基于沖擊解調(diào)法的齒輪箱異響故障診斷

高洪濱，孫 斌，張國(guó)浩，郝力潔，王華明

(1.92601部隊(duì)，廣東 湛江 524009;2.92326部隊(duì)，廣東 湛江 524009)

齒輪箱是多數(shù)艦船主動(dòng)力裝置的關(guān)鍵設(shè)備，需要對(duì)其進(jìn)行經(jīng)常性的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和油液監(jiān)測(cè)。某艦主動(dòng)力裝置是蒸汽動(dòng)力裝置，主齒輪箱兩級(jí)減速，總減速比高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。振動(dòng)激勵(lì)源多，振動(dòng)信號(hào)頻率成分復(fù)雜，正確選擇振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量方法和分析方法是準(zhǔn)確診斷齒輪箱故障的基礎(chǔ)[1]。通過電子聽診器巡查發(fā)現(xiàn)，螺旋槳軸轉(zhuǎn)速在90～100 r/min范圍內(nèi)，該艦主減速齒輪箱箱體上存在明顯的異響。為了診斷該齒輪箱異響故障的具體原因，對(duì)其進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了詳細(xì)分析，最終確定了故障的原因。

1 振動(dòng)信號(hào)采集

信號(hào)采集儀器為某部隊(duì)與武漢優(yōu)泰電子技術(shù)有限公司合作研發(fā)的ZJ-UT02A型手持式船用精密振動(dòng)測(cè)試與分析系統(tǒng)。儀器的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 ZJ-UT02A精密測(cè)振儀性能指標(biāo)

在主機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)，分別采集了該艦前、后主齒輪箱多個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)間波形和頻譜，采集參數(shù)設(shè)置如表2所示。測(cè)點(diǎn)布置如表3所示，其中V代表垂向，H代表橫向，A代表軸向。在不同的螺旋槳軸轉(zhuǎn)速下(90 r/min、95 r/min，105 r/min、135 r/min、180 r/min)進(jìn)行了測(cè)量。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，槳軸轉(zhuǎn)速在100 r/min以下時(shí)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)各個(gè)方向通頻振動(dòng)烈度值均在2.0 mm/s以下；在100 r/min以上時(shí)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)各個(gè)方向通頻振動(dòng)烈度值均在4.0 mm/s以下。齒輪箱振動(dòng)烈度正常。聽診發(fā)現(xiàn)，在螺旋槳軸轉(zhuǎn)速為90 r/min或者95 r/min時(shí)，前后減速齒輪箱箱體上多處可以聽到有規(guī)律性的異響，在齒輪箱前端蓋處最為明顯。在螺旋槳轉(zhuǎn)速為105 r/min時(shí)，異響變?nèi)酰霈F(xiàn)的頻率明顯降低，而且不具有規(guī)律性。螺旋槳轉(zhuǎn)速在135 r/min以上時(shí)，異響消失。

表2 采集參數(shù)設(shè)置

表3 測(cè)點(diǎn)布置

2 振動(dòng)信號(hào)分析

不同轉(zhuǎn)速下的加速度時(shí)間波形和頻譜、速度頻譜看不出明顯區(qū)別，不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)速度波形差別明顯，且與異響具有對(duì)應(yīng)性。在螺旋槳軸轉(zhuǎn)速為90 r/min或者95 r/min時(shí)，多數(shù)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)間波形中具有周期性出現(xiàn)的異常沖擊，特別是齒輪箱輸出軸前端蓋軸向最為明顯，如圖1和圖2所示。在螺旋槳轉(zhuǎn)速為105 r/min以上時(shí)，異常沖擊變微弱，且出現(xiàn)不規(guī)律，如圖3所示。在螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到135 r/min以上時(shí)，異常沖擊消失，如圖4和圖5所示。說明該異常沖擊就是異響來源。

圖1 測(cè)點(diǎn)1A振動(dòng)速度波形(90 r/min)

圖2 測(cè)點(diǎn)1A振動(dòng)速度波形(95 r/min)

圖3 測(cè)點(diǎn)1A振動(dòng)速度波形(105 r/min)

圖4 測(cè)點(diǎn)1A振動(dòng)速度波形(135 r/min)

圖5 測(cè)點(diǎn)1A振動(dòng)速度波形(180 r/min)

3 沖擊解調(diào)與故障診斷

速度信號(hào)的分析頻率為3 Hz～1 kHz，說明異常沖擊在這一頻段具有較大的能量。而加速度的分析頻率為10 Hz～20 kHz，高頻成分能量大，中低頻率成分被淹沒。對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)速為90 r/min時(shí)測(cè)點(diǎn)1A振動(dòng)速度信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分析。取異常沖擊附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，發(fā)現(xiàn)異常沖擊的主要頻率成分在100～200 Hz之間。對(duì)測(cè)點(diǎn)1A振動(dòng)速度時(shí)間信號(hào)進(jìn)行帶通濾波。設(shè)計(jì)了1個(gè)通帶頻率為100～200 Hz的有限時(shí)間帶通濾波器，采用matlab中的filtfilt命令，實(shí)現(xiàn)無延時(shí)濾波，濾波后的波形如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)1A濾波后速度波形(90 r/min)

(1)

令

(2)

則xh(t)的幅值對(duì)應(yīng)x(t)的包絡(luò)線[2]。

通過帶通濾波和Hilbert變換獲得了信號(hào)的包絡(luò)曲線，如圖7所示。再對(duì)包絡(luò)曲線進(jìn)行傅里葉變換，得到包絡(luò)頻譜，即為沖擊解調(diào)譜，如圖8所示?？梢钥闯觯瑳_擊的調(diào)制頻率為4.5 Hz左右。此時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)頻為1.5 Hz，葉頻為4.5 Hz。可見，沖擊調(diào)制頻率恰好為螺旋槳的葉頻。為了圖形顯示清晰，時(shí)間波形只畫出了2 s時(shí)長(zhǎng)，實(shí)際進(jìn)行頻譜分析時(shí)，采用了10 s時(shí)長(zhǎng)，頻率分辨率為0.1 Hz。

根據(jù)上述分析可以判斷：異響是碰撞造成的，具有短時(shí)沖擊特征，齒輪在低速時(shí)嚙合不良是可能原因；沖擊的調(diào)制頻率是葉片通過頻率，因此，在該轉(zhuǎn)速下，螺旋槳水動(dòng)力學(xué)特性變差，扭轉(zhuǎn)載荷通過軸系波動(dòng)傳遞到齒輪箱，導(dǎo)致齒輪箱的配合變差，是故障的可能原因；或者是在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，船—機(jī)—槳系統(tǒng)配合變差，導(dǎo)致齒輪嚙合狀態(tài)變差，也是可能原因。故障發(fā)生在齒輪箱內(nèi)部特別是輪齒上的可能性不大，因?yàn)槿绻嘄X有問題，高速時(shí)異常沖擊不應(yīng)該變小或者消失。

圖7 測(cè)點(diǎn)1A速度包絡(luò)曲線(90 r/min)

圖8 測(cè)點(diǎn)1A速度沖擊解調(diào)譜(90 r/min)

4 結(jié)束語

1)異響來源于齒輪的非正常嚙合，但是激勵(lì)源卻與螺旋槳有關(guān)，齒輪及其軸承沒有問題。

2)建議螺旋槳避免在90～100 r/min范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間工作，以免長(zhǎng)時(shí)間的非正常嚙合損傷輪齒。在其它轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，齒輪箱可以長(zhǎng)期安全工作。

3) 自研的ZJ-UT02A型手持式船用精密測(cè)振儀采集信號(hào)準(zhǔn)確，精度高。通過對(duì)齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分析，排除了齒輪箱內(nèi)部存在問題的可能性，避免了對(duì)齒輪箱進(jìn)行開箱檢查，大大減少了檢修的工作量。