齒輪箱滾動軸承振動診斷的難點與對策

王 曙，劉紅星，白志平，李 馬，王正祥，鄭維軍

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

一、難點分析

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

波譜不能顯現故障特征的原因在于，齒輪箱滾動軸承表面拾取的振動加速度信號是一個非平穩非線性多成分的高度復雜信號，信噪比極低。具體原因概括如下：（1）設備內部一般有多個振源，一個滾子對應一個振源，一對齒輪嚙合副也對應一個振源。（2）振動傳遞路徑長而復雜，傳感器在軸承座或齒輪箱體表面，遠離振源，振動傳遞路徑長；傳遞路徑不全是剛性環節、存在油膜等會造成非線性現象的環節。（3）各振源的振動有沖擊特性，是很寬的頻帶，會激發系統部件的固有振動。（4）負載的變化、電機電源的波動等隨機因素會帶來信號的時變性、不平穩性。

二、相應對策

要提高信號信噪比，具體對策如下：（1）在拾取滾動軸承、齒輪箱表面振動加速度信號時，加采一路軸的轉速信號，依據轉速的波動情況，對表面采集的振動加速度信號進行等角度采樣以實現其平穩化，制作相應的階次譜（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，可依據轉速和齒輪軸承的結構參數換算出某個特征頻率，在換算出的特征頻率對應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，應定為感興趣分量，進而依據它的精確特征周期，分離提取出它的波形和頻譜進行評判。分離提取出的波形頻譜會顯現高的信噪比，如圖1c、1d所示。

圖1 振動加速度信號的復雜性及其感興趣分量提取示例