引起的比例。

在实际分析中,相干函数是通过计算输入信号和输出信号的互功率谱与自功率谱得到的。

在整个测量频带上,相干函数是标准化的,因而消除了传感器和传感通道的增益作用。

2　振动、噪声测试及数据分析2.1　测试过程与仪器测试的目的是拾取变速箱的振动及噪声信号,实验过程及仪器设备如图2所示。

实验时,采用三向加速度传感器,由三维振动矢量全面反映检测对象的振动状态。

传感器安装在 轴轴承座孔处,以获得在径向水平、径向垂直和轴向三个方向的振动信号。

将ND 2精密声级计置于距输出轴轴端75-100c m 处,以获得噪声信号。

三路振动信号和噪声信号由磁带记录仪记录。

示波器则用于监视实验过程中各信号的状态。

所检测变速箱有五个变速档,模拟实际工况,我们测量其在各档下的振动、噪声信号和电压。

图2　变速箱振动噪声测试系统框图2.2　变速箱特征频率分析图3　BJ 212型变速箱传动简图(正视图) 统计资料表明[2],齿轮、轴承和轴的故障占变速箱故障的90%。

特征频率也就是轴频、齿轮的啮合频率以及轴承的内外圈和滚动体的频率。

它们和谐频、边频相结合,成为对故障判定的依据。

图3为BJ 212型变速箱传动简图,表1列出轴和齿轮啮合的特征频率,其中输入轴的转速为2200rpm 。

67 振　动　与　冲　击 1999年第18卷表1　轴频与齿轮的啮合频率(Hz )传动比i g各轴的转动频率啮合频率 15 2918 2915 1822 243.115( 档)1.772( 档)3.733(倒档)36.736.736.719.019.019.011.820.79.8015.815.815.8550.5550.5550.5342.4284.2284.4284.4284.4455.42.3　振动、噪声谱及相干函数分析诊断对象即BJ 212型变速箱有五个档位,设计噪声指标为空档89.5dBA 、 档90dBA 、 档90dBA 、 档88dBA 和倒档91dBA 。

本文所检测的变速箱噪声明显超标,其倒档时的噪声达到97dBA ,故需对在各档下测得的振动和噪声信号进行谱分析以及相干函数分析,寻找故障原因。

本文以倒档时的振动、噪声谱和相干函数分析为例,将实验测得的变速箱振动、噪声信号经专门设计的计算机程序进行处理后,得到测试点处三个方向的振动频谱图(图4～图6)、噪声信号的频谱图(图7)和相干函数图(图8)。

其中,采样频率为2000H z ,采样点数为1024,实测的输入轴转速是2226rpm 。

在图4～图6中,纵坐标为各振动加速度自(功率)谱与幅值1g 、频率50H z 的简谐加速度之自谱的比值,图7的纵坐标为声级计输出电压信号幅值。

由于理论上的电机转速与实际值总有差别,以及其它不可避免的测试和计算误差,使得谱图上的特征频率与相应的理论值并不能精确吻合。

在图4所示的振动频谱图上,轴频及Z 15 Z 29啮合频率分别为19.44H z (理论值为19H z )和558.9H z (理论值为550.57H z )。

从图7所示的噪声谱图中看到,中频噪声能量较强,尤以558.9H z 及其边频处的幅值最为突出。

说明该频率分量在总噪声中贡献较大,其原因需结合声源(变速箱)具体结构特点进行分析。

图4　径向垂直振动频谱图 图5　径向水平振动频谱图图6　轴向振动频谱图 图7　轴端噪声谱图　77第2期 卢学军等:变速箱噪声的频谱分析与故障诊断 图8　径向垂直振动与噪声的相干函数 图8所示径向垂直振动与噪声之间所做的相干函数表明,在558.9H z 处,相干系数为0.795,噪声中的这个主要成分是由Z 15 Z 29这对齿轮的啮合引起的,而这对啮合齿轮引发强烈噪声的原因,可以通过对振动频谱图的分析得到。

由图4～6可以看出,虽然所测的是同一点的振动,其频谱图所包含的信息却是有所不同。

相干函数表明,特别是在径向垂直振动的谱图上,明显地出现了 轴的轴颈f 2及其高次谐频2f 2、3f 2、…。

同时我们还注意到,三个方向振动的频谱图包含有相同的信息,即在啮合频率558.9H z 两边具有明显的边频带,而且边带族以558.9±n ×19.44H z 比较突出,而其它边带族并不明显。

实际上的 、 档下这些特征反映的同样十分明显[3]。

这都说明 轴的轴频是一个调制源,表明故障发生在该轴上。

轴的不对中或Z 29这个齿轮出现损伤可引起以上故障。

谱图上轴承的特征频率并不突出,说明轴承的振动对噪声贡献不大,亦即故障并不来自轴承。

本文检测后经有关人员对测试对象开箱检验,发现Z 29这个齿轮有一齿出现明显损伤。

3　结 论本文以噪声作为故障症状,通过相干函数分析确定相关的振动信号,从而由振动信号的频谱特征分析故障原因,实验表明这种方法能够建立故障征兆空间与故障状态空间的映射,故具实际效果。

振动和噪声的谱分析作为一种传统的分析手段,其丰富的诊断事例还为诊断专家系统提供了丰富的专家知识,从而决定性地提高专家系统的水平。

所以,基于相干理论的针对性实验研究,对于现代故障诊断理论在工程实际中更好地发挥其作用有着重要意义。

参　考　文　献1　郭文璜.机械工程中的噪声测试与控制.北京:机械工业出版社,19932　崔宁博.设备诊断技术.天津:南开大学出版社,19883　卢学军.变速箱噪声的故障诊断:[学位论文].河北工学院,1994(上接第38页)参　考　文　献1　O u J P ,W u B ,T su T S .R ecent advances in research on and app licati ons of passiveenergy dissi pati on sys 2tem s .地震工程与工程振动,1996,16(3):72-962　L ei pho lz H H E ,A bdel 2Rohm an M .Contro l of structures ,M artinus N ijhoff ,Do rdrent ,19863　W arbuton G B ,A yo rinde E O .Op ti m um abso rber param eters fo r si m p le system s ,Earthquake engineering andstructural dynam ics ,1980,8:197-2174　T sai H C ,L in G C .Op ti m um T uned 2M ass D ampers fo r m ini m izing steady 2state response of suppo rtexcitedand damped system s .Earthquake and structural dynam ics ,1993,22:957-9735　池毓蔚,钱国桢.谐波激励下加层结构被动控制最优参数求解.上海力学,1997,18:210-2146　.,.,198487 振　动　与　冲　击 1999年第18卷001trix fo r analysing free vib rati on of structu res is exp ressed by an exact fo r m o ther than pow er se2 ries and num erical in tegrati on ones and therefo re num erical calcu lati on s can be carried ou t w ith h igher p recisi on and h igher efficiency,com paring w ith the tran sfer m atrix m ethods u sed befo re.B y u sing the clo se and exact fo r m,an exam p le of free vib rati on of circu lar cylindrical shell w ith variab le th ickness is p resen ted in the p ap re.Key words:tranfer m atrix m ethod,circu lar cylindrical shell,variab le2th ickness,free vib rati onSPECTRAL ANALY SIS AND D I AGNOSIS OF GEARB OX NO ISEL u X uejun　W ei Z h i(D ep artm en t of M echan ical Engineering,Zhejiang U n iversity,H angzhou　310027)Abstract　T he theo ry of coherence functi on and spectrum of vib rati on and no ise signals is app lied in gearbox no ise analysis in the pap er.T he basis of fau lt diagno sis of gearbox is theo reti2 cally in troduced.A n over no isy gearbox typ ed BJ212is in sp ected fo r fau lt diagno sis.B ased on the real signals of th ree di m en si onal vib rati on and no ise of the gearbox,the cau se of the fau lt is ascertained by m ean s of analyzing the sp ectrum s and coherence functi on s of the signals.Key words:gearbox,no ise,vib rati on,fau lt diagno sis,coherence functi on analysisSTUDY ON H MM-AR M ETHOD IN FAUL T D I AGNOSINGIN SPEED ING UP OR DOW N PROCESSOF LARGE ROTAT ING M ACH INERYT ong J in　W u Z haotong　Y an Gong biao(D ep t.of M echan ical Engineering,Zhejiang U n iversity,310027)Abstract　T he m essage of runn ing state of a large ro tating m ach inery induded in the m on i2 to ring signals in sp eeding up o r dow n p rocess is u sually m o re abundand than that in stati onary p rocess.In the p ap er,the H idden M arkov M odel is em p loyed and the A R coefficen ts are taken ou t to describe the vib rati on characters of a ro tating m ach ine du ring speeding up o r dow n fo r fau lt diagno sing.B y experi m en ts,the m ethod of HMM2A R is p roved to be a good m easu re fo r m ach in2 ery troub le shoo ting in that case.Key words:large ro tating m ach inery,H idden M arkov M odels,A R coefficien t,speeding up o r dow n p rocess。