變速箱噪聲的頻譜分析與故障診斷

　　變速箱的變速、儲(chǔ)能、增加扭矩等作用，使它成為動(dòng)力機(jī)械中應(yīng)用十分廣泛的通用部件之一。它的工作是否正常涉及到整臺(tái)機(jī)器或機(jī)組的工作性能。變速箱的工作形式和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，又使得它容易引發(fā)故障。因此，變速箱的質(zhì)量檢測(cè)在動(dòng)力機(jī)械工程中占有重要的地位。

　　本文運(yùn)用故障診斷技術(shù)分析變速箱出現(xiàn)故障的原因。實(shí)施故障診斷技術(shù)的首要步驟是獲得反應(yīng)檢測(cè)對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的診斷信息。在動(dòng)力機(jī)械工程中，獲得診斷信息的常用方法有直接觀察法、振動(dòng)噪聲檢測(cè)法、磨損殘留物檢測(cè)法和運(yùn)行性能監(jiān)測(cè)法等［1］。對(duì)變速箱而言，振動(dòng)和噪聲信號(hào)是故障診斷的重要信息。

　　變速箱的噪聲水平可以從客觀上反映變速箱的工作狀態(tài)，而成為其質(zhì)量檢測(cè)的指標(biāo)之一。在設(shè)計(jì)變速箱時(shí)，就規(guī)定了其噪聲標(biāo)準(zhǔn)。聲與振動(dòng)緊密地聯(lián)系在一起，是源與流的關(guān)系。因振動(dòng)而發(fā)聲的物體即是聲源，當(dāng)振動(dòng)以波的形式在彈性媒質(zhì)中傳播時(shí)，便形成聲波。噪聲是人類不希望聽到的聲音，是一種環(huán)境污染，會(huì)對(duì)人造成生理和心理的危害。因而，對(duì)噪聲的監(jiān)測(cè)、診斷和控制是多門學(xué)科尤其是機(jī)械工程研究的重要課題。

　　變速箱在工作中，內(nèi)部構(gòu)件，如齒輪、軸承等，不斷產(chǎn)生振動(dòng)沖擊。當(dāng)有故障存在時(shí)，其振動(dòng)強(qiáng)度增大，噪聲水平超標(biāo)。本文根據(jù)振動(dòng)和噪聲譜，利用相干函數(shù)分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)手段，分析了一臺(tái)BJ212型變速箱噪聲超標(biāo)的原因。

　　1　變速箱振動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)及相干函數(shù)

　　1.1　振動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)分析

　　變速箱是由箱體、軸、軸承和齒輪等組成的，因此箱內(nèi)存在多種激勵(lì)。主要有簡(jiǎn)諧激勵(lì)、周期激勵(lì)和隨機(jī)激勵(lì)三種形式。其中軸承中的滾動(dòng)體在通過負(fù)荷區(qū)時(shí)產(chǎn)生簡(jiǎn)諧激勵(lì)，齒輪嚙合以及齒面節(jié)線沖擊和嚙合沖擊產(chǎn)生周期激勵(lì)，而由于軸承和齒輪的設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)仍騽t引起隨機(jī)振動(dòng)。在小振動(dòng)的情況下，可以假設(shè)為小阻尼中參數(shù)系統(tǒng)，故可從其振動(dòng)微分方程中求得其時(shí)域響應(yīng)。

　　鑒于建立變速箱的實(shí)際振動(dòng)模型很困難，數(shù)學(xué)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(yīng)。在線性系統(tǒng)中激勵(lì)和響應(yīng)在功率譜圖上的關(guān)系如圖1所示，其中Fh為簡(jiǎn)諧激勵(lì)的頻譜，F(xiàn)s為周期激勵(lì)的頻譜，F(xiàn)r為隨機(jī)激勵(lì)的頻譜。

　　對(duì)于線性系統(tǒng)，各激勵(lì)的線性疊加的響應(yīng)等于各激勵(lì)單獨(dú)作用的響應(yīng)疊加。變速箱內(nèi)軸的旋轉(zhuǎn)、齒輪的嚙合等產(chǎn)生的都是周期性振動(dòng)信號(hào)，在譜圖上有突出的峰值，隨機(jī)激勵(lì)看作是平穩(wěn)和寬帶的，在譜圖上接近水平直線，并不影響對(duì)特征頻率的識(shí)別。

　　1.2　相干函數(shù)分析

　　γXY（f）為頻率f處對(duì)應(yīng)輸入X（t）的輸出量的均方值在總輸出量均方值中所占的比例。而1-γXY（f）則為其它不相關(guān)輸入所引起的比例。在實(shí)際分析中，相干函數(shù)是通過計(jì)算輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的互功率譜與自功率譜得到的。在整個(gè)測(cè)量頻帶上，相干函數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)化的，因而消除了傳感器和傳感通道的增益作用。

　　2　振動(dòng)、噪聲測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

　　2.1　測(cè)試過程與儀器

　　測(cè)試的目的是拾取變速箱的振動(dòng)及噪聲信號(hào)，實(shí)驗(yàn)過程及儀器設(shè)備如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用三向加速度傳感器，由三維振動(dòng)矢量全面反映檢測(cè)對(duì)象的振動(dòng)狀態(tài)。傳感器安裝在Ⅱ軸軸承座孔處，以獲得在徑向水平、徑向垂直和軸向三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)。將ND2精密聲級(jí)計(jì)置于距輸出軸軸端75-100cm處，以獲得噪聲信號(hào)。三路振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)由磁帶記錄儀記錄。示波器則用于監(jiān)視實(shí)驗(yàn)過程中各信號(hào)的狀態(tài)。所檢測(cè)變速箱有五個(gè)變速檔，模擬實(shí)際工況，我們測(cè)量其在各檔下的振動(dòng)、噪聲信號(hào)和電壓。

　　2.2　變速箱特征頻率分析

　　統(tǒng)計(jì)資料表明［2］，齒輪、軸承和軸的故障占變速箱故障的90％。特征頻率也就是軸頻、齒輪的嚙合頻率以及軸承的內(nèi)外圈和滾動(dòng)體的頻率。它們和諧頻、邊頻相結(jié)合，成為對(duì)故障判定的依據(jù)。圖3為BJ212型變速箱傳動(dòng)簡(jiǎn)圖，表1列出軸和齒輪嚙合的特征頻率，其中輸入軸的轉(zhuǎn)速為2200rpm。