齒輪傳動系統故障診斷方法研究

呂克明

摘要：齒輪零件日益廣泛的在越來越多的場景和工程中使用，特別是在今天的重工業(yè)領域中，在航天、石油、煤礦和軍事的工程應用中已經成為其重要機械順利運行的部件，盡管齒輪傳動系統在當前有著如此重要的應用地位但由于其長期使用，系統會出現綜合性故障，因此，如果不能夠克服長期使用帶來的零件損耗問題就無法保障整個裝置的安全性和可靠性，所以如何有效地監(jiān)測和處理機械裝置中的齒輪傳動系統的故障是當前急需探索的重要議題。

關鍵詞：齒輪傳動系統;故障診斷;方法

Abstract： Gear parts are increasingly widely used in more and more scenes and projects， especially in today’s heavy industry. They have become important components for smooth operation of machinery in aerospace， petroleum， coal， and military engineering applications. Although the gear transmission system has such an important application status at present， due to its long-term use， the system will have comprehensive failures. Therefore， if the problem of parts loss caused by long-term use cannot be overcome， the safety and reliability of the entire device cannot be guaranteed. Therefore， how to effectively monitor and deal with the failure of the gear transmission system in the mechanical device is an important topic that needs to be explored urgently.

Key words： gear transmission system;fault diagnosis;method

0? 引言

齒輪傳動系統是一種旋轉機械系統，在其故障診斷的工作過程中應該進行故障機理方面的研究工作，從而使得維修工作人員對于故障特征的分析能夠更加深入的進行。齒輪傳動系統的旋轉狀態(tài)的檢測和故障工作是在診斷設備和故障機理的基礎上進行。需要進行機理研究工作在機械振動學、材料失效學、運動學以及摩擦學等理論做好深入的研究工作，還需要在機理的基礎上進行不同參數下的數學模型，故障機理中的數值分析方法也是十分常用的，將發(fā)生故障的原因和故障征兆之間進行深入的分析和處理工作，將故障診斷工作應用于生產實際。獲取信息的方式和診斷的基本方法分為了許多方面的診斷技術：振動檢測技術、油液分析技術等，都在實際的工作中發(fā)揮了十分重要的作用。

1? 國內外研究現狀及發(fā)展動態(tài)分析

目前，國內外對于齒輪傳動系統的故障診斷方法較為傳統，主要停留在研究某一機械環(huán)節(jié)的單一信號，例如機械裝置中的振動信號或者聲發(fā)射信號。這種傳統方法的判斷原則是根據機械裝置中某一單一信號本身所具有的物理特性來診斷其故障。傳統方法具有一定的局限性，尤其是在信號采集方面容易受到外部環(huán)境的擾亂，除此之外，操作者往往會對早期的單一信號故障由于感知能力差，故出現因主觀因素而診斷失誤的問題。在現行的其他方法中，還會通過改良上述方法進行除單一信號以外，進行多種信號同時采樣的同時域、同頻域和同空間狀態(tài)的物理特征診斷，但這種改進方法仍然具有故障診斷正確率偏低的缺點。因此，在這種方法的基礎上進一步拓寬思路，提高齒輪傳動系統的故障診斷正確率，使得機械裝置在各大領域的應用日漸穩(wěn)定。

2? 齒輪傳動系統故障診斷方法

2.1 振動分析故障診斷方法

在對齒輪傳動系統進行故障診斷時，較早采用的是振動分析的研究方法，目前此類研究的重點主要體現在對故障進行機理分析、特征參數提取、智能故障診斷和信號降噪與處理等幾個方面。

在提取參數方面的研究中，經歷了從早期的直接、簡單測量各個時域的振動參數，逐漸過渡到分析振動頻域的方法，這種方法的轉變是因為信號處理技術的發(fā)展尤其是以FFT為代表的有效性方法的進步。在研究初期Bridal和JamesI.Taylor利用最小方差倒譜的方法對軸承的細微故障進行診斷。在實現階次跟蹤技術的基礎上采集機械裝置的振動信號，這種技術可以在即使轉速變化不大的情況下依然可分析得出較為準確的齒輪系統故障診斷數據。最近10年，隨著現代信號的分析方法如：希爾伯特-黃變換、小波分析、經驗模態(tài)分解、時頻分析等手段的不斷豐富，應用在齒輪系統故障的信號分析結果準確率得到顯著提升。同時，用于提取齒輪箱變工況下特征諧波的包絡譜解調技術，也在診斷系統中得到了不錯的應用。褚福磊和陳進等研究了時頻分析技術在齒輪箱等裝置的故障診斷技術。

2.2 油液分析故障診斷方法

另一項診斷技術是油液分析技術。該技術的作用原理是通過檢測齒輪潤滑油性能狀態(tài)和攜帶的磨粒進行分析，以此獲得機械動力傳遞系統的有關信息狀態(tài)，從而實現對齒輪系統故障的評價和預測。

在融合油液與振動兩方面信息中，主要通過分析振動與磨粒的兩者信息是否過載的情況，對齒輪箱體進行故障診斷，同時還可對多種故障中的故障原因做關系分析。其他類似的研究中，針對機械軸承的振動和磨損信號關系分析振動信號在高頻時期的峰值及均值變化與摩擦參數之間的關系。國內研究人員將振動分析方法和油液分析利用DS證據理論相融合后對齒輪系統故障診斷進行研究。通過建立數學模型對齒輪系統的磨損進行分析，并驗證了該數學模型的科學性。

雖然可以利用潤滑油中所含微量金屬粉末顆粒的物理性狀來檢測齒輪系統的磨損狀況，但是該方法很難立即提取齒輪系統的磨損顆粒，若是進行離線的分析則又會對齒輪系統的連續(xù)運行造成影響。同時利用油液分析又要求儀器的精密度達到嚴格標準，且采取樣本的過程較復雜。通過對滾動軸承的監(jiān)測來看，其潤滑脂溫度以及振動信號等多種復合信息可以形成齒輪系統的多信號監(jiān)測系統。試驗結果充分驗證了利用潤滑油液狀態(tài)反映齒輪系統故障的不足。早期齒輪系統出現細微故障時，潤滑脂溫度變化不顯著，而當發(fā)生大規(guī)模嚴重故障時潤滑脂溫度才有明顯升高。

2.3 能量分析故障診斷方法

目前，針對機械裝置的齒輪系統故障診斷研究，國內外大多從各種裝置振動信號的分析出發(fā)，但由于振動傳感器往往需要依附在機械裝置上才能捕捉到振動信號，加之此類振動傳感器或因安裝操作不便或因安裝外部環(huán)境惡劣，使得這種基于傳感振動分析的技術受到很多外部條件的限制。對于檢測齒輪系統內部的故障，又必須通過對外圍裝置振動信號的拾取進行分析，外圍裝置的振動信號常常由于傳遞路徑繁雜多樣，導致拾取到的信號失真嚴重。在廣泛應用于交通領域的魯棒性較弱的設備中，其在高鐵列車變速箱、高速發(fā)動機和汽輪機等裝置中的應用，通常伴隨著周圍相對較大的噪聲能量。這些故障信號容易淹沒難以捕捉，如果在初期的細弱故障沒有做到及時檢測和排查就可能會為社會生產和生活造成嚴重后果。根據數據統計，由磨損和振動分析齒輪系統故障的機械裝置只能實現其約百分之四十的檢測正確率?？上驳氖牵瑹o線測試技術的發(fā)展，為機械設備的齒輪系統故障檢測技術及時輸入各種能量信號要素，使得測診斷技術越來越便利，因此必須大力發(fā)展能夠實現無線故障診斷技術。

我國華南理工大學的黃平教授針對齒輪等旋轉機械的能量耗損方面的研究指出旋轉機械能部分轉為無效熱能的原因。即原子在摩擦時因各種因素使其本身所具有的能量沒有均勻分布，故原子的能量在傳遞時會損耗。Wang的能量邊界法，從微觀角度對機械裝置的振動展開分析。Diab建模分析了齒輪系統在機械裝置運作時的功率損耗。張秀芳對齒輪系統的振動能量特性以及其影響因素進行了研究分析。以上研究都是基于動力學角度對機械裝置的能量傳遞理論進行分析，未能拓展到利用數值來診斷故障。馮偉研究了機械裝置的能量耗損與磨損振動之間的關系。謝小鵬提出了機械裝置的故障診斷理論，他利用發(fā)動機的某一時刻油耗率作為參考特征，對比同一時刻的振動信號與其他數據，驗證了機械裝置磨損故障的診斷有效性。肖海兵建立了震動信號的特征庫獲取動力學的各類能量耗損數據，進行故障診斷研究。

當前，對于機械裝置的損耗診斷研究主要集中在研究設備的磨損和振動中的能量耗損方面，對其他視野的相關技術研究較少。例如，通過對功率信號展開故障分析的相關文獻僅十余篇，無一例外都是基于電動機故障診斷的視角，未見其他分析方法的相關文獻。

3? 能量診斷方法有效性分析

從能量傳遞的方面看，齒輪系統振動的同時也是物理能量的傳播過程，能量不可避免的會在傳遞過程中發(fā)生一定程度的損耗，這種損耗也表現為齒輪系統部件的磨損。其振動的頻率與輸入能量的強度有關。因此，當齒輪系統在傳動時出現故障，就會出現循環(huán)功率從而嚴重影響到齒輪傳動的運作，此時向外傳遞的振動能量就發(fā)生變化，向外表現為齒輪箱體的結構性振動，和向周圍環(huán)境發(fā)出的噪聲，通過對這種震動和噪聲的檢測可以實現對齒輪故障的診斷。

齒輪系統在外部振動的過程中產生了物理能量的損耗，因此，可以用輸入輸出的映射關系來表現齒輪輸入能量與齒輪的故障振動之間的關系。

由于公式功率譜密度的計算是基于一定數據的預測，所以相關函數也相當于采用了概率統計的形式輸入了信號x（t）對于總輸出信號y（t）的貢獻比例大小，以此從頻域角度揭示了二者的動力學關系。其相干值越大，表示處于該數值的振動耗能越明顯，反之則越微弱。因此就從經典控制理論角度驗證了齒輪振動機理分析的有關內容，闡釋了振動信號與能量信號之間的相關關系。

4? 結論

本文通過梳理和列舉齒輪系統故障診斷的傳統方法、集成方法以及智能方法各自的方式方法，搜集了近年來國際國內對齒輪系統故障診斷方面的的發(fā)展趨勢和應用前景進行綜合對比，總結了各類方法體系的優(yōu)缺點。從而有利于融合不同體系下檢測技術的優(yōu)點，從而有效提升齒輪系統的故障診斷的準確性和時效性，最大程度的提高安全效益。齒輪系統在故障診斷方法研究的綜合梳理，有利于故障診斷方法在更大領域內得到重視與技術提升，同時也便于國內外學者和研究機構進行參閱和研究。

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