齿轮箱故障诊断的频响修正法研究

张志斌，王菁，高韬（. 河北省石家庄市9469部队，河北石家庄，050070；. 河北省石家庄市发展和改革委员会信息中心，河北石家庄，0500；. 华北电力大学自动化系，河北保定，0700）



齿轮箱故障诊断的频响修正法研究

张志斌1，王菁2，高韬3
（1. 河北省石家庄市93469部队，河北石家庄，050070；
2. 河北省石家庄市发展和改革委员会信息中心，河北石家庄，050011；
3. 华北电力大学自动化系，河北保定，071003）

传统的齿轮箱故障诊断是通过在箱体上采集振动响应信号进行分析实现的，而振动响应信号是箱体内部各零部件对箱体的激励信号通过不同的传递路径叠加而成的复合振动信号。由于传递路径的影响，使得振动响应信号的变化不能如实地反映激励信号的变化，进而影响最终的诊断效果。本文提出基于频响修正的齿轮箱故障诊断方法，通过对振动响应信号进行频响修正以消除传递路径的影响，不仅提高了诊断结果的准确性和有效性，而且显著提升了对早期故障的诊断能力。

频响修正；齿轮箱；故障诊断

引言

齿轮箱故障诊断的传统方法是响应分析法，通过响应分析法判断齿轮箱内激励信号的工作状态［1］。由于振动响应信号是激励信号和其它各种信号通过传递路径叠加的结果，在某些情况下响应分析法的效果不理想，不能够准确反映最能够表征齿轮箱内部运行情况下激励信号的变化［2］。

因此本文在分析传递路径对振动响应信号影响的基础上，研究了基于频响修正法的齿轮箱故障诊断方法，并通过试验证明该方法可以在很大程度上消除传递路径对振动响应信号的影响，通过对得到近似激励信号的频响修正信号进行特征提取和故障模式识别，不仅能够提高诊断结果的准确性和有效性，而且能够大大提高对早期故障的诊断能力［3］。

1　基于响应分析的齿轮箱故障诊断方法

齿轮箱箱体的振动信号中蕴含了箱体内部有关部件运行状态的丰富信息，是设备运行状态特征的主要载体之一。当箱体内部的设备发生异常或故障时，箱体振动响应信号的频率组成和振幅等都会发生相应的变化。

基于响应分析的齿轮箱故障诊断方法是通过对齿轮箱箱体振动信号的频率、振幅等参数进行分析，从中提取出有效的故障特征参量，借助运用模式识别算法［4］，最终对齿轮箱的故障部位和故障类型做出分析、诊断和定位。

2　响应分析法的不足

当齿轮箱箱体发生异常振动时，测量某一点的振动信号，该振动信号由齿轮箱内部有关部件的振动通过不同的传递路径传来且叠加形成的。由于各个部件到同一测点之间的传递路径不同，在该测点测量得到的振动信号所能反映的各个部件的工作状况的程度也不同，这是由齿轮箱箱体的传递特性决定的。

当采用多个传感器测量时，同一部件到各个传感器的传递路径也不同；通过各个传感器测量得到的振动信号所能反映的同一部件的工作状况的程度也不同，这也是由齿轮箱箱体的传递特性决定的。

在齿轮箱运转过程中，各轴系在轴承座处对箱体施加的激励，标记为｛F（ω）｝；在箱体上测得的振动响应信号，标记为｛X（ω）｝。二者之间的关系可以表示为｛X（ω）｝=［H（ω）］·｛F（ω）｝。其中，［H（ω）］为箱体的频响函数矩阵。

齿轮箱工作状态的变化直接反映在｛F（ω）｝的变化上，传递通道的影响表现为频响函数矩阵［H（ω）］。H（ω）结果是给F（ω）在各个频率点加上一个放大因子，在有的频率段信号被放大，在有的频率段被衰减，这样就造成箱体的振动响应X（ω）不能很好地反映齿轮箱的工作状态［5］。

3　基于频响修正的齿轮箱故障诊断方法

由上面的分析可以得出结论：影响振动响应分析法诊断精度的主要原因是没有考虑齿轮箱箱体传递路径对振动信号的影响。因此，如果充分考虑齿轮箱箱体的传递路径对振动信号的影响，必然可以提高齿轮箱故障诊断的精度。而传递路径对振动信号的影响，直接体现在箱体的频响特性上，也就是说，只有箱体的传递特性才能够科学地表征传递路径对振动信号的影响。鉴于此，本文提出基于频响修正的齿轮箱故障诊断方法。

3.1基本原理

基于频响修正的齿轮箱故障诊断法的基本原理是：利用测量得到的齿轮箱箱体的频响特性，对由各个测点测量得到的振动信号进行修正，以消除传递路径对振动响应信号的影响，得到更能够反映齿轮箱工作状况的激励信号｛F（ω）｝的近似信号—频响修正信号。在此基础上，再采用传统振动分析法中的特征提取技术和模式识别算法，得到最终的诊断结论。

在已知振动响应信号｛X（ω）｝和箱体的频响函数矩阵［H（ω）］时，就可以得到各个轴承座处的激励信号｛（ω）｝=［H（ω）］-1·｛X'（ω）｝。信号｛F（ω）｝直接表述了各轴系对箱体的激励，其中不存在传递路径的影响，因而能够更好地反映齿轮箱的工作状态。

3.2实例

单级传动的齿轮箱输入轴齿轮齿数为28，输出轴齿轮齿数为36，电机转速为1473r/min，输入轴回转频率为24.55Hz，输出轴回转频率为19.11Hz，齿轮啮合频率为688Hz。在从动轴齿轮齿根处加工宽0.1mm、深3mm的小槽以模拟齿根裂纹。正常工况下和从动轴齿根裂纹工况下单级齿轮箱箱体上某一点测得的振动响应信号及其频响修正信号的功率谱分别如图1中a、c及b、d所示。

图1　基于频响修正齿轮箱故障诊断效果图

由图1可以看出，由于传递路径的影响，振动响应信号的功率谱所反映的齿轮箱状态信息很不明显。而频响修正信号的功率谱则能够较好地反映齿轮箱的实际工况：正常工况时，啮合频率处（688Hz）幅值远远大于其它频率，而且无明显的幅值调制现象；当齿根存在裂纹时，啮合频率的倍频幅值明显增大，且调制现象有所增强。

4　结论

本文提出的频响修正法，可以在很大程度上消除传递路径对振动响应信号的影响，得到近似激励信号的频响修正信号。实验验证，在频响修正信号的基础上进行特征提取和故障模式识别，能够有效提高齿轮箱故障诊断的精度。

国家自然科学基金（51306058， 71102174）；河北省科技支撑计划重点项目（15212204D）。

［1］Stewart， R.M.Some Useful Analysis Techniques for Gearbox Diagnostics， Machinery Health Monitoring Group， Institute of Sound and Vibration research， University of Southhampton， July 1977.

［2］栾军英.基于激励分析的齿轮箱故障诊断研究. ［D］.石家庄.军械工程学院，1999.

［3］张志斌.基于频响修正的齿轮箱故障诊断研究. ［D］.石家庄.军械工程学院，2004.

［4］S.Edwards， A.W.Lees， and M.I.Friswell. Fault Diagnosis of Rotating Machinery［J］. The Shock and Vibration Digest，Vol.30，No.1.Janurary，1998，4-13.

［5］王建军，李润方.齿轮系统动力学的理论体系［M］.中国机械工程，1998，9（12）:55-59.

张志斌（1969），男，博士，高级工程师。研究方向：航空维修工程。

王菁（1971-），女，高级工程师，硕士。研究方向：计算机应用。

高韬（1981-），男，正高级工程师，博士后。研究方向：新能源汽车。

Study on Fault Diagnosis of Gearbox Based on FRF-Modified Method

Zhibin Zhang1， Jing Wang2，Tao Gao3
（1. 93469 division Air force， Shijiazhuang， Hebei， 050070， China；
2. Information Center， Reform Commission， shijiazhuang， Hebei， 050011， China；
3. Department of Automation， North China Electric Power University， Baoding， Hebei， 071003， China）

Traditional fault disgnosis of gearbox is based on the analysis of vibration signals collected from the gearbox. Vibration signals can not fully reflect the features of the excitation signals for the cause of the effects added by the passages. This can sometimes affects the accuracy of the result of the traditional fault diagnosis method.A FRF-modified method has been developed in this paper to elliminate the bad effects added on the excitation signals by the passages and to improve the the accuracy of the fault diagnosis of gearbox. Experiments show that the proposed method can improve the accuracy of the fault diagnosis even in early stage.

FRF-modified； Fault Diagnosis； Gearbox

TN911.72

A

2095-8412 （2016） 03-315-03