齿轮振动信号分解及其在故障诊断中的应用.pdf

第25卷第2期振动、测试与诊断Vol.25No.2
年月
20056JournalofVibration,Measurement&DiagnosisJun.2005

齿轮振动信号分解及其在故障诊断中的应用X

余红英闫宏伟潘宏侠
(中北大学自动控制系太原,030051)

摘要对齿轮振动信号的测试及分解进行了研究。根据信号基频,把齿轮振动信号分解为啮合振动与旋转振动,这
些振动信号可用于对齿轮状态进行定量研究。基于不同形式的齿轮振动信号,介绍了几种方法来提取信号中的故
障信息。利用时域平均技术及齿轮振动信号分解理论对某齿轮箱早期故障信号进行了检测。研究表明,齿轮运动信
号分解能够有效检测齿轮的各类故障,高阶加速度信号对齿轮某些类型的早期故障更加敏感。

关键词齿轮箱状态监测故障诊断信号分解时域平均
中图分类号TH133133

下,齿轮沿节圆切线的位移[3]可表示为

引言si(t)=so+su(t)(1)

其中:so表示t=0时的初始位置;su(t)为匀速转动
在对许多机械系统进行状态监测及故障诊断
位移。实际上齿轮的位移会有微小误差。位移误差
时被检测部件往往是不能直接观察和测量的只能
,,定义为齿轮真实位移与理想的匀速转动位移之差。
在远离待测部件的测点来测量带有该部件状态信息
用se(t)表示位移误差,则齿轮总位移为
的相关信号。测量点只能选择在测量方便的地方而
s(t)=si(t)+se(t)(2)
不是该部件本身。这样在待测部件与测点之间就不
式(1)中的匀速转动位移可表示为
可避免地存在着传输介质。如齿轮箱状态监测中,齿
su(t)=v0t=2PQf0t(3)
轮是待测部件,而信号的测量只能在齿轮箱的外壳
其中:v0是齿轮节圆切线的速度;Q是节圆半径;f0
或轴承座上进行[1,2]。
是轴旋转频率。齿轮转动是周期的,因此se(t)是周
齿轮啮合振动是齿轮箱振动信号的重要组成部
期函数。
分,可经任何介质及路径传播到齿轮箱的任何地方,
齿轮振动的一个基本频率就是轴旋转频率,另
包括齿轮箱的外壳。齿轮的振动特性与齿轮状态直
外一个基本频率为齿轮啮合频率
接相关。齿轮状态的任何变化都会引起齿轮振动信
fm=Lf0(4)
号的变化。齿轮振动信号任意小的变化,都可能表明
其中:L为齿轮的齿数。
齿轮状态的改变[1,3,4]。时域平均技术能够把齿轮箱
因此,位移误差可以根据其频率组成分为两类,
中各个齿轮的振动信号从总的振动信号中提取出
一类基于齿轮啮合频率,用sem(t)表示,其频率是齿
来[2,5]。本文把齿轮振动信号分解为啮合信号与旋转
轮啮合频率fm的倍数;另一类基于轴旋转频率,用
信号,不同类型的故障对啮合信号与旋转信号的影
ser(t)表示,其频率是轴旋转频率f0的倍数。因此
响不同,通过检验啮合信号与旋转信号的变化情况,
se(t)=sem(t)+ser(t)(5)
能够对齿轮状态与故障进行有效检测。
为了方便,称sem(t)为啮合误差(信号);ser(t)为旋转
误差(信号)。
1齿轮振动信号及分解
1.2啮合误差
1.1齿轮的位移
啮合误差是由齿轮剖面线与理想渐开线之间的
齿轮的位移用沿节圆切线运动表示。理想情况平均偏差引起的。这种偏差可能由制造误差、齿面磨

X山西省自然科学基金资助项目(编号:20011054)。
收稿日期:2004210221;修改稿收到日期:2005201204。
110振动、测试与诊断第25卷

N
损、齿轮啮合不良或静态载荷等引起。可用以下数学em
2
[1,3]a(t)=-∑(2PnLf0)Ancos(2PnLf0t+An)-
模型来表示n=0
N
Nemer
2
sem(t)=∑Ancos(2PnLf0t+An)(6)∑(2Pnf0)Bncos(2Pnf0t+Bn)(10)
n=0n=0,n≠kL

基频为齿轮啮合频率fm=Lf0,Nem为谐波次数。不加速度表达中不包括初始位移与匀速转动信

同齿轮的剖面线不同,因此谐波序列振幅An的分布息,在状态监测中,它们也没有用处。而真正有用的
也不同。载荷的变化或齿轮状态的改变(如磨损),也是加速度,因为它反映了齿轮的啮合误差和旋转误
会影响谐波幅度分布。差的信息,加速度很容易用传感器来测量。
齿轮位移形成一条曲线,曲线的正的峰值数量高阶加速度用加速度的各阶导数来定义
n
或负的峰值数量等于轮齿数。齿轮啮合位移的波峰nda(t)
a(t)=nn=0,1,2,+(11)
与波谷信息,对于描述齿轮运行中轮齿啮合的时间dt
关系是很重要的。当n=0时,上式为普通的加速度。有时,高阶加
速度对某些类型的早期故障更加敏感。
1.3旋转误差

旋转误差是由轮齿之间存在偏差引起的,轮齿2振动信号传播与测量
间的偏差是由于轴偏心或未校直、不