基于振动信号的齿轮箱故障诊断

赵纯领，高洪滨，杜向华

（92601部队，广东湛江 524009）

0 引言

某船主动力装置为四机、双轴推进的柴-柴联合推进装置，每舷两台柴油机的功率经主齿轮箱并车后单轴输出。主齿轮箱是动力装置的主要部件，对其进行振动监测可以及时发现故障，消除隐患，指导设备的使用、管理和维修。但是，齿轮箱振动信号复杂，频率成分丰富，振动信号的分析和处理是故障诊断的关键环节[1]。

1 数据采集与分析

图1 1#齿轮箱垂向加速度时间历程

图2 2#齿轮箱垂向加速度时间历程

采集了齿轮箱振动信号。采样频率设为12.8 kHz，连续采集持续时间5.12 s，采集点数65 536。测点布置在1#齿轮箱右小齿轮自由端和2#齿轮箱右小齿轮自由端，每个点测量垂直、水平径向、水平轴向三个方向。振动加速度时间历程如图1和图2。为了图形清晰，只画出了前0.2 s的数据。可以看出，加速度频率成分丰富，最大加速度达到了10 m/s2以上。两个齿轮箱振动加速度时间历程曲线相差不大。振动加速度频谱如图3和图4，从频谱可以看出，加速度频谱由一个宽带谱外加啮合频率附近的窄带谱构成。2#齿轮箱最大谱值约为1#齿轮箱最大谱值的2.5倍，而且该谱值对应的频率接近于啮合频率。

图3 1#齿轮箱垂向加速度频谱

图4 2#齿轮箱垂向加速度频谱

2 齿轮箱啮合频率处振动加速度信号分析

2.1 啮合频率处的调制现象

齿轮啮合传动过程中，载荷、刚度和转速的波动以及故障都会使齿轮振动发生变化，从而产生啮合频率附近的调制现象，而该调制信号的变化能反映齿轮啮合状态的变化，能反映齿轮箱的故障。因此，啮合频率处的调制分析是齿轮箱振动状态监测与故障诊断的重要内容。

2.2 带通滤波

为排除其他频率成分的干扰，需要首先进行带通滤波，保留啮合频率附近的频率成分。在Matlab中设计了带通滤波器。啮合频率为575 Hz，滤波器下限截止频率为512 Hz，上限截止频率取为640 Hz，采用Matlab中的fir1滤波器，滤波器阶次为1 000阶[2]。滤波后结果如图5和图6，前0.04 s为滤波器延时造成的失真，该部分信号可不考虑。可以看出，在啮合频率处具有明显的幅值调制现象。但1#齿轮箱和2#齿轮箱啮合频率处调制信号明显不同。2#齿轮箱调制信号峰值大于1#齿轮箱调制信号峰值；2#齿轮箱的调制信号有一个明显的突出频率成分。

图5 1#齿轮箱垂向啮合频率附近的振动加速度

2.3 基于Hilebert变换的调制信号分析

信号x(t)的Hilebert变换为：

令复数：

则z(t)称为x(t)的解析信号。z(t)的幅值对应于x(t)的包络，z(t)的相位对应于x(t)的瞬时相位。因此，Hilbert变换是调制信号分析的基本工具[3]。在Matlab中，Hilbert变换的命令为z=hilbert(x)。需要注意的是Matlab中输出z是序列x的解析信号[2]。求x的包络的命令为xe=abs(z)。

图6 2#齿轮箱垂向啮合频率附近的振动加速度

2#齿轮箱右小齿轮自由端垂向加速度啮合频率处的包络信号最大幅值为4 m/s2，而1#齿轮箱为1.8 m/s2。包络信号去除直流分量后的频谱如图7和图8。1#齿轮箱右小齿轮输出端包络信号频谱主频为8.8 Hz，对应幅值0.11 m/s2；而2#齿轮箱右小齿轮输出端包络信号频谱主频为25.4 Hz，对应幅值0.87 m/s2，而且该频率成分极为突出。综合分析可得出：2#齿轮箱啮合频率处的振动大于1#齿轮箱，而且调制信号的频谱存在一个突出的单一频率成分，说明2#齿轮箱存在轻微的故障，其运行状态略差于1#齿轮箱。油液监测结果也反映出2#齿轮箱的磨损比1#齿轮箱略大，详见表1。该突出的单一频率成分来源还需要进一步分析。2#齿轮箱振动烈度为1.2 mm/s，1#齿轮箱为1.3 mm/s。两个齿轮箱振动烈度相差很小，说明故障不严重，同时也说明：相比于振动烈度，啮合频率处的调制信号对齿轮箱故障更为敏感，是一个较好的监测和诊断参数。

表1 齿轮箱油液监测结果

3 结论

（1）两个齿轮箱振动加速度信号的时间历程曲线差别不明显，但频谱上的最大幅值差别明显，最大幅值对应的频率近似为齿轮啮合频率，说明故障与啮合频率密切相关。

（2）在啮合频率附近进行带通滤波，再经过Hilbert变换取包络，两个齿轮箱振动信号差别更为明显。2#齿轮箱的包络信号存在明显突出的单频成分，说明该齿轮箱存在故障，油液分析的结果也验证了此结论。

图7 1#齿轮箱垂向啮合频率附近的振动加速度包络信号频谱

图8 2#齿轮箱垂向啮合频率附近的振动加速度包络信号频谱

（3）两齿轮箱振动烈度相差不大，说明故障轻微，同时也说明啮合频率处的调制信号对齿轮箱故障更为敏感，是一个较好的监测和诊断参数。

（4）2#齿轮箱25.4 Hz的调制频率成分既不是主轴频率，也不是柴油机转频，该频率成分的来源还需要更多的测试数据进一步分析，以判断故障的具体来源。

［1］丁康，李巍华，朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］飞思科技产品研发中心.MATLAB7辅助信号处理技术与应用［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［3］刘树林，王金东，李凤明，等译.冲击与振动手册［M］.北京：中国石化出版社，2008.