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1996年第36卷清华大学学报(自然科学版)lournalofTsinghuaUniversityCSci&.Tech)13/20第8期第66-71页齿轮箱噪声故障诊断专家系统的研究与开发祷任明章，连小珉，蒋孝煌清华大学汽车工程系，北京100084文摘批量生产的齿轮箱都要经过噪声检验，以判断噪声质量是否合格，并诊断导致噪声超标或异常的原因。为此，用声强测量法检测齿轮箱的噪声信号，用频谱分析、模式识别、谱峰搜索、倒谱分析等手段.开发了一套齿轮箱噪声故障诊断的专家系统，可以诊断批量生产中齿轮箱噪声超标或异常的原因，为产品的质量控制提供依据。关键词齿轮箱;噪声;故障诊断;专家系统分类号U463.212.42由于影响因素复杂，如工艺不稳定.装配不规范等，现阶段在我国汽车变速器生产行业，批量生产的齿轮箱噪声水平尚不够稳定，成为影响产品质量的一个重要因素。生产实际中普遍是利用耳检方法对产品噪声质量进行把关，固然有其合理的一面，但也会有主观的因素，所以工厂迫切需要一种客观而且科学的齿轮箱噪声检验与分析方法，不但可以判断噪声质量合格与否，更重要的是可以诊断出导致噪声超标或异常的原因。据已掌握的文献，目前国内外尚没有有关这方面成熟技术的报道。利用振动噪声信号进行机械产品的故障诊断已有几十年的发展历史，多数研究与应用集中于对工作运行中的设备进行状态监测、故障预报及诊断，如有关齿轮的磨损川、点蚀[2J、齿根裂纹及断齿[3J等。这类问题可统称为过程故障诊断。相形之下，前面所述的对于批量生产出的齿轮箱进行噪声质量分析与诊断则有着不同的特点，本文称之为生产故障诊断。本文己建立一个基于声强测量技术的汽车变速箱噪声故障诊断的专家系统，为批量生产中的噪声质量控制服务。1系统的总体设计与结构齿轮箱生产故障诊断所要考虑的因素比单项运行故障诊断要复杂得多，选择专家系统的方法是解决问题的有效途径。测量噪声是该系统首先要作的工作。作者选择声强测量作为测试手段，一方面因为声强测量具有可抵制外界噪声干扰等优点，另一方面则因为本单位开发成功了基于一般微机的国产声强测量系统(SIMS)，可以把测量与专家系统集成于一台微机上完成。设计的系统具有下列基本功能模块:1)测量模块:按一定操作规程进行声强测量;收稿日期:1995-07-10铃中国博士后科学基金项目0992年甲等)任明章，等:齿轮箱噪声故障诊断专家系统的研究与开发672)数据准备与预处理模块:对原始测量数据进行压缩与处理，以形成对诊断有用的数据文件;3)参数设置模块:齿轮箱基本参数(如齿轮齿数、轴承参数等)及运行参数(转速等)的输入、更改;4)建立标准噪声谱模块;5)知识库管理模块:以一定的知识表示方式实现知识库的建立、删除及更改等;的自动诊断模块:从噪声谱数据中自动建立起当前征兆数据集，并引入知识库，以一定的推理策略进行分析诊断，给出结果;7)谱图分析模块:可使用户观察频谱数据，以作出人工判断。系统的结构见图1建立标准专家系统图l系统流程图2测量方法的确定与分析数据的选择i普图分析本文所采取的SIMS声强测量系统可以给出400线的声强频谱【4J。测点布置在齿轮箱的主要声辐射部位。实验发现固定一个测点的作法未必合理，因为不同的变速箱，其噪声最大点的位置会有所不同，而且近场某一点的声强较难反映出整体的声辐射情况。如果选择多个测点，且对每个点的数据进行独立分析，则分析工作量太大。为此，本文采用测量主要声辐射面的声功率的办法，即在某个面上布置若干个测点，求出其声强平均值。实验证明这种测量方法是利用噪声信号进行生产故障诊断的合理选择。图2(a)，(b)，(c)分别是某变速器侧面9点测量数据中相邻的3个点上的声强频谱，(d)为9点数据的平均频谱。显然，声功率频谱比单点声强谱要清楚得多。图中L1A为A级声强级，L阳为A级声功率级，1为频率68清华大学学报(自然科学版)1996.36(8)3601ρ~…(a)声强90r口吨毛60~AI\f代\-，注Ir飞、h、ip字'、~鸟、、~-30~I234二11kHz90r∞气~咱飞60卡、、二…叫1飞rv、、~IJ.V\tγ-\r.30'•,'lo234511kHz(b)声强90r闰1且气‘、60rI~问叫1..，...，....，、.......ιJ气A30'一.-y\。234511kHz(c)声强(d)9点平均值图2相邻三个测点的声强及平均值3标准的确定对于过程故障诊断来说，运行初期的信号即可当做标准信号，计算机可通过自学习获得。但对于新生产的变速箱来说，实验表明，即使都是合格的产品，不同的变速箱其噪声大小与频谱特征可能表现出较大的分散性〈见图3)。在这里，标准问题其实是人对噪声的主观感觉与评价问题。因此，可以把听起来声音最好的变速箱噪声当作标准。昕起来声音最好的变速箱噪声谱特点为:总的声级低于其它合格产品;频谱变化平缓，没有明显的谱峰。图4所示为确定的某汽车变速器在前进三档的标准声功率谱。尽管同一型号的不同变速箱，其噪声水平及频谱有所差异，但基础频谱的形状却是基本一致的。这个基础频谱的形状主要是由箱体的几何参数、物理参数(如声辐射效率)和动态参数(如固有频率)所决定的。对于同一型号的变速箱，这些参数是基本不变的，因而保证了基础频谱的相似性。所选出的标准频谱其实正是最接近基础频谱的数据，这也是齿轮箱噪声质量最好的情况，其它情况下(如不合格产品)都是在这个基础上，在某些频率段上叠加有明显的能量成分。确定了标准后，就可对当前数据进行判断，这是模式识别问题，本文采用Euclide距离作为判据:DE=为主(伊T才RY(1)其中归为标准频谱，CPT为待检频谱，N为谱线总计数，只有伊Ti阳，的数据才进入计算与计数。同时，还要以总的噪声级LT作为一个判据:(1)当LTLL时，噪声级超标，产品不合格;(2)当LTLL而DEDL时，噪声不超标，但有问题;(3)当LTLL且DEDL时，产品合格。限制标准LL和DL根据工厂对产品的要求来定。任明章，等:齿轮箱噪声故障诊断专家系统的研究与开发∞气380~60、h叫∞.口、60讼叫∞~70单、h叫50092j/kHz3434罔3某厂生产的三个合格变速箱的第二档噪声谱二口气380、王60法、h、2j/kHz图4某变速箱第三档标准噪声谱4自动获取征兆数据集695对于不合格产品的齿轮箱，需要进一步分析其噪声超标或异常的原因，首先要求从声功率频谱中找出有价值的征兆，这个过程是基于对声功率频谱的自动分析处理完成的。要实现自动诊断，则应首先实现计算机对谱峰的自动搜索。本文采用差分算法5实现谱峰的自动搜索，并采用固定窗口的滑动平均对扣除了谱峰后所得的连续谱进行平滑。图5所示为一谱峰搜索的实例。研究齿轮箱噪声频谱，主要是考虑以下特征频率1)齿轮的转动频率及其低阶谐频，f,=kn/60,k=1,2.…;2)齿轮的啃合频率及其谐频•fx=knz/60.是=1，2.…3)调制边频带;4)轴承的缺陷冲击重复频率;5)各部件固有频率。从频谱分析中获取征兆数据是基于两类知识，一是有明确物理描述的结论，另一类则是专家在长期实践中的经验总结，在前者中有一种典型的情况，即轴频调制〔飞它总是与齿轮或轴70清华大学学报(门然科学版)1996,36(8)75O.51.52∞65飞3\、.s5575电6~、\E量--l55O.51.5245uv!Jiti,1!|75电65、\泣叫5511kHz(c)搜索出的峰IJJ主线ìlhl'J;'ìJJ且图5谱峰搜索举例的某种故障相联系，如齿轮偏心，轴不对中等，其表现是在载i皮频率周围(如啃合频率)出现等间隔分布的边频带，利用倒频谱分析是自动检测边频带的有效方法。本文对有400线谱的声功率谱利用抛物线插值的办法补足数据至1024个，然后运用FFT(FastFourierTransform)运算即可求得幅值倒频谱。5知识库与推理机在进行诊断之前，首先应建立知识库与推理机。采用产生式规则来表示知识，由知识工程师建立知识库。知识的内容来自两方面:一是具有物理描述的已知的齿轮箱故障诊断的知识，一是专家经验的总结。目前在生产实际中普遍采用的耳检方法已积累了相当的有关齿轮箱噪声故障的知识。如某汽车变速箱厂将该厂生产的变速箱噪声问题归纳为:敲击、杂敲、杂响、轴承响、超分贝等类型，每种都有相应的含义。在建立知识库时，通过实验对这些人工经验进行检验，然后量化为频谱上的某种特征值。需要说明的是人的判断毕竟有一定的主观性，人也许可以准确地感觉、评价声音，但其中一些定量的东西却不易判断出来。例如计算机可以通过边频识别准确找出故障之所在，但人耳却很难做到。本系统采用的推理机程序是用正向推理策略编制而成的，其工作过程就是把自动获取的征兆事实与规则中的前提事实相对比，如果匹配上了，则相应的结论成立。结论的置信度由规则的置信度与征兆事实的置信度确定。任明章，等:齿轮箱噪声故障诊断专家系统的研究与开发716应用举例本系统针对某四档汽车变速箱建立了一个具有70余条规则的知识库，经工厂实际对几台变速箱的检验，该专家系统的诊断结论与开箱检查结果基本一致，己可以为工厂的生产实际服务。此处举一例说明。某台变速箱经该专家系统自动诊断，说明其常啃合齿轮的误差大，开箱检查，测量了输入轴常啃齿轮和中间轴常啃齿轮的齿形和齿向误差，结果发现中间轴的常啃齿轮齿形不理想。7结束语本文围绕开发齿轮箱噪声故障诊断的专家系统，研究了利用噪声信号进行齿轮箱生产故障诊断所应解决的问题和采取的技术手段，所研制的基于声强测量的专家系统可初步为批量生产中的齿轮箱噪声质量控制和维修提供依据。参考文献1汤和.用噪声谱分析法定量诊断齿轮磨损.天津大学学报.1987(2):22~302Umezawa.Onaprognosisofgearsurfacefailureusingsoundofgears.Bulletinof]SME.1982.25(203):834~8413何青.用振动信号分析诊断齿轮齿根疲劳裂纹.机械工程学报，1989，25(4):68~744连小珉.傅氏声强测量中的声压算法.应用声学，1994.13(的9~1l5陶笃纯.噪声和振动谱中线谱的提取和连续谱平滑.声学学报.1984.9(6):337~3446RandallRB.Anewmethodofmodelinggearfaults.JournalofMechanicalDesign.1982.104:259-267ResearchanddevelopmentofadiagnosticexpertsystemforgearboxnoiseRenMingzhang.LianXiaomin,JiangXiaoyu.DepartmeritofAutomotiveEngineering.TsinghuaUniversityAbstract:Ingearboxproductionanaccuratemethodisnecessary.byusingwhichtheinspectorscannotonlyverifythegearboxnoisebutalsodiagnosethefaultsofunqualifiedproducts.Thenoisesignalsradiatedfromthegearboxarepickedupbysoundintensitymeasurement.Basedonthetechniquesofspectrumanalysis.modalidentification.peakssearchingandcepstrumanalysis.anexpertsystemfordiagnosingthenoisefaultsofgearboxhasbeendeveloped.Thissystemhasbeencheckedandacceptedbyagearworks.Itcanhelpstheproducercontrolquality.Keywords:gearbox;noise;faultdiagnosis;expertsystem