6 雙環(huán)減速器動(dòng)態(tài)測試分析及故障診斷
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試研究，另一個(gè)是故障信號測試分析研究。通過這兩個(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。開展對環(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)減速器故障的測試分析對研究分析環(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)測試實(shí)驗(yàn)臺及實(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°。

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

在測試產(chǎn)對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)，對規(guī)定的所有測點(diǎn)進(jìn)行打磨，平磨并做好標(biāo)記，測試時(shí)在規(guī)定工況下依次將傳感器磁性底座放在各測點(diǎn)上。傳感器測得的振動(dòng)信號（包括速度級和加速度級振動(dòng)信號）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)信號分析儀分析各測點(diǎn)的1/3倍頻程度級結(jié)構(gòu)噪聲，再對所有的測點(diǎn)的結(jié)構(gòu)噪聲值做對數(shù)平均，得到總的結(jié)構(gòu)噪聲頻譜圖。空氣噪聲用聲級計(jì)測量減速裝置各個(gè)測點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級和1/1倍頻程聲壓級。各測點(diǎn)距齒輪箱測量表面的距離為1米。測試前已用標(biāo)準(zhǔn)噪聲源HY203-93260對聲級計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。測試系統(tǒng)框圖如圖6.3所示。測試設(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)采集和信號處理系統(tǒng)）；
（5）衡陽儀表廠JS-1精密聲級計(jì)；
（6）標(biāo)準(zhǔn)噪聲源HY203-93260。

6.22測試工況及測試結(jié)果
結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲測試在齒輪箱安裝基腳布置6個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置圖見圖3中1-6測點(diǎn)，在每一測點(diǎn)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(zhǔn)2*10-5Pa，用聲級計(jì)上的A計(jì)權(quán)聲壓級和1/1倍頻程聲壓級測量減速齒輪裝置各個(gè)測點(diǎn)。各測點(diǎn)距齒箱測量表面的距離為1米。測點(diǎn)位置見測點(diǎn)布置圖6.4中Ⅰ-Ⅳ測點(diǎn)。

減速裝置測試工況為：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6個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測試，將測試結(jié)果進(jìn)行頻域自譜分析，四種工況下各測點(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 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測點(diǎn)幅值譜圖。

各測點(diǎn)的1/3倍頻程速度級結(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，而且因測試設(shè)備原因，6個(gè)測點(diǎn)一次只能采集兩個(gè)測點(diǎn)的信號，所以表6.1 中的585.94Hz、781.25HZ、958.81HZ、1154.12Hz等數(shù)據(jù)即是實(shí)際測試時(shí)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(zhuǎn)速800r/min時(shí)各測點(diǎn)的1/3倍頻程速度級結(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量結(jié)果�？紤]這些影響，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《齒輪裝置噪聲聲功率級測定方法》（GB6404-1986）的規(guī)定，按各測點(diǎn)上測得的1/1倍頻程聲壓級做對數(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(diǎn)A 聲級空氣噪聲值

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測點(diǎn)A聲級人氣噪聲值（dB）

（3）從表6.1及圖6.5分析可看出，各測點(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“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)減速器故障診斷測試
6.3.1測試實(shí)驗(yàn)裝置
測試實(shí)驗(yàn)臺如前面一樣，圖6.10為旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障信號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)測及數(shù)據(jù)采集，一部分是信號分析處理系統(tǒng)。其測試系統(tǒng)框圖如圖6.12所示。

6.3.2測試工況及測試結(jié)果
實(shí)驗(yàn)測試時(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、垂直方向兩布置測點(diǎn)，偏心軸兩端的軸承座的水平方向、垂直方向布置測點(diǎn)，進(jìn)行故障信號采集。
測試系統(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，分別對輸入端及輸出端的水平方向、垂直方向進(jìn)行測試，將測試結(jié)果進(jìn)行頻域自譜分析，四種工況下各測點(diǎn)幅值譜最大值及頻率列表如下：
表6.4各測點(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是智能診斷平臺進(jìn)行現(xiàn)場一線診斷分析，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，對結(jié)構(gòu)噪聲測試選擇了六個(gè)測點(diǎn)，空氣噪聲測試選擇了四個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測試。然后進(jìn)行了雙環(huán)減速器故障診斷測試，通過測試數(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)的專家知識庫，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、存儲專家知識，通過調(diào)節(jié)、添加專家知識和隸屬關(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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