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高速分散机齿轮共振原因分析

文章编辑:【本站】发布日期:2021-03-15 17:32:40

1齿轮故障共振频带振动特征
1.1振动信号模型
在齿轮箱运行过程中,当局部故障齿轮与其他齿轮啮合时,会引起重复冲击,激发机械系统甚至测试系统共振。在幅值方面,由于阻尼的作用,共振成分很快衰减;在频率方面,在共振成分存在期问,瞬时频率近似等于共振频率,共振在阻尼的作用下衰减消失后,瞬时频率为零。但是在重复冲击的作用下,共振成分重复出现,从而对共振频率产生幅值调制和频率调制作用。因此,共振频带内齿轮故障振动信号可视为调幅一调频过程,其载波频率为共振频率,调制频率为齿轮故障特征频率。对于常见的定轴齿轮传动,不失一般性,考虑载波频率和调制频率的基频,则振动信号模型可以简化为
2信号分析流程
首先进行共振频率辨识。机械系统和测试系统的共振频率与齿轮箱的转速无关,不随转速变化,而齿轮传动的啮合频率、故障特征频率以及啮合频率及其倍频附近的边带与转速成正比,随转速变化。根据这一性质以及共振频带振动信号的时变频谱特点,在时变转速工况下,通过振动信号时频分析辨识共振频率,若时变边带围绕某恒定频率对称分布,则将该恒定频率识别为共振频率。
确定共振频带位置后,进行共振频带分量分离。以共振频率为中心频率,考虑共振频率附近时变边带的频率分布范围设计滤波器带宽,通过带通滤波分离共振频带振动分量。
对于恒定转速信号,直接对其共振频带进行频谱分析,识别故障特征。
对于时变转速信号,分别进行幅值解调分析与频率解调分析。时变幅值解调分析:通过Hilbert变换构造共振频带分量的解析信号,计算幅值包络,对幅值包络进行时频分析,得时变包络谱,分析其中的时频脊线。时变频率解调分析:为了满足计算瞬时频率的单分量要求,应用经验模式分解(EMD)将信号分解为若干本质模式函数(IMF)。基于Hil-bert变换计算各本质模式函数的瞬时频率。选择瞬时频率围绕共振频率波动的本质模式函数进行频率解调分析,其原因在于:共振频带内齿轮故障振动信号的载波频率为共振频率,瞬时频率围绕共振频率波动的本质模式函数包含齿轮故障信息。对所选本质模式函数的瞬时频率进行时频分析,得时变频率解调谱,分析其中的时频脊线。   最后,综合分析原始信号在共振频率附近的时变边带问隔、共振频带分量时变包络谱和共振频带敏感单分量时变频率解调谱中的时频脊线,根据它们和齿轮故障特征频率之问的对应关系诊断故障原因。
整体分析方法流程如图1所示。
3仿真信号分析
本节分析齿轮故障振动数值仿真信号,说明上述方法的原理和性能。只考虑定轴齿轮箱共振频率和齿轮局部故障特征频率的基频,则共振频带的振动信号可简化为
为了说明第2节中提出的信号特征分析方法在时变转速工况下的性能,令齿轮箱转速时变,齿轮故障特征频率为fs(t)=9t。对时变转速工况下的仿真信号进行重排小波变换时频分析,结果如图3所示。在[5900,6100]Hz频带范围内,存在恒定频率成分6000Hz,对应共振频率fn。随着转速升高,两侧出现发散的边带,对应边带fn±(1-2)f(t),时变边带问隔为故障特征频率fs(t)。
时变边带的复杂性不利于直接识别故障特征,而共振频带信号的调幅和调频部分的调制频率和齿轮故障特征频率直接相关,为此,对信号进行时变幅值解调与时变频率解调分析。
时变转速工况信号的时域波形如图4(a)所示。通过中心频率为6000Hz,通带宽度为200Hz的带通滤波器,分离共振频带分量,并计算其幅值包络,对幅值包络进行重排小波尺度谱分析,得到的时变幅值解调谱如图4(b)所示,可见时变包络谱中的时频脊线对应齿轮故障特征频率fs(t)。
计算共振频带分量的瞬时频率,如图5(a)所示。对瞬时频率进行重排小波尺度谱分析,得到的时变频率解调谱如图5(b)所示,可见时频脊线对应齿轮故障特征频率f(t)。
上述分析说明幅值解调和频率解调能够直接提取齿轮故障特征,克服复杂时变边带引起的困难。
工程中一般存在较大的噪声影响,为研究上述分析方法对噪声的敏感程度,将仿真信号中的白噪声信噪比变为-10dB,同样进行上述分析流程,得到时变幅值解调谱与时变频率解调谱如图6(a)与图6(b)所示,时频脊线对应齿轮故障特征频率fs(t),在强噪声的情况下,依然能得到较好的分析结果。由此可见,上述研究方法对噪声的敏感程度较低,可应用于实际信号的故障诊断。




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