雙環減速器動態測試分析及故障診斷
6.1 引言
從目前的理論分析、試驗研究和實際應用都證實和發現，環式減速器運行時振動普遍較大，并隨傳動比的增大及功率的增加而加劇，嚴重時導致環板斷裂，軸承發熱失效，縮短了減速器的使用壽命。
本文第三章計算了減速器中重要零部件的固有模態，第五章中介紹了雙環減速器可能產生的故障及故障特征。本文的實驗研究有兩個，一個是雙環減速器的結構噪聲及空氣噪聲的測試研究，另一個是故障信號測試分析研究。通過這兩個實驗進一步驗證本文前面計算參數的正確性。開展對環式減速器振動噪聲的研究，找出振動噪聲產生的原因、部位及隨轉速和載荷變化的規律等，為正確設計及使用環式減速器，減小其振動噪聲具有重要的理論意義和實際應用價值。同時，雙環減速器故障的測試分析對研究分析環式減速器運動特性具有主要的意義。本文對智能化在線診斷系統在環式減速機故障診斷中的應用也做了測試分析。
6.2 雙環減速器結構噪聲及空氣噪聲振動實驗分析
6.2.1 振動測試實驗臺及實驗裝置
本文進行振動噪聲實驗使用的雙環減速器其結構如第二章中圖2.1所示，該減速器轉動輸入方式采用中心輸入或兩端輸入均可，本實驗中采用中心輸入方式，輸入軸齒輪及與其嚙合的兩個齒輪齒數相同，所以輸入軸轉速與兩端偏心軸轉速相同，環板與輸出軸齒輪參數如表6.1:
表6.1內嚙合齒輪參數表
|
齒輪參數 |
輸出齒輪 |
環板 |
|
模數 |
2 |
|
齒數 |
56 |
58 |
|
嚙合角 |
39.039° |
|
變位系數 |
1.37 |
1.685 |
|
齒頂高系數 |
0.7 |
偏心軸上二偏心的相位角為180°。
測試參照國家標準《驗收試驗中齒輪裝置機械振動的測定》（GB8543-1987）及《齒輪裝置噪聲聲功率級測定方法》（GB6404-1986）的規定進行。振動測試實驗臺如圖6.1所示，圖
6.2為測試實驗參控制系統和數據采集系統。
在測試產對所有的加速度傳感器，放大器及數據自動采集處理系統進行校準，對規定的所有測點進行打磨，平磨并做好標記，測試時在規定工況下依次將傳感器磁性底座放在各測點上。傳感器測得的振動信號（包括速度級和加速度級振動信號）經電荷放大器放大后進入16通道卡式采集儀進行采集記錄，用智能動態信號分析儀分析各測點的1/3倍頻程度級結構噪聲，再對所有的測點的結構噪聲值做對數平均，得到總的結構噪聲頻譜圖。空氣噪聲用聲級計測量減速裝置各個測點的A計權聲壓級和1/1倍頻程聲壓級。各測點距齒輪箱測量表面的距離為1米。測試前已用標準噪聲源HY203-93260對聲級計進行校準。測試系統框圖如圖6.3所示。測試設備如下：
（1）丹麥B＆K4382加速度傳感器；
（2）丹麥B＆K2635加速度傳感器；
（3）INV306D（F）東方科卡卡式采集儀；
（4）INV303智能信號采集處理分析儀（包括DASP大容量數據自動采集和信號處理系統）；
（5）衡陽儀表廠JS-1精密聲級計；
（6）標準噪聲源HY203-93260。
6.22測試工況及測試結果
結構振動噪聲測試在齒輪箱安裝基腳布置6個測點，測點布置圖見圖3中1-6測點，在每一測點上按31.5Hz～5kHz1/3倍頻中心頻率測試加速度級頻譜（re:a0=10-6m/s）和1/3倍頻中心頻率測試速度級頻譜（re:a0=5*10-8m/s）。空氣噪聲測試聲壓級基準2*10-5Pa，用聲級計上的A計權聲壓級和1/1倍頻程聲壓級測量減速齒輪裝置各個測點。各測點距齒箱測量表面的距離為1米。測點位置見測點布置圖6.4中Ⅰ-Ⅳ測點。
減速裝置測試工況為：輸入轉矩為20N·m，輸入轉速分別為600r/min、800r/min、1000r/min、1200r/min對6個測點進行測試，將測試結果進行頻域自譜分析，四種工況下各測點幅值譜最大值及頻率列表如下：
表6.2幅值譜最大值及頻率列表
|
工況 |
600r/min |
800r/min |
1000r/min |
1200r/min |
|
測
點 |
頻率
（Hz） |
幅值
（cm/s） |
頻率
（Hz） |
幅值
（cm/s） |
頻率
（Hz） |
幅值
（cm/s） |
頻率
（Hz） |
幅值
（cm/s） |
|
1 |
585.94 |
0.094 |
781.25 |
0.218 |
976.56 |
0.208 |
1118.61 |
0.208 |
|
2 |
2858.66 |
0.104 |
781.25 |
0.134 |
2911.93 |
0.131 |
2361.51 |
0.101 |
|
3 |
870.03 |
0.121 |
781.25 |
0.208 |
958.81 |
0.176 |
1988.64 |
0.121 |
|
4 |
887.78 |
0.119 |
763.49 |
0.353 |
1970.88 |
0.208 |
1154.12 |
0.311 |
|
5 |
2876.42 |
0.077 |
781.25 |
0.162 |
958.81 |
0.281 |
1154.12 |
0.155 |
|
6 |
585.94 |
0.075 |
781.25 |
0.136 |
2911.93 |
0.149 |
1154.12 |
0.158 |
從表6.1齒輪參數及表6.2數據可以看出，各種工況下幅值譜最大值的頻率成份齒輪嚙合頻率或嚙合頻率的倍數，出現了齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的嚙合頻率調制現象。圖6.5為1200rpm工況下1、2測點幅值譜圖。
各測點的1/3倍頻程速度級結構噪聲頻譜圖如圖6.6至圖6.8所示。
根據圖6.6數據顯示，隨著轉速的提高，結構振動噪聲幅值升高，當輸入轉速分別為600r/min、800r/min、1000r/ min、1200r/min四種工況時，減速器的嚙合頻率理論值分別是580 Hz、773.3Hz、966.7Hz、1116Hz。因為實際測驗時調速不精確，加上轉速本身不穩定，而且因測試設備原因，6個測點一次只能采集兩個測點的信號，所以表6.1 中的585.94Hz、781.25HZ、958.81HZ、1154.12Hz等數據即是實際測試時四種工況下的減速器齒輪嚙合頻率。對比圖6.7及圖6.8，圖6.7為輸入轉速800r/min時各測點的1/3倍頻程速度級結構噪聲圖譜，從圖中可以看出，在75OHz頻率處圖譜幅值為最高，與該工況下的嚙合頻率幅值譜幅值較高相符，同樣圖6.8中在大于1KHz頻率處圖譜幅值為最高，與圖6.8工況下的嚙合頻率幅值譜幅值較高相符。
圖6.9為四種工況平均空氣噪聲倍頻程圖譜。由于減速齒輪裝置只是整個試驗系統的一部
分，在測試時，發聲系統除齒輪箱外，還包括電動機、風機及車間內其它相鄰設備等背景噪聲源，它們將影響減速齒輪裝置的噪聲測量結果。考慮這些影響，根據國家標準《齒輪裝置噪聲聲功率級測定方法》（GB6404-1986）的規定，按各測點上測得的1/1倍頻程聲壓級做對數平均，然后進行修正，以得到實際的1/1倍頻程聲壓級空氣噪聲值。圖6.9為修正后的齒輪減速裝置的倍頻程平均空氣噪聲圖譜。表3為各測點A 聲級空氣噪聲值
根據以上分析得出如下結論：
(l）從各圖表數據分析表明，各種工況下幅值譜最大值的頻率成份齒輪嚙合頻率或嚙合頻率的倍數，出現了齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的嚙合頻率調制現象，且齒輪嚙合頻率或嚙合頻率的倍數幅值譜較大，減速器齒輪裝置表現“齒形誤差”故障現象，因此判定可能減速器偏心軸加工誤差大及安裝誤差較大。
（2）隨著轉速升高，結構噪聲和空氣噪聲平均幅值增大，但增大幅度隨著轉速升高而減小。
表6.3測點A聲級人氣噪聲值（dB）
|
測 點
工 況 |
Ⅰ |
Ⅱ |
Ⅲ |
Ⅳ |
|
600r/min |
76.8 |
77.6 |
77.7 |
75.9 |
|
800r/min |
77.6 |
78.5 |
79.9 |
78.8 |
|
1000r/min |
84.2 |
85.8 |
85.3 |
85.6 |
|
1200r/min |
85.5 |
87.6 |
87.7 |
86.2 |
（3）從表6.1及圖6.5分析可看出，各測點振動幅值譜嚙合頻率及兩倍嚙合頻率其幅值為最大或較大，表明減速器兩端偏心軸轉動一周過“死點”位置時，減速器有沖擊振動現象。
（4）空氣噪聲最大值為87.7dB，大于一般減速器同轉速下的噪聲值。
（5）從圖6.9空氣噪聲倍頻程圖譜可以看出，隨著轉速升高在小于1000Hz時空氣噪聲倍頻程幅值變化不大，但大于1000Hz至5000Hz時變化較明顯，這與減速器的嚙合頻率或嚙合頻率倍數成份上的振動幅值較大有很大關系。
6.3雙環減速器故障診斷測試
6.3.1測試實驗裝置
測試實驗臺如前面一樣，圖6.10為旋轉機械故障信號采集及故障智能分析系統，圖6.11為實驗樣機。
實驗裝置共有兩大部分，一部分是實時監測及數據采集，一部分是信號分析處理系統。其測試系統框圖如圖6.12所示。
6.3.2測試工況及測試結果
實驗測試時，減速器中間軸為輸入軸，在兩偏心軸其中之一的輸入端，安裝一個電渦流傳感器，用來采集輸入軸轉速。同時，在中間輸入軸的軸承認的水平方向、垂直方向布置測點，在輸出齒輪軸的軸承座的水平方向、垂直方向兩布置測點，偏心軸兩端的軸承座的水平方向、垂直方向布置測點，進行故障信號采集。
測試系統框圖如圖6.12所示。
減速裝置圖如圖6.12所示。
減速裝置測試工況為：輸入轉矩為20N·m，輸入轉速分別為600r/min、800r/min、1000r/min、1200r/min，分別對輸入端及輸出端的水平方向、垂直方向進行測試，將測試結果進行頻域自譜分析，四種工況下各測點幅值譜最大值及頻率列表如下：
表6.4各測點幅值譜最大值及頻率列表
|
測點 |
輸入端 |
輸出端 |
|
工況 |
方向 |
頻率（Hz） |
幅值（m/ss） |
頻率（Hz） |
幅值（m/ss） |
|
600r/min |
H |
923.30 |
8.50 |
923.30 |
8.65 |
|
V |
923.30 |
6.87 |
568.18 |
6.97 |
|
800r/min |
H |
781.25 |
5.90 |
1083.10 |
6.35 |
|
V |
781.25 |
6.14 |
781.25 |
5.86 |
|
1000r/min |
H |
958.80 |
12.56 |
958.80 |
19.84 |
|
V |
1438.21 |
11.39 |
2894.18 |
14.36 |
|
1200r/min |
H |
1154.12 |
17.12 |
1154.12 |
16.85 |
|
V |
1154.12 |
15.87 |
1988.64 |
18.57 |
根據表2數據顯示，隨著轉速的提高，各測點振動幅值升高，當輸入轉速分別為600r/min、800r/min、1000r/min、1200r/min四種工況，減速器的嚙合頻率理論值分別是580Hz、773.3Hz、996.7Hz、1116HZ。因為實際測驗時調速不精確，加上電機轉速本身不穩定，所以表2中的568.18Hz、781.25Hz、958.81Hz、1154.12HZ等數據即是實際測試時四種工況下的減速器齒輪嚙合頻率。
從各圖表數據分析表明，各種工況下幅值譜最大值的頻率成份為齒輪嚙合頻率或嚙合頻率的倍數，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的嚙合頻率有調制現象出現，且齒輪嚙合頻率或嚙合頻率的倍數幅值譜較大，減速器齒輪裝置表現“齒形誤差”故障理象。
圖6.13可以看出，時域有明顯的沖擊振動，以一家的時間間隔出現，沖擊持續了整個周期的1/3以上。
綜上分析，采用人機交互方式將Zdp14、Zdp15等參數輸入計算機，智能診斷系統得到雙環減速器故障診斷結果，偏心軸彎曲故障，程度值在0～1范圍變化，齒形誤差較大。智能診斷結果如圖6.15所示。圖6.16是智能診斷平臺進行現場一線診斷分析，圖6.17是數據引擎進行實時數據接收和數據發送。
6.4 本章小結
本章首先進行了雙環減速器結構噪聲及空氣噪聲振動實驗分析，對結構噪聲測試選擇了六個測點，空氣噪聲測試選擇了四個測點進行測試。然后進行了雙環減速器故障診斷測試，通過測試數據分析比較，得出以下結論：
l）旋轉機械智能診斷系統可以用在減速箱的故障診斷中；
2）準確分析雙環減速器的故障特征模式，建立相應的專家知識庫，在進行故障智能診斷時，可提高診斷的正確程度；
3）雙環減速器故障診斷應用旋轉機械智能診斷系統，能方便地得到故障特征參數值，使故障診斷時間減少，提高診斷效率。
4）信息智能分析系統采用圖形化的專家知識輸入界面，操作方便，易于理解，同時可以很方便地任意增加、修改、存儲專家知識，通過調節、添加專家知識和隸屬關系可及時適應不斷變化的故障診斷條件，提高診斷的準確性。
5）開放式的數據接口及數據引擎的使用，使數據處理非常方便，用戶可在數據引擎的基礎上編制自己獨特的數據通訊接口，以獲得更多的故障特征數據。
