齒輪箱滾動(dòng)軸承振動(dòng)診斷的難點(diǎn)與對策

王 曙，劉紅星，白志平，李 馬，王正祥，鄭維軍

（1.南京大學(xué)，江蘇 南京 210093；2.金川集團(tuán)公司，甘肅 金昌 737100）

一、難點(diǎn)分析

齒輪箱滾動(dòng)軸承振動(dòng)診斷中，一般是在軸承座或齒輪箱的箱體表面安裝振動(dòng)加速度傳感器，采集相應(yīng)的加速度信號來進(jìn)行分析。但采集的振動(dòng)加速度信號在波形或頻譜圖上很難顯現(xiàn)出故障特征，特別是對齒輪軸承的早期故障更是如此，如圖1a、1b所示。在時(shí)域波形上，實(shí)際存在的齒輪軸承局部缺陷本應(yīng)帶來周期性沖擊振動(dòng)串，但波形上并未顯現(xiàn)此特征（被淹沒在其他雜波中）；在頻譜圖上，對應(yīng)各故障的特征頻率處本應(yīng)出現(xiàn)譜峰，但也并未顯現(xiàn)此特征，頻譜模糊。

波譜不能顯現(xiàn)故障特征的原因在于，齒輪箱滾動(dòng)軸承表面拾取的振動(dòng)加速度信號是一個(gè)非平穩(wěn)非線性多成分的高度復(fù)雜信號，信噪比極低。具體原因概括如下：（1）設(shè)備內(nèi)部一般有多個(gè)振源，一個(gè)滾子對應(yīng)一個(gè)振源，一對齒輪嚙合副也對應(yīng)一個(gè)振源。（2）振動(dòng)傳遞路徑長而復(fù)雜，傳感器在軸承座或齒輪箱體表面，遠(yuǎn)離振源，振動(dòng)傳遞路徑長；傳遞路徑不全是剛性環(huán)節(jié)、存在油膜等會(huì)造成非線性現(xiàn)象的環(huán)節(jié)。（3）各振源的振動(dòng)有沖擊特性，是很寬的頻帶，會(huì)激發(fā)系統(tǒng)部件的固有振動(dòng)。（4）負(fù)載的變化、電機(jī)電源的波動(dòng)等隨機(jī)因素會(huì)帶來信號的時(shí)變性、不平穩(wěn)性。

二、相應(yīng)對策

要提高信號信噪比，具體對策如下：（1）在拾取滾動(dòng)軸承、齒輪箱表面振動(dòng)加速度信號時(shí)，加采一路軸的轉(zhuǎn)速信號，依據(jù)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)情況，對表面采集的振動(dòng)加速度信號進(jìn)行等角度采樣以實(shí)現(xiàn)其平穩(wěn)化，制作相應(yīng)的階次譜（或叫階比譜），則可在一定程度上減小頻譜的模糊性；（2）分離提取感興趣的特征分量進(jìn)行分析評判，則有高的信噪比。特征分量的分離提取源于特征頻率，可依據(jù)轉(zhuǎn)速和齒輪軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)換算出某個(gè)特征頻率，在換算出的特征頻率對應(yīng)的特征周期附近搜索，如圖1e所示，一方面用于確定精確的特征周期，另一方面可觀察特征分量是否顯著。若在特征周期搜索譜上有明顯的譜峰，則表明特征分量顯著，應(yīng)定為感興趣分量，進(jìn)而依據(jù)它的精確特征周期，分離提取出它的波形和頻譜進(jìn)行評判。分離提取出的波形頻譜會(huì)顯現(xiàn)高的信噪比，如圖1c、1d所示。

圖1 振動(dòng)加速度信號的復(fù)雜性及其感興趣分量提取示例