变速箱噪声的频谱分析与故障诊断

　　变速箱的变速、储能、增加扭矩等作用，使它成为动力机械中应用十分广泛的通用部件之一。它的工作是否正常涉及到整台机器或机组的工作性能。变速箱的工作形式和结构复杂性，又使得它容易引发故障。因此，变速箱的质量检测在动力机械工程中占有重要的地位。

　　本文运用故障诊断技术分析变速箱出现故障的原因。实施故障诊断技术的首要步骤是获得反应检测对象运行状态的诊断信息。在动力机械工程中，获得诊断信息的常用方法有直接观察法、振动噪声检测法、磨损残留物检测法和运行性能监测法等［1］。对变速箱而言，振动和噪声信号是故障诊断的重要信息。

　　变速箱的噪声水平可以从客观上反映变速箱的工作状态，而成为其质量检测的指标之一。在设计变速箱时，就规定了其噪声标准。声与振动紧密地联系在一起，是源与流的关系。因振动而发声的物体即是声源，当振动以波的形式在弹性媒质中传播时，便形成声波。噪声是人类不希望听到的声音，是一种环境污染，会对人造成生理和心理的危害。因而，对噪声的监测、诊断和控制是多门学科尤其是机械工程研究的重要课题。

　　变速箱在工作中，内部构件，如齿轮、轴承等，不断产生振动冲击。当有故障存在时，其振动强度增大，噪声水平超标。本文根据振动和噪声谱，利用相干函数分析，结合实验手段，分析了一台BJ212型变速箱噪声超标的原因。

　　1　变速箱振动系统响应及相干函数

　　1.1　振动系统响应分析

　　变速箱是由箱体、轴、轴承和齿轮等组成的，因此箱内存在多种激励。主要有简谐激励、周期激励和随机激励三种形式。其中轴承中的滚动体在通过负荷区时产生简谐激励，齿轮啮合以及齿面节线冲击和啮合冲击产生周期激励，而由于轴承和齿轮的设计不当等原因则引起随机振动。在小振动的情况下，可以假设为小阻尼中参数系统，故可从其振动微分方程中求得其时域响应。

　　鉴于建立变速箱的实际振动模型很困难，数学方程不容易建立起来，因此在工程上一般是分析其频域响应。在线性系统中激励和响应在功率谱图上的关系如图1所示，其中Fh为简谐激励的频谱，Fs为周期激励的频谱，Fr为随机激励的频谱。

　　对于线性系统，各激励的线性叠加的响应等于各激励单独作用的响应叠加。变速箱内轴的旋转、齿轮的啮合等产生的都是周期性振动信号，在谱图上有突出的峰值，随机激励看作是平稳和宽带的，在谱图上接近水平直线，并不影响对特征频率的识别。

　　1.2　相干函数分析

　　γXY（f）为频率f处对应输入X（t）的输出量的均方值在总输出量均方值中所占的比例。而1-γXY（f）则为其它不相关输入所引起的比例。在实际分析中，相干函数是通过计算输入信号和输出信号的互功率谱与自功率谱得到的。在整个测量频带上，相干函数是标准化的，因而消除了传感器和传感通道的增益作用。

　　2　振动、噪声测试及数据分析

　　2.1　测试过程与仪器

　　测试的目的是拾取变速箱的振动及噪声信号，实验过程及仪器设备如图2所示。实验时，采用三向加速度传感器，由三维振动矢量全面反映检测对象的振动状态。传感器安装在Ⅱ轴轴承座孔处，以获得在径向水平、径向垂直和轴向三个方向的振动信号。将ND2精密声级计置于距输出轴轴端75-100cm处，以获得噪声信号。三路振动信号和噪声信号由磁带记录仪记录。示波器则用于监视实验过程中各信号的状态。所检测变速箱有五个变速档，模拟实际工况，我们测量其在各档下的振动、噪声信号和电压。

　　2.2　变速箱特征频率分析

　　统计资料表明［2］，齿轮、轴承和轴的故障占变速箱故障的90％。特征频率也就是轴频、齿轮的啮合频率以及轴承的内外圈和滚动体的频率。它们和谐频、边频相结合，成为对故障判定的依据。图3为BJ212型变速箱传动简图，表1列出轴和齿轮啮合的特征频率，其中输入轴的转速为2200rpm。[page]

　　2.3　振动、噪声谱及相干函数分析

　　诊断对象即BJ212型变速箱有五个档位，设计噪声指标为空档89.5dBA、Ⅰ档90dBA、Ⅱ档90dBA、Ⅲ档88dBA和倒档91dBA。本文所检测的变速箱噪声明显超标，其倒档时的噪声达到97dBA，故需对在各档下测得的振动和噪声信号进行谱分析以及相干函数分析，寻找故障原因。

　　本文以倒档时的振动、噪声谱和相干函数分析为例，将实验测得的变速箱振动、噪声信号经专门设计的计算机程序进行处理后，得到测试点处三个方向的振动频谱图（图4～图6）、噪声信号的频谱图（图7）和相干函数图（图8）。其中，采样频率为2000Hz，采样点数为1024，实测的输入轴转速是2226rpm。在图4～图6中，纵坐标为各振动加速度自（功率）谱与幅值1g、频率50Hz的简谐加速度之自谱的比值，图7的纵坐标为声级计输出电压信号幅值。由于理论上的电机转速与实际值总有差别，以及其它不可避免的测试和计算误差，使得谱图上的特征频率与相应的理论值并不能精确吻合。在图4所示的振动频谱图上，轴频及Z15/Z29啮合频率分别为19.44Hz（理论值为19Hz）和558.9Hz（理论值为550.57Hz）。从图7所示的噪声谱图中看到，中频噪声能量较强，尤以558.9Hz及其边频处的幅值最为突出。说明该频率分量在总噪声中贡献较大，其原因需结合声源（变速箱）具体结构特点进行分析。

　　由图4～6可以看出，虽然所测的是同一点的振动，其频谱图所包含的信息却是有所不同。相干函数表明，特别是在径向垂直振动的谱图上，明显地出现了Ⅱ轴的轴颈f2及其高次谐频2f2、3f2、…。同时我们还注意到，三个方向振动的频谱图包含有相同的信息，即在啮合频率558.9Hz两边具有明显的边频带，而且边带族以558.9±n×19.44Hz比较突出，而其它边带族并不明显。实际上的Ⅰ、Ⅱ档下这些特征反映的同样十分明显［3］。这都说明Ⅱ轴的轴频是一个调制源，表明故障发生在该轴上。Ⅱ轴的不对中或Z29这个齿轮出现损伤可引起以上故障。

　　谱图上轴承的特征频率并不突出，说明轴承的振动对噪声贡献不大，亦即故障并不来自轴承。本文检测后经有关人员对测试对象开箱检验，发现Z29这个齿轮有一齿出现明显损伤。

　　3　结论

　　本文以噪声作为故障症状，通过相干函数分析确定相关的振动信号，从而由振动信号的频谱特征分析故障原因，实验表明这种方法能够建立故障征兆空间与故障状态空间的映射，故具实际效果。

　　振动和噪声的谱分析作为一种传统的分析手段，其丰富的诊断事例还为诊断专家系统提供了丰富的专家知识，从而决定性地提高专家系统的水平。所以，基于相干理论的针对性实验研究，对于现代故障诊断理论在工程实际中更好地发挥其作用有着重要意义。