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6 雙環(huán)減速器動(dòng)態(tài)測(cè)試分析及故障診斷
6.1 引言
從目前的理論分析、試驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用都證實(shí)和發(fā)現(xiàn)，環(huán)式減速器運(yùn)行時(shí)振動(dòng)普遍較大，并隨傳動(dòng)比的增大及功率的增加而加劇，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致環(huán)板斷裂，軸承發(fā)熱失效，縮短了減速器的使用壽命。
本文第三章計(jì)算了減速器中重要零部件的固有模態(tài)，第五章中介紹了雙環(huán)減速器可能產(chǎn)生的故障及故障特征。本文的實(shí)驗(yàn)研究有兩個(gè)，一個(gè)是雙環(huán)減速器的結(jié)構(gòu)噪聲及空氣噪聲的測(cè)試研究，另一個(gè)是故障信號(hào)測(cè)試分析研究。通過(guò)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證本文前面計(jì)算參數(shù)的正確性。開(kāi)展對(duì)環(huán)式減速器振動(dòng)噪聲的研究，找出振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原因、部位及隨轉(zhuǎn)速和載荷變化的規(guī)律等，為正確設(shè)計(jì)及使用環(huán)式減速器，減小其振動(dòng)噪聲具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，雙環(huán)減速器故障的測(cè)試分析對(duì)研究分析環(huán)式減速器運(yùn)動(dòng)特性具有主要的意義。本文對(duì)智能化在線診斷系統(tǒng)在環(huán)式減速機(jī)故障診斷中的應(yīng)用也做了測(cè)試分析。
6.2 雙環(huán)減速器結(jié)構(gòu)噪聲及空氣噪聲振動(dòng)實(shí)驗(yàn)分析
6.2.1 振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)及實(shí)驗(yàn)裝置
本文進(jìn)行振動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)使用的雙環(huán)減速器其結(jié)構(gòu)如第二章中圖2.1所示，該減速器轉(zhuǎn)動(dòng)輸入方式采用中心輸入或兩端輸入均可，本實(shí)驗(yàn)中采用中心輸入方式，輸入軸齒輪及與其嚙合的兩個(gè)齒輪齒數(shù)相同，所以輸入軸轉(zhuǎn)速與兩端偏心軸轉(zhuǎn)速相同，環(huán)板與輸出軸齒輪參數(shù)如表6.1:
表6.1內(nèi)嚙合齒輪參數(shù)表

齒輪參數(shù)	輸出齒輪	環(huán)板
模數(shù)	2
齒數(shù)	56	58
嚙合角	39.039°
變位系數(shù)	1.37	1.685
齒頂高系數(shù)	0.7

偏心軸上二偏心的相位角為180°。

測(cè)試參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《驗(yàn)收試驗(yàn)中齒輪裝置機(jī)械振動(dòng)的測(cè)定》（GB8543-1987）及《齒輪裝置噪聲聲功率級(jí)測(cè)定方法》（GB6404-1986）的規(guī)定進(jìn)行。振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖6.1所示，圖6.2為測(cè)試實(shí)驗(yàn)參控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

在測(cè)試產(chǎn)對(duì)所有的加速度傳感器，放大器及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)規(guī)定的所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行打磨，平磨并做好標(biāo)記，測(cè)試時(shí)在規(guī)定工況下依次將傳感器磁性底座放在各測(cè)點(diǎn)上。傳感器測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)（包括速度級(jí)和加速度級(jí)振動(dòng)信號(hào)）經(jīng)電荷放大器放大后進(jìn)入16通道卡式采集儀進(jìn)行采集記錄，用智能動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀分析各測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程度級(jí)結(jié)構(gòu)噪聲，再對(duì)所有的測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)噪聲值做對(duì)數(shù)平均，得到總的結(jié)構(gòu)噪聲頻譜圖�？諝庠肼曈寐暭�(jí)計(jì)測(cè)量減速裝置各個(gè)測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和1/1倍頻程聲壓級(jí)。各測(cè)點(diǎn)距齒輪箱測(cè)量表面的距離為1米。測(cè)試前已用標(biāo)準(zhǔn)噪聲源HY203-93260對(duì)聲級(jí)計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖6.3所示。測(cè)試設(shè)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(hào)采集處理分析儀（包括DASP大容量數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和信號(hào)處理系統(tǒng)）；
（5）衡陽(yáng)儀表廠JS-1精密聲級(jí)計(jì)；
（6）標(biāo)準(zhǔn)噪聲源HY203-93260。

6.22測(cè)試工況及測(cè)試結(jié)果
結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲測(cè)試在齒輪箱安裝基腳布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖3中1-6測(cè)點(diǎn)，在每一測(cè)點(diǎn)上按31.5Hz～5kHz1/3倍頻中心頻率測(cè)試加速度級(jí)頻譜（re:a0=10-6m/s）和1/3倍頻中心頻率測(cè)試速度級(jí)頻譜（re:a0=5*10-8m/s）。空氣噪聲測(cè)試聲壓級(jí)基準(zhǔn)2*10-5Pa，用聲級(jí)計(jì)上的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和1/1倍頻程聲壓級(jí)測(cè)量減速齒輪裝置各個(gè)測(cè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)距齒箱測(cè)量表面的距離為1米。測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)測(cè)點(diǎn)布置圖6.4中Ⅰ-Ⅳ測(cè)點(diǎn)。

減速裝置測(cè)試工況為：輸入轉(zhuǎn)矩為20N·m，輸入轉(zhuǎn)速分別為600r/min、800r/min、1000r/min、1200r/min對(duì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行頻域自譜分析，四種工況下各測(cè)點(diǎn)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(cè) 點(diǎn)	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(shù)及表6.2數(shù)據(jù)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(shù)，出現(xiàn)了齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象。圖6.5為1200rpm工況下1、2測(cè)點(diǎn)幅值譜圖。

各測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程速度級(jí)結(jié)構(gòu)噪聲頻譜圖如圖6.6至圖6.8所示。

根據(jù)圖6.6數(shù)據(jù)顯示，隨著轉(zhuǎn)速的提高，結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲幅值升高，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速分別為600r/min、800r/min、1000r/ min、1200r/min四種工況時(shí)，減速器的嚙合頻率理論值分別是580 Hz、773.3Hz、966.7Hz、1116Hz。因?yàn)閷?shí)際測(cè)驗(yàn)時(shí)調(diào)速不精確，加上轉(zhuǎn)速本身不穩(wěn)定，而且因測(cè)試設(shè)備原因，6個(gè)測(cè)點(diǎn)一次只能采集兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)，所以表6.1 中的585.94Hz、781.25HZ、958.81HZ、1154.12Hz等數(shù)據(jù)即是實(shí)際測(cè)試時(shí)四種工況下的減速器齒輪嚙合頻率。對(duì)比圖6.7及圖6.8，圖6.7為輸入轉(zhuǎn)速800r/min時(shí)各測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程速度級(jí)結(jié)構(gòu)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(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的一部分，在測(cè)試時(shí)，發(fā)聲系統(tǒng)除齒輪箱外，還包括電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)及車間內(nèi)其它相鄰設(shè)備等背景噪聲源，它們將影響減速齒輪裝置的噪聲測(cè)量結(jié)果�？紤]這些影響，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《齒輪裝置噪聲聲功率級(jí)測(cè)定方法》（GB6404-1986）的規(guī)定，按各測(cè)點(diǎn)上測(cè)得的1/1倍頻程聲壓級(jí)做對(duì)數(shù)平均，然后進(jìn)行修正，以得到實(shí)際的1/1倍頻程聲壓級(jí)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(cè)點(diǎn)A 聲級(jí)空氣噪聲值

根據(jù)以上分析得出如下結(jié)論：
(l）從各圖表數(shù)據(jù)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(shù)，出現(xiàn)了齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象，且齒輪嚙合頻率或嚙合頻率的倍數(shù)幅值譜較大，減速器齒輪裝置表現(xiàn)“齒形誤差”故障現(xiàn)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(zhuǎn)速升高，結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲平均幅值增大，但增大幅度隨著轉(zhuǎn)速升高而減小。
表6.3測(cè)點(diǎn)A聲級(jí)人氣噪聲值（dB）

（3）從表6.1及圖6.5分析可看出，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)一周過(guò)“死點(diǎn)”位置時(shí)，減速器有沖擊振動(dòng)現(xiàn)象。

（4）空氣噪聲最大值為87.7dB，大于一般減速器同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速升高在小于1000Hz時(shí)空氣噪聲倍頻程幅值變化不大，但大于1000Hz至5000Hz時(shí)變化較明顯，這與減速器的嚙合頻率或嚙合頻率倍數(shù)成份上的振動(dòng)幅值較大有很大關(guān)系。
6.3雙環(huán)減速器故障診斷測(cè)試
6.3.1測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置
測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)如前面一樣，圖6.10為旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障信號(hào)采集及故障智能分析系統(tǒng)，圖6.11為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

實(shí)驗(yàn)裝置共有兩大部分，一部分是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集，一部分是信號(hào)分析處理系統(tǒng)。其測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖6.12所示。

6.3.2測(cè)試工況及測(cè)試結(jié)果
實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，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(gè)電渦流傳感器，用來(lái)采集輸入軸轉(zhuǎn)速。同時(shí)，在中間輸入軸的軸承認(rèn)的水平方向、垂直方向布置測(cè)點(diǎn)，在輸出齒輪軸的軸承座的水平方向、垂直方向兩布置測(cè)點(diǎn)，偏心軸兩端的軸承座的水平方向、垂直方向布置測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行故障信號(hào)采集。
測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖6.12所示。
減速裝置圖如圖6.12所示。
減速裝置測(cè)試工況為：輸入轉(zhuǎn)矩為20N·m，輸入轉(zhuǎn)速分別為600r/min、800r/min、1000r/min、1200r/min，分別對(duì)輸入端及輸出端的水平方向、垂直方向進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行頻域自譜分析，四種工況下各測(cè)點(diǎn)幅值譜最大值及頻率列表如下：
表6.4各測(cè)點(diǎn)幅值譜最大值及頻率列表

根據(jù)表2數(shù)據(jù)顯示，隨著轉(zhuǎn)速的提高，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值升高，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)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?yàn)閷?shí)際測(cè)驗(yàn)時(shí)調(diào)速不精確，加上電機(jī)轉(zhuǎn)速本身不穩(wěn)定，所以表2中的568.18Hz、781.25Hz、958.81Hz、1154.12HZ等數(shù)據(jù)即是實(shí)際測(cè)試時(shí)四種工況下的減速器齒輪嚙合頻率。

從各圖表數(shù)據(jù)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(shù)，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率有調(diào)制現(xiàn)象出現(xiàn)，且齒輪嚙合頻率或嚙合頻率的倍數(shù)幅值譜較大，減速器齒輪裝置表現(xiàn)“齒形誤差”故障理象。
圖6.13可以看出，時(shí)域有明顯的沖擊振動(dòng)，以一家的時(shí)間間隔出現(xiàn)，沖擊持續(xù)了整個(gè)周期的1/3以上。

綜上分析，采用人機(jī)交互方式將Zdp14、Zdp15等參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，智能診斷系統(tǒng)得到雙環(huán)減速器故障診斷結(jié)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(jié)果如圖6.15所示。圖6.16是智能診斷平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)一線診斷分析，圖6.17是數(shù)據(jù)引擎進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送。

6.4 本章小結(jié)
本章首先進(jìn)行了雙環(huán)減速器結(jié)構(gòu)噪聲及空氣噪聲振動(dòng)實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲測(cè)試選擇了六個(gè)測(cè)點(diǎn)，空氣噪聲測(cè)試選擇了四個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。然后進(jìn)行了雙環(huán)減速器故障診斷測(cè)試，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)分析比較，得出以下結(jié)論：
l）旋轉(zhuǎn)機(jī)械智能診斷系統(tǒng)可以用在減速箱的故障診斷中；
2）準(zhǔn)確分析雙環(huán)減速器的故障特征模式，建立相應(yīng)的專家知識(shí)庫(kù)，在進(jìn)行故障智能診斷時(shí)，可提高診斷的正確程度；
3）雙環(huán)減速器故障診斷應(yīng)用旋轉(zhuǎn)機(jī)械智能診斷系統(tǒng)，能方便地得到故障特征參數(shù)值，使故障診斷時(shí)間減少，提高診斷效率。
4）信息智能分析系統(tǒng)采用圖形化的專家知識(shí)輸入界面，操作方便，易于理解，同時(shí)可以很方便地任意增加、修改、存儲(chǔ)專家知識(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)、添加專家知識(shí)和隸屬關(guān)系可及時(shí)適應(yīng)不斷變化的故障診斷條件，提高診斷的準(zhǔn)確性。
5）開(kāi)放式的數(shù)據(jù)接口及數(shù)據(jù)引擎的使用，使數(shù)據(jù)處理非常方便，用戶可在數(shù)據(jù)引擎的基礎(chǔ)上編制自己獨(dú)特的數(shù)據(jù)通訊接口，以獲得更多的故障特征數(shù)據(jù)。

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