直升机齿轮传动中振动、噪声及诊断技术研究

冯 磊，王士一，徐秀波

（1.哈尔滨东安发动机（集团）有限公司，黑龙江 哈尔滨 150066；2.中国人民解放军驻120 厂军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150066）

直升机的振动和噪声主要来源于旋翼、发动机和传动系统，而传动系统又恰好位于直升机驾驶舱和乘员舱的上面，因此，直升机传动系统的振动和噪声水平直接影响到直升机的舒适性。同时，振动和噪声也是反映传动系统品质的重要指标之一，同样的传动系统如果噪声和振动水平低，则其使用寿命也一定长，可靠性安全性也会高。

噪声是发声体作无规则振动时产生的声音，由此说明振动和噪声是紧密相关的，它们的起源相同，如果所有振动消除，则噪声也不会存在。直升机的振动和噪声主要来源于旋翼、发动机和传动系统，而传动系统又恰好位于直升机驾驶舱和乘员舱的上面，因此，直升机传动系统的振动和噪声水平直接影响到直升机的舒适性。同时，振动和噪声也是反映传动系统品质的重要指标之一，同样的传动系统如果噪声和振动水平低，则其使用寿命也一定长，可靠性和安全性也会高。

门捷列夫曾经针对科学的意义做出如下回答：“科学，只有当人类懂得测量时才开始”。所以本文将针对如何通过进行必要的噪声测量或振动监控手段，提前发现直升机传动系统的故障隐患，保证传动系统运行可靠性和稳定性。

1 直升机传动系统的振动、噪声机理分析

直升机传动的振动和噪声主要来自于减速器。减速器的振动和噪声是复杂的齿轮、轴承、轴和机匣之间的交互作用。其影响因素包括：齿轮啮合力（激振力）、啮合齿对数、齿轮精度、传动误差、接触比、齿廓修正、齿轮侧隙、材料、表面光洁度、轴承支撑位置、机匣刚度、不平衡和连接的不对中、共振等。

在齿轮传动系统中，根据机理的不同，可将噪声分成加速度噪声和自鸣噪声两种。一方面，在齿轮轮齿啮合时，由于冲击而使齿轮产生很大的加速度并会引起周围介质扰动，由这种扰动产生的声辐射称为齿轮的加速度噪声。另一方面，在齿轮动态啮合力作用下，传动系统的各零部件会产生振动，这些振动所产生的声辐射称为自鸣噪声。 对于开式齿轮传动，加速度噪声由轮齿冲击处直接辐射出来，自鸣噪声则由齿轮、传动轴等处辐射出来。对于闭式齿轮传动，加速度噪声先辐射到减速器内的空气和润滑油中，再通过减速器辐射出来。自鸣噪声则由齿轮的振动通过传动轴引起支座振动，从而通过减速器机匣的振动而辐射出来。一般说来，自鸣噪声是闭式齿轮传动的主要声源。

由于机械振动是产生噪声的根源，因此，虽然噪声在现代工程技术中可以通过声压级、声功率级及其噪声频谱分析等方法进行测量，但噪声测量的真实值受周围环境的影响较大，所以工程测试中大多直接进行振动测量，并针对测量的振动数据加以分析，进而找出降低系统振动的方法，最终实现改善整个机械传动系统噪声水平的目的。

2 齿轮振动和噪声产生原因

齿轮振动和噪声产生的原因包括：传动误差、不平衡、连接的不对中和共振以及夹带。

（1）传动误差

传动误差产生振动和噪声主要是由于齿轮齿的弹性变形（接触和弯曲），齿轮支撑轮缘，辐板的变形，齿轮和机匣的制造精度等导致的传递载荷的变化引起的。这些变化将引起一个依次激励扭转/横向/轴向齿轮轴的振动模式的动力，且由此产生的激励和声学频率等于啮合频率。

（2）不平衡

旋转部件动力学不平衡会产生振动激励。这个力将与旋转速度的平方成比例，并导致来自于所有减速器零件的动力学特性的响应，从而产生振动和噪声。

（3）连接不对中

减速器之间的柔性联轴节提供输入和输出之间的连接。连接的未对准可能产生振动激励。通常，如果柔性联轴节使用不等速类型，不对中，将引起2 乘以旋转频率的扭转激励。减速器可能响应这个激励产生振动。

（4）共振

如果齿轮表现出一个激励频率同系统的固有频率一致或接近，将产生振动和噪声。例如，减速器必须避免固有频率接近或等于螺旋桨叶片的通过频率，也就是桨叶数乘以转速。

（5）夹带

在高速啮合中，会由于空气和滑油被挤出相啮合齿的齿隙而引起噪声，且这个噪声在高速减速器全部噪声水平中占主要地位。

3 振动监测的内容、测试要求及分析手段

振动测试技术作为解决工程振动问题的一种有效手段，在近二十年随着科技、生产的发展，振动测试无论在理论上或技术和使用都发生了令人瞩目的深刻变化。同时电子技术和传感器技术的进展，也大大加强了振动测试的功能，提高了测试的精度和速度，促进了振动监测技术的发展。

3.1 振动测试的内容

（1）测量机械设备或结构在工作状态下存在的振动，如：振动、位移、速度、加速度、频率和相位等。包括：了解被测对象的振动状态、评定等级；寻找振源；监测、分析、诊断和预测。

（2）对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动。包含：被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、响应和模态等；提高机械结构的抗振性能，机械结构的振动分析和振动设计，找出薄弱环节，改善其抗振能力

3.2 振动测量的几个要点

（1）测振传感器的选择要坚持最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得

如考察惯性力可能导致的破坏或故障时，宜作加速度测量；在考察振动环境（振动烈度以振动速度的均方值来描述）时，宜作振动速度测量；要监测机件的位置变化时，宜选用电涡流或电容传感器作位移的测量；选择时还需要注意能在实际机器设备安装的可行性。

（2）振动量测位置选择

在简易或精密诊断中，每次测点必须固定；传感器以愈接近被测对象愈好，获得被测对象最短路径传递值，尽量避免结构部分所带来的影响。

（3）传感器安装角度引起的误差

传感器的感振方向，应该与待测方向一致，否则会造成测试误差；在测量小加速度时，传感器更应该精确安装，使惯性质量运动的方向和待测振动方向重合。

（4）其它问题

导线连接：接头不良，会产生寄生的振动波形，有时使得测试数据忽大忽小。

接地：不良的接地或不合适的接地地点，使测试中会产生较大的电气干扰，同样会使测试受到严重的影响。

电缆的噪声：这些噪声既可由电缆的机械运动引起，也可由接地回路效应的电感应和噪声引起。

3.3 机械传动系统故障的特征频率与边频带

在生产条件下，很难直接监测某一个齿轮的故障信号，一般是在轴承、箱体有关部位测量。当齿轮旋转时，无论齿轮发生了异常与否，齿的啮合都会发生冲击啮合振动，其振动波形表现出振幅受到调制的特点，甚至既调幅又调频。

各类故障在频域中的表现如下：

（1）当齿轮均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量保持不变，但幅值大小改变，高次谐波幅值增大较多。

（2）调幅现象。其是由于齿面载荷波动对幅值的影响造成的，调幅的一个原因是齿轮偏心，此时的调制频率为齿轮的回转频率。当在齿轮上有一个齿存在局部缺陷时，相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲的长度等于齿的啮合周期。

（3）调频现象。在实际情况中，同样的齿面压力的波动，在产生调幅现象的同时，也会引起频率调制现象，其结果是在谱上得到一个调幅与调频综合形成的边频带。齿轮存在偏心时，由于齿面载荷变化引起调幅现象的同时，又由于齿轮转速的不均匀而引起调频现象。

（4）附加脉冲。实际测得的信号不一定对称于零线，可将信号分解为两部分：即调幅部分和附加脉冲部分。附加脉冲是回转频率的低次谐波，平衡不良、对中不良和机械松动等，均是回转频率的低次谐波振源，但不一定与齿轮缺陷直接有关；附加脉冲的影响一般不会超出低频段，即在啮合频率以下。

（5）隐含谱线。其是功率谱上的一个频率分量，产生的原因为加工过程给一个齿轮所带来的周期性缺陷。

局部缺陷：相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲长度等于齿轮的旋转周期。由此形成的边频带数量多且均匀。

分布缺陷：由于分布缺陷所产生的幅值调制较为平缓，由此形成的边频带比较高而且窄。并且，齿轮上的缺陷分布越均匀，频谱上的边频带就越高、越集中。

3.4 振动信号分析诊断方法

由上文可知，齿轮的制造与安装误差、剥落、裂纹等故障会直接成为振动的激励源（齿轮轴的回转为周期），表现为回转频率对啮合频率及其倍频的调制，在谱图上形成以啮合频率为中心、两个等间隔分布的边频带。由于调频和调幅的共同作用，最后形成的频谱表现为以啮合频率及其各次谐波为中心的一系列边频带群。边频带反映了故障源信息，边频带的间隔反映了故障源的频率，幅值的变化表示故障程度，即齿轮故障诊断实质上是对边频带的识别。

4 结束语

通过某型直升机主减速器的噪声机理分析、诊断、排除案例可知：进行必要的测量手段可以为提前发现传动系统的故障隐患提供可靠的信息，针对测量数据进行工程分析并结合机械系统的类型、结构特点、工况、动力学特性及其它相关数据，对机械系统可能存在的潜在故障作出预测，并进行针对性的进行排查、测量及解决措施制定，实现了由机械系统常规的事后维修向计划维修和预知维修转变，并最终保证机械传动系统的使用安全。

[1]孔德文.大型齿轮传动装置动力学及故障诊断技术研究[D].吉林：吉林大学,2008.

[2]刘 彪.基于局部线性嵌入的齿轮箱振动测点优化研究[D].辽宁：大连理工大学,2009.