包络分析在齿轮箱故障诊断中的应用

齿轮箱作为一种传动机构，广泛应用于各种机械设备中，其工作状况直接影响到整机或机组的正常运行。齿轮箱的故障诊断现在已成为机器故障诊断的重要组成部分。设备维修体制由定期维修转向预知性维修，提高齿轮箱早期故障诊断的准确性对节约生产成本，避免事故发生具有重大的意义。1齿轮箱故障诊断技术齿轮箱是齿轮和轴承同时存在的统一体，齿轮箱的故障诊断技术包括齿轮和轴承两大方面。统计表明，在齿轮箱零件失效中，齿轮和轴承的失效比重最大，达到79％。因此，研究齿轮和轴承故障诊断方法是齿轮箱故障诊断的重点。目前，齿轮和轴承的故障诊断主要是通过对运行中的动态信号的分析处理来实现的，一般有时域、频域和幅值域三种。时域分析主要是考察振动信号的峰值或均方值。超过一定的阈值，就认为齿轮出现了故障。由于不同参数的齿轮其峰值及均方值可能相差很远，而且只有在齿轮有严重故障时才能反映出来，这种方法灵敏度低，判断不够准确。频域分析是对信号进行FFT变换(快速傅里叶变换)，得到频谱图，频谱突出了信号在各频率下的强弱变化，可以根据频谱特征来判别设备的状态和进行故障分析。频域分析方法的多样性和诸多优点，使其成为故障诊断中应用最多的方法。但是，当齿轮和轴承存在故障如齿轮点蚀、断齿、剥落和轴弯曲，轴承滚动体出现表面剥落、裂纹、压痕等局部损伤和形态异常时，齿轮箱在工作过程中，都会产生周期性的脉冲冲击力，产生振动信号的调制现象。频谱上的边频往往变得复杂、不对称，特别当存在多个调制源和低频调制时，直接识别边频往往很困难。而且在齿轮箱故障出现的早期，振动信号中的故障特征信号由于十分微弱，往往被其它信号所淹没。2包络分析的基本原理包络分析是一种基于滤波检波的振动信号处理方法。包络分析在进行频谱分析之前，首先对振动信号进行高通或带通滤波，滤掉低频成分，然后对信号进行包络解调，提取附载在高频载波信号上的低频调制信号。最后经过低频滤波，滤掉高频载波，剩下包络之后的低频振动信号。包络分析原理图如图1所示。包络分析是诊断设备零件损伤类故障的一种有效手段，尤其对初期故障和信噪比低的故障信号具有很强的识别能力。因为设备的损伤性故障信号往往会附载到高频共振信号上。在设备故障信号并不突出的情况下，使用包络分析技术可以有效地弥补FFT频谱分析方法的不足。包络分析技术可以有效地排除原始振动信号中的低频干扰信号，突出设备故障特征信号，提高信噪比，从而正确诊断出设备故障。目前常用的包络解调分析方法有：宽带解调技术、共振解调技术、选频解调技术、Hilbert解调技术等。其中Hilbert解调技术同时可以得到信号的幅值变换、相位变换和频率变换，在工程实际中得到了广泛的应用。Hibert变化定义如下：其中：*表示卷积，式(1)(2)为以Hilbert变换对.对式(1)两边作傅立叶变换，得:对式(3)两边再进行逆傅立叶变换，即可获得Hilbert变换构造一Hilbert变换信号，得振动信号的幅值调制信号为：由此可以看出对一个实信号做希尔伯特变换相当于做一次滤波，滤波因子为1/htt3齿轮箱故障诊断实例用特殊的齿轮箱故障诊断系统对某一齿轮箱的轴承进行实验。测得滚动轴承振动加速度的原始时域信号如图2所示。对信号进行包络分析，包络波形图如图3所示。由图3可以看出，包络波形图比原始波形要光滑很多，有效地排除了干扰信号，提高了信噪比。最后对信号进行频谱分析，得到振动信号频谱图如图4所示。从频谱图上看出频率为156Hz的幅值明显偏高。根据齿轮箱轴承的参数，计算出滚动体的通过频率是156Hz。其中滚动体通过频率的公式为：。由此初步判断轴承滚动体有故障，打开齿轮箱进行检查，分析结果与实际工况一致。包络分析不仅轴承故障都有很高的灵敏度，对齿轮故障的诊断也有很好的效果。22211cos2badDffaDd4结论通过安装在齿轮箱上的加速度传感器测得振动信号，并对振动信号进行包络分析，可有效地评价齿轮箱齿轮和轴承的质量，并对异常振动源进行诊断。包络分析在齿轮箱故障诊断中可以有效地排除干扰、提高信噪比。包络分析还可以应用到其他机械故障诊断领域。是一种及其有效的工具。