基于阶次——趋势分析的变速器齿轮耐久性早期故障诊断

严军富，乔凤斌

(上海航天设备制造总厂，上海 200245)

基于阶次
——趋势分析的变速器齿轮耐久性早期故障诊断

严军富，乔凤斌

(上海航天设备制造总厂，上海 200245)

研究变速器齿轮在耐久性测试过程中基于振动信号的早期故障诊断方法。在传统的阶次分析的基础上，结合趋势指数分析方法，建立时间——阶次的三维变化谱，监测变速器齿轮振动特性的时变过程。和传统的测试监控方法相比，能够早期及时地提供故障状态和故障起因的相关信息，避免其在试验中加剧为永久性损伤。为设计者确定变速器产品中的薄弱元件、改进结构优化变速器性能提供依据。

阶次分析;趋势分析;耐久性测试;故障诊断

0 引言

在当今机械工业的激烈竞争中，产品研制和开发的周期变得越来越短。变速器作为汽车传动系中最为重要的组成部分，其早期故障检测的意义越来越重要。变速器齿轮经常在接近物理极限的条件下运行，是对材料、结构和工艺最优组合的考验，因而也是最容易产生故障的环节。早期及时的终止测试过程，可以保护变速器齿轮及其测试试验台不被完全损坏，获取故障发生原因和故障演变过程的详细信息［1］。一般而言，故障初发时非常小，但是最终会呈几何级数态势发展为严重损坏。例如齿轮上的裂纹会导致在随后的试验运行中齿折断并继而导致其它零部件的损坏。在极端情况下一个小小起因可以损毁被测件并导致其它严重后果。

振动信号监测作为最为成熟的故障诊断方法，由于变速器的内部结构复杂、频率成分较多，并且升降速阶段的变速器振动信号为非平稳信号，许多文献引入阶次分析对变速器振动信号进行故障诊断，解决了传统频谱分析难以克服的问题［2-3］。

本文在传统的阶次分析基础上结合趋势指数分析方法，建立时间——阶次的三维谱，通过对变速器耐久性试验，实时监测整个测试过程中的齿轮振动特性，获取故障产生原因和故障演变过程，用于发现产品中设计中的薄弱环节，作为产品开发研制阶段的经验和技术积累。

1 阶次跟踪分析

阶次跟踪分析方法其实质是将时域的非稳态信号通过恒定的角度增量采样转变为角域平稳信号，因而阶次跟踪分析可以很好抑制转速变化对振动信号分析的影响。由于变速器测试时的振动信号和转速有密切联系，即其振动频率表现为转速频率的整倍频或分数倍频，其振动信号是非平稳、非高斯分布信号［4］。因此，利用阶次分析可以对一般频谱分析很难分析的非平稳阶段的特征信息进行提取，减少特征点的丢失［5］。

阶次跟踪的关键在于如何实现相对于参考轴的恒角度增量采样。精确的阶次跟踪要求对振动信号进行同步采样，监测系统的精确度和可靠性取决于同步采样的质量［6-9］。重采样后的振动信号由等时间间隔(Δt)序列x(t)变为等角度间隔(Δθ)序列x(θ)，Z为每转脉冲数或采样点数，S为采样长度，L是序列长度，n为回转轴的转速，若回转频率为fr，则转频的阶次为1。

2 趋势指数分析

变速器齿轮传动质量的趋势分析基于对一批次同类产品的样本统计，测试系统自学习如100台变速器的振动信号特性后，将从这些最初100个变速器中提取60个振动信号最为相似的变速器，借助数学统计方法用于生成上下容限谱作为参考基准。待测变速器的实时振动信号对比参考基准，将实时信号超过容限的这一部分构成偏差谱，定义所有偏差谱幅值取绝对值后线性叠加后的值为趋势指数，实时变化的趋势指数构成趋势曲线，揭示了不同时间被测齿轮的运行状态，如图1所示。

图1 趋势曲线的测定过程

3 诊断实例

选用国内某型号变速器作为陪试变速器，进行变速器输入轴最高转速3000r/min的第3档耐久性测试，该状态下共有4对齿轮对参与啮合，分别为主箱输入轴常啮合齿轮和主箱中间轴常啮合齿轮记为齿轮啮合1、主箱3档中间轴齿轮和主箱3档输出轴齿轮记为齿轮啮合2、副箱输入轴齿轮和副箱输入端中间轴齿轮记为齿轮啮合3、副箱输出端中间轴齿轮和副箱输出轴齿轮记为齿轮啮合4，实测得到的振动信号包含4个齿轮啮合频率和5个轴旋转频率。变速器3档能量传递齿轮及其所在轴的阶次如下图2所示。

图2 陪试变速器3档时的能量传输及啮合齿轮的阶次计算

一般来说造成变速器齿轮耐久性测试趋势曲线变化的主要原因有两个:其一是耐久性试验中测试条件的变化;其二是齿轮结构上的变化。在测试条件不变的情况下，趋势变化通常反映试件机械结构上的变化，而机械结构上的变化通常意味着“故障开始发生或加剧”。

变速器自5月5日之5月8日进行连续3天的3档耐久性测试，测定其趋势曲线和阶次的三维变化谱如图3所示。第一段时间段(时间点0—1500)内趋势变化主要是由油温变化造成，之后调整测试设备保持油温信号稳定，则第二段时间(时间点1500—3700)内趋势变化基本维持在一个稳定水平，说明变速器当前状态稳定无变化，第三段时间(时间点3700以后)在油温信号稳定下，趋势变化反映了机械结构上的变化，意味着早期故障的产生，尤其是到时间点5047左右趋势指数超过报警极限，意味着新故障的产生或加剧。

图3 陪试变速器3档时的趋势曲线及阶次谱

变化谱中随时间出现新的系统连续的变化通常和机械故障息息相关。从图3所示的阶次变化谱中可以看出，变速器3档测试时变化主要集中在主箱常啮合齿轮的啮合阶次1次谐波48，三次谐波144和5次谐波240，这几处变化明显，表明故障位于主箱常啮合齿轮对(齿轮啮合1)。为进一步确定故障位置，截取主箱常啮合齿轮对三次谐波144处细化阶次谱(图4)，在主频144处存在边频，边频的出现，为齿轮故障的典型特征，边频带宽0.675对应主箱中间轴轴阶次0.696。对比耐久试验起始段趋势曲线较平稳的时间点1646和趋势曲线第一次超过报警极限时间点5047的阶次谱，由对比谱上可以看出在齿轮啮合和边频的振动幅值和试验初始点相比，大约增长了三分之一，如图5所示。由此可以进一步确认是齿轮啮合故障的产生或加剧导致结构振动的加强导致齿轮啮合特性不良。

图4 齿轮啮合1的阶次谱(放大图)

图5 齿轮啮合1的阶次谱对比分析

主箱中间轴常啮合齿轮的不良啮合特性，随时间变化，进一步导致主箱三档输出齿轮的啮合特性恶化，表现为其啮合阶次1次谐波30.609和三次谐波91.826在变化谱中的随测试时间出现系统连续的变化。

主箱中的恶化的齿轮啮合导致中间轴的振动特性恶化，逐步形成新的故障，由趋势曲线和阶次瀑布谱可以预测，主箱中生成的故障，将进一步传递到副箱，试验中表现为副箱输出端中间轴齿轮和副箱输出轴齿轮也就是齿轮啮合4(啮合阶次=7.375)的啮合特性恶化，图6所示，若测试继续进行，或故障过晚终止的情况下，将很有可能造成副箱出齿轮的断齿。

图6 中间轴的振动特性恶化

拆箱后检查发现主箱中间轴常啮合齿轮齿顶存在局部断齿故障如图7所示，这与阶次谱特征表现相符。

图7 齿轮故障的分析与诊断

4 结束语

变速器升降速阶段的振动信号属于非平稳信号，阶次分析通过角域重采样，将等时间间隔采样信号转变为等角度采样信号，有效地解决频谱模糊现象，用于分析变速器齿轮的振动特性，可以有效地检测出变速器当前的故障状态。

连续运行的变速器齿轮耐久性测试得到的趋势曲线和阶次瀑布图不仅可以显示齿轮故障过程的准确时间顺序，还可以随时查看任意时间点的故障特性。

和传统的测试监控方法相比，基于阶次——趋势分析的变速器耐久性测试不仅能够直接诊断故障原因。在测试过程中还可以在线实时地，持续系统地监测变速器在整个测试过程中的结构振动特性，从而更早更可靠地显示被测变速器的特性变化，实现产品故障演变过程的可视化。本方法也适用于齿轮箱、发动机和其他旋转机械的各性能测试。

［1］毕锦烟.基于半监督模糊核聚类的变速箱早期故障诊断［J］.机电工程技术，2010(8):56－60.

［2］康海英，栾军英，张志斌，等.基于时频和频谱分析的齿轮箱故障诊断［J］.军械工程学院学报，2004，16(3):10－13.

［3］朱元佳.汽车变速箱在线快速故障诊断技术研究［D］.上海:上海同济大学，2007.

［4］康海英，栾军英，郑海起，等.基于阶次包络谱的轴承故障诊断研究［J］.振动与冲击，2006，16(3):10－13.

［5］康海英，栾军英，田燕，等.阶次跟踪在齿轮磨损中的应用［J］.振动与冲击，2006，25(4):112 －113，118.

［6］Fyfe K R.Munck ED S.Analysis of computed order tracking［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，1997，11(2):187－205.

［7］ Bossley K M，Mckendrick B J.Hybrid computed order tracking ［J］.Mechanical System and Signal Processing，1999，13(4):627 －641.

［8］郭瑜，秦树人，梁玉前.时频分析阶次跟踪技术［J］.重庆大学学报，2002，25(5):17 －21.

［9］邓三鹏，戚厚军，王长武，等.基于阶比分析的电动机噪声自动检测系统研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2007(1):73－75.

［10］赵志军.基于阶次分析与振速法的汽车主减速器在线质量检测的研究［D］.合肥:合肥工业大学，2009.

［11］苏晓峰.基于阶比分析方法的主减速器总成故障诊断技术研究［D］.合肥:合肥工业大学，2010.

(编辑 赵蓉)

Early Damage Detection Based on Order-trend Analysis Through the Gear Endurance Test

YAN Jun-fu，QIAO Feng-bin
(Shanghai Spaceflight Manufacture(Group)Co.，Ltd，Shanghai200245，China)

An analysismethod for early damage detection based on the vibration signals during the gear endurance tests.Trend index analysiswas integrated w ith the traditional order analysis to establish a new three dimensional chart of time-order，and then thismethod was applied to the detection of vibration pattern.In contrastw ith traditional fault diagnosismethods，defects can be detected very early，before they develop into permanent damage of the productunder test.Thismethod can be used to the detection of the weak pointwhich should also be taken as a guideline contribution for the development.

order analysis;trend index analysis;endurance tests;fault diagnosis

TH115

A

1001－2265(2012)08－0074－04

2012－02－02;

2012－02－14

严军富(1985—)，男，浙江宁波人，助理工程师，研究方向为汽车自动化装备技术，(E－mail)yanjunfu1985@126.com。