變速箱噪聲的故障診斷與頻譜分析
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摘 要 應用振動、噪聲信號頻譜分析和相干函數分析技術，從理論上說明變速箱故障診斷的依據。檢測了一臺噪聲嚴重超標的實際變速箱系統，得到其三向振動和噪聲信號。綜合分析了實測信號及其計算機數據處理結果，從而得出檢測對象出現強烈噪聲的主要原因在于其中一對嚙合輪發生“嗑碰”。
關鍵詞:變速箱，噪聲，振動，故障診斷，相干分析
中圖分類號：TH17
SPECTRAL ANALYSIS AND DIAGNOSIS OF GEARBOX NOISE
Lu Xuejun Wei Zhi
（Department of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027）
Abstract The theory of coherence function and spectrum of vibration and noise signals is applied in gearbox noise analysis in the paper. The basis of fault diagnosis of gearbox is theoretically introduced. An over noisy gearbox typed BJ212 is inspected for fault diagnosis. Based on the real signals of three dimensional vibration and noise of the gearbox, the cause of the fault is ascertained by means of analyzing the spectrums and coherence functions of the signals.
Key words: gearbox, noise, vibration, fault diagnosis, coherence function analysis
0 引 言
變速箱的變速、儲能、增加扭矩等作用，使它成為動力機械中應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機器或機組的工作性能。變速箱的工作形式和結構復雜性，又使得它容易引發故障。因此，變速箱的質量檢測在動力機械工程中占有重要的地位。
本文運用故障診斷技術分析變速箱出現故障的原因。實施故障診斷技術的首要步驟是獲得反應檢測對象運行狀態的診斷信息。在動力機械工程中，獲得診斷信息的常用方法有直接觀察法、振動噪聲檢測法、磨損殘留物檢測法和運行性能監測法等［1］。對變速箱而言，振動和噪聲信號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，而成為其質量檢測的指標之一。在設計變速箱時，就規定了其噪聲標準。聲與振動緊密地在一起，是源與流的關系。因振動而發聲的物體即是聲源，當振動以波的形式在彈性媒質中傳播時，便形成聲波。噪聲是人類不希望聽到的聲音，是一種環境污染，會對人造成生理和心理的危害。因而，對噪聲的監測、診斷和控制是多門學科尤其是機械工程研究的重要課題。
變速箱在工作中，內部構件，如齒輪、軸承等，不斷產生振動沖擊。當有故障存在時，其振動強度增大，噪聲水平超標。本文根據振動和噪聲譜，利用相干函數分析，結合實驗手段，分析了一臺BJ212型變速箱噪聲超標的原因。
1 變速箱振動系統響應及相干函數
1.1 振動系統響應分析
變速箱是由箱體、軸、軸承和齒輪等組成的，因此箱內存在多種激勵。主要有簡諧激勵、周期激勵和隨機激勵三種形式。其中軸承中的滾動體在通過負荷區時產生簡諧激勵，齒輪嚙合以及齒面節線沖擊和嚙合沖擊產生周期激勵，而由于軸承和齒輪的設計不當等原因則引起隨機振動。在小振動的情況下，可以假設為小阻尼中參數系統，故可從其振動微分方程中求得其時域響應。
鑒于建立變速箱的實際振動模型很困難，數學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。在線性系統中激勵和響應在功率譜圖上的關系如圖1所示，其中Fh為簡諧激勵的頻譜，Fs為周期激勵的頻譜，Fr為隨機激勵的頻譜。
對于線性系統，各激勵的線性疊加的響應等于各激勵單獨作用的響應疊加。變速箱內軸的旋轉、齒輪的嚙合等產生的都是周期性振動信號，在譜圖上有突出的峰值，隨機激勵看作是平穩和寬帶的，在譜圖上接近水平直線，并不影響對特征頻率的識別。
1.2 相干函數分析
兩個平穩隨機過程X（t）和Y（t）的相干函數為
γXY（f）為頻率f處對應輸入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）則為其它不相關輸入所引起的比例。在實際分析中，相干函數是通過計算輸入信號和輸出信號的互功率譜與自功率譜得到的。在整個測量頻帶上，相干函數是標準化的，因而消除了傳感器和傳感通道的增益作用。
2 振動、噪聲測試及數據分析
2.1 測試過程與儀器
測試的目的是拾取變速箱的振動及噪聲信號，實驗過程及儀器設備如圖2所示。實驗時，采用三向加速度傳感器，由三維振動矢量全面反映檢測對象的振動狀態。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方向的振動信號。將ND2精密聲級計置于距輸出軸軸端75-100cm處，以獲得噪聲信號。三路振動信號和噪聲信號由磁帶記錄儀記錄。示波器則用于監視實驗過程中各信號的狀態。所檢測變速箱有五個變速檔，模擬實際工況，我們測量其在各檔下的振動、噪聲信號和電壓。
2.2 變速箱特征頻率分析
統計資料表明［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外圈和滾動體的頻率。它們和諧頻、邊頻相結合，成為對故障判定的依據。圖3為BJ212型變速箱傳動簡圖，表1列出軸和齒輪嚙合的特征頻率，其中輸入軸的轉速為2200rpm。
2.3 振動、噪聲譜及相干函數分析
診斷對象即BJ212型變速箱有五個檔位，設計噪聲指標為空檔89.5dBA、Ⅰ檔90dBA、Ⅱ檔90dBA、Ⅲ檔88dBA和倒檔91dBA。本文所檢測的變速箱噪聲明顯超標，其倒檔時的噪聲達到97dBA，故需對在各檔下測得的振動和噪聲信號進行譜分析以及相干函數分析，尋找故障原因。
本文以倒檔時的振動、噪聲譜和相干函數分析為例，將實驗測得的變速箱振動、噪聲信號經專門設計的計算機程序進行處理后，得到測試點處三個方向的振動頻譜圖（圖4～圖6）、噪聲信號的頻譜圖（圖7）和相干函數圖（圖8）。其中，采樣頻率為2000Hz，采樣點數為1024，實測的輸入軸轉速是2226rpm。在圖4～圖6中，縱坐標為各振動加速度自（功率）譜與幅值1g、頻率50Hz的簡諧加速度之自譜的比值，圖7的縱坐標為聲級計輸出電壓信號幅值。由于理論上的電機轉速與實際值總有差別，以及其它不可避免的測試和計算誤差，使得譜圖上的特征頻率與相應的理論值并不能吻合。在圖4所示的振動頻譜圖上，軸頻及Z15/Z29嚙合頻率分別為19.44Hz（理論值為19Hz）和558.9Hz（理論值為550.57Hz）。從圖7所示的噪聲譜圖中看到，中頻噪聲能量較強，尤以558.9Hz及其邊頻處的幅值zui為突出。說明該頻率分量在總噪聲中貢獻較大，其原因需結合聲源（變速箱）具體結構特點進行分析。
3 結 論
本文以噪聲作為故障癥狀，通過相干函數分析確定相關的振動信號，從而由振動信號的頻譜特征分析故障原因，實驗表明這種方法能夠建立故障征兆空間與故障狀態空間的映射，故具實際效果。
振動和噪聲的譜分析作為一種傳統的分析手段，其豐富的診斷事例還為診斷專家系統提供了豐富的專家知識，從而決定性地提高專家系統的水平。所以，基于相干理論的針對性實驗研究，對于現代故障診斷理論在工程實際中更好地發揮其作用有著重要意義。
*作者 盧學軍 女，碩士，講師，1968年11月生。
作者單位：浙江大學機械系，杭州 310027
參考文獻
1 郭文璜. 機械工程中的噪聲測試與控制. 北京：機械工業出版社，1993
2 崔寧博. 設備診斷技術. 天津：南開大學出版社，1988
3 盧學軍. 變速箱噪聲的故障診斷：［學位論文］. 河北工學院，1994
