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高速分散機齒輪共振原因分析

文章編輯:【本站】發布日期:2021-03-15 17:32:40

1齒輪故障共振頻帶振動特征
1.1振動信號模型
在齒輪箱運行過程中,當局部故障齒輪與其他齒輪嚙合時,會引起重復沖擊,激發機械系統甚至測試系統共振。在幅值方面,由于阻尼的作用,共振成分很快衰減;在頻率方面,在共振成分存在期問,瞬時頻率近似等于共振頻率,共振在阻尼的作用下衰減消失后,瞬時頻率為零。但是在重復沖擊的作用下,共振成分重復出現,從而對共振頻率產生幅值調制和頻率調制作用。因此,共振頻帶內齒輪故障振動信號可視為調幅一調頻過程,其載波頻率為共振頻率,調制頻率為齒輪故障特征頻率。對于常見的定軸齒輪傳動,不失一般性,考慮載波頻率和調制頻率的基頻,則振動信號模型可以簡化為
2信號分析流程
首先進行共振頻率辨識。機械系統和測試系統的共振頻率與齒輪箱的轉速無關,不隨轉速變化,而齒輪傳動的嚙合頻率、故障特征頻率以及嚙合頻率及其倍頻附近的邊帶與轉速成正比,隨轉速變化。根據這一性質以及共振頻帶振動信號的時變頻譜特點,在時變轉速工況下,通過振動信號時頻分析辨識共振頻率,若時變邊帶圍繞某恒定頻率對稱分布,則將該恒定頻率識別為共振頻率。
確定共振頻帶位置后,進行共振頻帶分量分離。以共振頻率為中心頻率,考慮共振頻率附近時變邊帶的頻率分布范圍設計濾波器帶寬,通過帶通濾波分離共振頻帶振動分量。
對于恒定轉速信號,直接對其共振頻帶進行頻譜分析,識別故障特征。
對于時變轉速信號,分別進行幅值解調分析與頻率解調分析。時變幅值解調分析:通過Hilbert變換構造共振頻帶分量的解析信號,計算幅值包絡,對幅值包絡進行時頻分析,得時變包絡譜,分析其中的時頻脊線。時變頻率解調分析:為了滿足計算瞬時頻率的單分量要求,應用經驗模式分解(EMD)將信號分解為若干本質模式函數(IMF)?;贖il-bert變換計算各本質模式函數的瞬時頻率。選擇瞬時頻率圍繞共振頻率波動的本質模式函數進行頻率解調分析,其原因在于:共振頻帶內齒輪故障振動信號的載波頻率為共振頻率,瞬時頻率圍繞共振頻率波動的本質模式函數包含齒輪故障信息。對所選本質模式函數的瞬時頻率進行時頻分析,得時變頻率解調譜,分析其中的時頻脊線。   最后,綜合分析原始信號在共振頻率附近的時變邊帶問隔、共振頻帶分量時變包絡譜和共振頻帶敏感單分量時變頻率解調譜中的時頻脊線,根據它們和齒輪故障特征頻率之問的對應關系診斷故障原因。
整體分析方法流程如圖1所示。
3仿真信號分析
本節分析齒輪故障振動數值仿真信號,說明上述方法的原理和性能。只考慮定軸齒輪箱共振頻率和齒輪局部故障特征頻率的基頻,則共振頻帶的振動信號可簡化為
為了說明第2節中提出的信號特征分析方法在時變轉速工況下的性能,令齒輪箱轉速時變,齒輪故障特征頻率為fs(t)=9t。對時變轉速工況下的仿真信號進行重排小波變換時頻分析,結果如圖3所示。在[5900,6100]Hz頻帶范圍內,存在恒定頻率成分6000Hz,對應共振頻率fn。隨著轉速升高,兩側出現發散的邊帶,對應邊帶fn±(1-2)f(t),時變邊帶問隔為故障特征頻率fs(t)。
時變邊帶的復雜性不利于直接識別故障特征,而共振頻帶信號的調幅和調頻部分的調制頻率和齒輪故障特征頻率直接相關,為此,對信號進行時變幅值解調與時變頻率解調分析。
時變轉速工況信號的時域波形如圖4(a)所示。通過中心頻率為6000Hz,通帶寬度為200Hz的帶通濾波器,分離共振頻帶分量,并計算其幅值包絡,對幅值包絡進行重排小波尺度譜分析,得到的時變幅值解調譜如圖4(b)所示,可見時變包絡譜中的時頻脊線對應齒輪故障特征頻率fs(t)。
計算共振頻帶分量的瞬時頻率,如圖5(a)所示。對瞬時頻率進行重排小波尺度譜分析,得到的時變頻率解調譜如圖5(b)所示,可見時頻脊線對應齒輪故障特征頻率f(t)。
上述分析說明幅值解調和頻率解調能夠直接提取齒輪故障特征,克服復雜時變邊帶引起的困難。
工程中一般存在較大的噪聲影響,為研究上述分析方法對噪聲的敏感程度,將仿真信號中的白噪聲信噪比變為-10dB,同樣進行上述分析流程,得到時變幅值解調譜與時變頻率解調譜如圖6(a)與圖6(b)所示,時頻脊線對應齒輪故障特征頻率fs(t),在強噪聲的情況下,依然能得到較好的分析結果。由此可見,上述研究方法對噪聲的敏感程度較低,可應用于實際信號的故障診斷。




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