利用阶次跟踪分析法诊断高速减速齿轮箱故障

　　引言

　　工程上在对故障信号进行分析时，最常采用的是传统的频谱分析法。这种方法对于稳定工况下测得的稳态信号具有较好的效果，能清晰地分辨出被测信号的频率成分，从而确定故障原因。但是对于旋转机械在某些工况下出现的故障状况，比如启动过程、停车过程、加载过程等，很难通过单纯某一时段信号的频谱分析找到确定的故障频率成分，甚至由于信号频率成分的不断变化，会产生明显的“频率模糊”现象，使得关键频率成分难以识别。并且旋转机械运转时其旋转部件引起的故障所产生的振动和噪声表现出的特征和轴的转速有密切关系。阶次跟踪分析法正好可以补足其中的不足，通过等角度采样方法归一化转频，避免了转速变化带来的频率模糊问题[1][2][3]。

　　1 阶次跟踪原理

　　阶次跟踪分析法是近年发展起来的一种先进技术，其主旨在于通过信号处理算法将等时间间隔采样信号转化为等角度采样信号，即同步采样信号，保证在信号每一周期内都保持同样的采样点数。通常在信号分析时，如果只对转轴速度的谐波特征感兴趣(或更高的谐次，如齿轮啮合频率)，那么采用阶次跟踪分析往往比单纯的频谱分析更具有优势。这种分析方法可以迫使谐波分量集中在一条分析线上，通过控制模数(A/D)转换器的采样频率与转轴速度之间的同步性来实现，图1 说明了基本原理[4]。　　

　　(a)固定采样频率的采样信号(b)原始时域信号(c)等角度采样信号(每一转8 个采样点)

　　图1 采样原理示意图

　　其中图1(b)为一假设的旋转轴转速上升过程产生的理想信号(实际情况中，振幅往往会随转速的变化而有所不同)。图1(a)为通过恒定的采样频率得到的采样信号(对应于常规的频谱分析)以及对采样信号进行FFT 分析后得到的频谱。可以明显看到频域上谱峰的分布与时域转速信号中转速的变化相对应，频率成分非常模糊，难以识别。对于这样的采样信号，利用常规的频谱分析方法已经很难识别各频率成分。图1(c)所示的采样信号是通过转轴每转采集固定的采样点来得到(例子中每一转有8 个采样点)，对此角域波形再进行类似时域的FFT 变换，所得频谱既为清晰的阶次谱。最后综合各转速下的阶次谱，并可得到相应的阶次-转速-幅值三维谱图，可以清晰地得到频率特征量随转速发生的变化。

　　2 应用实例

　　2.1 对象

　　对象为某船舶高速传动轴减速齿轮箱在开机启动转速上升过程中产生了非常强烈的振动，集中在某一转速范围内，分析其产生故障的原因。

　　2.2 测量结果

　　利用先进的LMS SCADA3和TEST LAB 8B测试分析系统的转速跟踪模块对减速齿轮箱进行了转速上升过程的振动加速度测量，同时测量了齿轮箱在各个转速下的工作模态。选取部分测点结果进行分析，其中图2为齿轮箱顶端边缘测点测量结果，图3为齿轮箱顶端中部测点测量结果。表2为各个工况下测得的齿轮箱工作模态。减速齿轮箱的减速比为4.57，齿轮箱各级啮合频率见表1。　　

　　

　　2.3 故障分析

　　当齿轮箱发生剧烈振动时，其振动信号的能量分布也会随之变化，并最终反映到谱图上，如图2、图3所示。从图中可以明显看到，在65阶次的位置，振动能量非常集中，并且随着转速的上升，能量越来越大，与实际情况相符。从各工况下齿轮箱的工作模态测量结果可以看到，齿轮箱的工作模态在1200Hz～2000Hz之间非常密集，而当转速上升到5400r/min以后，齿轮II级啮合频率也正好在1200Hz～2000Hz之间，激发了齿轮箱的共振。在图2的65阶次曲线上任意取两点A(1190，1091.82)、B(1429，1319.87)，A点的转速为4989.6r/min，B点的转速为6031.8r/min。　　

　　图2 齿轮箱顶端边缘测点阶次云图　　

　　图3 齿轮箱顶部中间测点阶次云图

　　由表1可以看到，A、B两转速下II级齿轮的啮合频率分别为1190Hz和1429Hz,即齿轮啮合频率正好与65阶次曲线相一致。由此可以得出，齿轮II级啮合频率为引起齿轮箱剧烈振动的主激励源，在达到一定的转速时引起了齿轮箱的共振。这非常清晰的解释了高速齿轮箱在开机启动转速上升过程中产生了强烈的振动的原因，为顺利解决高速齿轮箱振动过大的故障提供强有力的数据依据和帮助。

　　3 结论

　　通过解决某型号高速减速齿轮箱在开机启动转速上升过程中产生了非常强烈的振动的故障，验证了阶次跟踪分析在旋转机械信号测试分析中的独特优势，尤其是对于旋转机械变速工况的故障诊断，可以方便有效地分析出与设备转速有关的特征信号，为其故障诊断提供有力的依据。将阶次跟踪分析方法应用于旋转机械的状态监测与故障诊断，具有很好的工程应用前景。