传动系统状态监测与故障诊断研究

2021-04-04陈希祥

信息记录材料 2021年4期

陈钢，陈希祥

（湖南信息学院湖南长沙 410151）

1 引言

从发动机的角度来讲，传动系统作为其中比较重要的一部分组成，是确保发动机处于安全运行状态下的重要部件，其在发动机运行过程中的工作内容是负责发动机与附件系统两者的动力传递，其振动特性对整个发动机以及机械设备运行安全性有直接性影响，因此本文通过对传动系统状态监测与故障诊断进行研究，具有一定现实意义。

2 齿轮运行状态监测

在传动系统中，齿轮传动作为其中应用比较普遍的传动方式，主要有齿轮、轴承、旋转轴等部件，当齿轮处于正常运行状态下，因齿轮本身的啮合刚度本身的周期性变化特征会引发参数发生变动，其产生的振动频率与齿轮本身的转动速度，齿子数量以及重叠次数存在一定关联性。在运行过程中，因齿形误差随机性，出现齿轮弹性系统共振情况。在这种情况下，若齿轮发生故障问题，就会进一步加剧其振动感，以上整体上来看，可将其称为是齿轮的特征频率，通过对此进行详细探讨，对传动系统运行状态监测上具有一定意义。对于齿轮在运行过程中的状态监测信号特征主要如下。

其一，均匀磨损。齿轮在运行过程中出现齿面均匀磨损情况，会使得齿侧间距因此不断增大，从而导致正弦波形式啮合因此发生一定的破坏。通过对频谱图进行分析，能够看出啮合频率以及谐波分量所处位置不发生变化，但其中幅值变化相对比较大，与此同时高次谐波幅值随之增大，通过对高次谐波幅值变换情况进行状态监测后即可看出上述特征，若磨损情况更为严重，就会引发啮合频率为fm的1/k（k=2，3）的分数谐波。

其二，齿轮偏心。简单来讲就是齿轮与旋转轴两者的中心不能实现重合，如果齿轮副中存在某个齿轮处于偏心状态，而该齿轮的频谱结构中能够明显指出其特征是以齿轮旋转频率的附加脉冲幅值处于增大状态，与此同时还会出现载荷波动周期为齿轮旋转一周，上述这种情况下产生调制频率是齿轮旋转频率，对于载波频率应是齿轮啮合频率以及谐波。

其三，齿轮不同轴。因装配因素导致齿轮和转轴两者处于不同轴状态，这种状态会增大齿轮本身能够承受载荷，同时导致齿轮在振动状态下产生的时域信号出现一定的调幅情况，因振幅调制在其中带来的作用，就会使得齿轮运动过程中产生的状态监测后频谱图以各阶啮合频率nfm为中心，对于边频簇也会以齿轮的旋转频率进行相应间隔，也会将fr的高次谐波体现在频谱图中。

其四，齿轮局部存在异常。关于局部异常主要体现在齿根出现裂纹、齿轮断齿，齿面部分磨损等等，出现上述故障问题后，齿轮时域振动波形就是以齿轮旋转频率为周期的冲击域[1]。如果齿轮在运行中出现多种局部异常，齿轮旋转一周后就会呈现出多种冲击脉冲，从频率域的角度来讲，其主要特征就在于旋转频率和瞬时冲击力。

其五，齿距之间存在误差。对于这种情况主要是因为齿轮中的齿距的间距不同，会对齿轮旋转角度变化产生相应影响，从而出现调频现象和调幅现象。从整体上来看频率域的运行状态监测结果，其中振动信号频谱中有齿轮旋转频率各次谐波nfr、各阶啮合频率nfm、存在故障情况的齿轮旋转频率作为间隔变频为nfm±mfr（其中n=1, m=2）等内容。

其六，齿轮不平衡。指的是齿轮回转中心与齿轮质心不重合，由此致使齿轮副呈现出不规则运动，进而产生振动的情况，这种振动主要是以调幅为主要振动力量，调频作为辅助振动[2]。通过分析其运行状态，能够看出在振动频率范围内，啮合频率（fm）与两侧谐波都会产生边频簇（nfm±mfr，其中m=1、n=2），由于受到力的作用不平衡，增加了齿轮轴的转动频率，同时也增加了其谐波能量。

3 滚动轴承状态监测

在传动系统中，滚动轴承作为其中具有旋转性质的一项比较重要的元件，其主要作用是对传动机械设备中的旋转结构起到支撑性的作用。从根本上来讲，设备处于正常运行状态下，其产生的大部分能量会传给轴承这一元件。正常轴承在运行期间，因承载结构周期发生变化、制造存在误差都会使得其在运行过程中产生振动和噪声问题，对于滚动轴承状态监测，主要有以下两种。

其一，磨损状态。出现这种状态的主要原因是因为轴承零件因长期使用产生磨损情况，使其间隙因此越来越大，同时振动也会随之不断增强，这种状态具有渐变性特征，其振动波形变化规律不一，具有很强随机性特征，但通过对频带振动幅值的变化进行分析能够将磨损程度显示出来。随着磨损状态不断加深，就会使得轴承元件的振动加速度峰值以及均方根值上升速度越来越慢，这种情况下，若没有出现疲劳性的剥落现象，因磨损形态越发严重，从而导致振动信号幅值相比较于轴承元件初始运行阶段要大很多。

其二，因疲劳运行产生的剥落损伤状态。出现这种运行状态的原因是轴承零件表面出现疲劳剥落，其在运行过程中因碰撞产生突变冲击脉冲力，在碰撞所处位置引发比较大的冲击加速度，使其大小与疲劳损伤程度两者呈正相关，在这种情况下出现轴承与设备两者的共振。对于轴承剥落坑所处位置，因碰撞带来的冲击脉冲宽度通常都比较小，但是频谱宽度却相对比较大，通过以上能够明显看出轴承发生疲劳损伤后，能够在比较大的频率范围内引发轴承-传感器系统之间的固有振动。