发布时间 : 星期六 文章第7章 - 机械零部件故障监测与诊断技术32更新完毕开始阅读2b1f1ef2b52acfc788ebc9ce
为了突出高次倍频成分的影响，可采用不等权平均。于是相对幅值变化系数改为：
B1Na??Ci(i)
Ni?1Ai式中：Ci——加权数，可采用递增的等比数列，例如：1，1.5，1.5，1.5 … 1.5。
2）功率谱边频带分析
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3
N-1
啮频振动分析主要用来诊断齿轮的分布故障（如轮齿的均匀磨损），对齿轮早期局部损伤不敏感，应用面窄。大部分齿轮故障是局部故障，它使常规振动受到调制，呈现明显的边频带。根据边频带的形状和谱线的间隔可以得到许多故障信息，所以功率谱边频带分析是普遍采用的诊断方法。
图7-25a）为齿轮上一个轮齿有剥落、压痕或断裂等局部损伤时，齿轮的振动波形及其频谱。波形图是一个齿轮的常规振动，受一个冲击脉冲（每转重复一次）调制产生的调幅波。由于冲击脉冲的频谱在较宽范围内具有相等且较小的幅值，所以，频谱图上边频带的特点是范围较宽、幅值较小、变化比较平缓，边频的间隔等于齿轮的转频。
a）齿轮上一个轮齿有剥落、压痕或断裂等局部损伤时齿轮的振动波形及其频谱
b）齿轮有分布比较均匀的损伤时齿轮的振动波形及其频谱
图7-25 齿轮缺陷对边频带的影响
图7-25b）是齿轮有分布比较均匀的损伤时，齿轮的振动波形及其频谱。波形图是一个齿轮的常规振动，受到一个变化比较平缓的宽脉冲调制产生的调幅波。由于宽脉冲的频率范围窄，高频成分很少，所以在频谱图上边频带范围比较窄，幅值较大，衰减较快。损伤分布越均匀，边频带就越高、越窄。边频的间隔仍然等于齿轮的转频。
3）高频分析法
齿轮齿面有局部损伤时，在啮合过程中就要产生碰撞，激发齿轮以其固有频率作高频自由衰减振动。采用固有频率振动为分析对象，诊断齿轮状态的方法叫高频分析法。这种方法的主要过程是先用电谐振器从振动信号中排除干扰，分离并放大与谐振频率相同的高频成分，经检波器进行包络检波得到低频包络信号后，进行频谱分析就可得到频谱图。在谱图上，基频谱线的频率就是故障冲击的重复频率，根据此频率值即可诊断出有故障的齿轮及故障的严重程度。这种方法虽然与滚动轴承的高频包络分析原理一致，但难度要大得多，因为齿轮的高频振动信息在传感器的测点处异常微弱，需要使用格外精密的仪器与技术。
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在图7-26中图a）是齿轮振动的原始波形，图b）是原始波形经过带通滤波后提取的高频成分波形，图c）是高频成分经过包络检波后得到的低频包络波形，由于它近似周期信号所以在它的频谱图中有较明显的尖峰如图d)所示，这对故障分析十分有利。
a）原始波形 b）高频信号波形
c）包络信号波形 d）包络信号波形频谱图
图7-26 齿轮振动波形及其频谱图
2．倒频谱分析诊断
有一对齿轮啮合的齿轮箱，在它的振动频谱图上，在啮频分量及其倍频分量两侧有两个系列边频谱线，一个是边频谱线的相互间隔为主动齿轮的转频；另一个是边频谱线的相互间隔为被动齿轮的转频。如果两齿轮的转频相差不多，这两个系列的边频谱线就十分靠近，即使采用频率细化技术也很难加以区别。有数对齿轮啮合的齿轮箱，在它的振动频谱图上，边频带的数量就更多，分布更加复杂，要识别它们就更加困难了。比较好的识别方法是倒频谱分析法，因为边频带具有明显的周期性，倒频谱分析法能将谱图上同一系列的边频谱线简化为倒频谱图上的单根或几根谱线，谱线的位置是原谱图上边频的频率间隔，谱线的高度反映了这一系列边频成分的强度，因此使监测者便于识别有故障的是那个齿轮及故障的严重程度。
a) 齿轮箱振动信号的功率谱 b）2000细分谱线功率谱
c) 再400细分谱线功率谱 d) 倒频谱
图7-27 齿轮箱振动信号的谱分析
图7-27a）是某齿轮箱振动信号的功率谱，频率范围是0～20KHz，频率间隔是50Hz，在谱图上能观察到啮合频率（4.3KHz）及其二次，三次倍频，但不能分辨出
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边频带。图7-27b）是2000细分谱线功率谱，频率范围为3.5～13.5KHz，频率间隔为5Hz，在图上能观察到很多边频谱线，但很难加以区分。进一步对范围7.5～9.5KHz 进行频率细化，间隔不变，得图7-27c）所示谱图，边频谱线虽更明显，但区分仍然困难。若进行倒频谱分析则可得图7-27d）所示倒频谱图，它清楚地表明了对应于两轴转频（85Hz与50Hz）的两个倒频分量（A1和B1），即谱图上以两个转频为周期的两个系列边频带。
此外倒频谱分析还能排除传感器测点位置，和信号传输途径带来的影响，这对齿轮监测工作的实施也是十分有利的。
3．时域平均诊断
时域波形对故障反映直观、敏感，特别是局部损伤最为明显，因为局部损伤在时域中为短促陡峭的幅值变化，容易识别。但在频域中由于能量十分分散、幅值变化很小，却不易识别。因此，时域平均法诊断，近年来有很大发展。时域平均法诊断首先要采用时域平均技术，排除各种干扰，分离出所需齿轮的振动信号，然后才可根据分离出来的信号直接观察波形，确定齿轮的损伤。当然必要时也可进行频谱分析或其它分析。
1）时域平均技术原理
这种技术也称周期加算分析或平均响应分析，它是从混有噪声干扰的信号中提取周期信号的一种手段，所以也称相干检波。
若信号x(t)由周期信号f(t)和随机干扰信号n(t)组成，以f(t)的周期截取信号
x(t)为N段，得xi(t)(i?1,2,3,...,N)，然后将各段对应点的值相加取平均，得
1N1Nxi(t)?f(t)??ni(t) ?Ni?1Ni?1由于随机信号各段对应点的值为随机数，它的平均值当 N 趋于无穷大时应趋于零，于是得
1N?x(t)?f(t) ii?1N这样就消除了信号中的随机分量,获得信号中的周期分量。
因此，对传动装置的振动信号若以某齿轮的转动周期进行截取、平均，就可以消除振动信号中该齿轮以外的其他干扰分量（随机分量和不同周期的其它所有分量），获得该齿轮产生的振动信号。当截取段数有限时，平均值虽不能完全排除干扰，但只要选择的 N 值适当，干扰就可减小到允许的限度(图7-28)。
图7-28 时域平均法提取周期信号
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图7-29是实现平均技术的原理框图。图中时标扩展压缩处理环节的作用是按传动比改变输入的时标信号使之符合被诊断齿轮的转动周期，以满足对它进行时域平均的需要。 加速度信号滤波D/A信号平均光滑化滤波时标T 时标扩展或压缩运算T′ 图7-29 平均技术的原理框图 2）齿轮故障的时域波形 图7-30是对齿轮振动信号采用时域平均技术后得到的波形图。在图上齿轮的故障是比较明显的。 a) b) c)
d）
图7-30 齿轮在各种状态下的时域平均波形
图7-30a）是正常齿轮的时域平均信号，主要是均匀的常规振动波形。没有明显的高频波动。
图7-30b）齿轮安装有缺陷，啮合振动受调制，调制信号频率是齿轮转频及其倍频。
图7-30c）齿面严重磨损，但较均匀，出现较大的高频波动现象。
图7-30d）是齿轮有局部剥落或断齿的信号，有突跳现象，出现以齿轮转频为频率的冲击脉冲。
思考题
7-1 转子不平衡、联轴器不对中产生的原因是什么？造成的振动有哪些特征？如何判别？
7-2 如何诊断转轴裂纹故障？
7-3 刚性转子现场平衡技术的原理和方法？
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7-4 滚动轴承故障产生的原因是什么？对其进行故障诊断的方法有几种？各有何特点？
7-5 怎样计算滚动轴承局部故障的特征频率？
7-6 滚动轴承局部故障和分布故障在谱图上各有何特点？
7-7 为什么在低频段和高频段分析滚动轴承振动信号时的效果不同？ 7-8 齿轮常见的故障有哪些？
7-9 齿轮的啮频振动产生的原因、特点和频率计算？ 7-10 调幅振动和调频振动在时域和频域各如何显示？
7-11 边频成分的间隔取决于什么？用哪种方法最能显示边频的特性？ 7-12 时域平均法有什么特点，在齿轮故障分析中有何作用？
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