第3章 齒輪減速機(jī)振動(dòng)信號(hào)拾取方法的研究
3.1 傳感器類(lèi)型的選擇
由于齒輪減速機(jī)是由齒輪休偶、傳動(dòng)軸和軸承等傳動(dòng)部件及箱體、箱蓋等支撐部件組成，傳動(dòng)部件在發(fā)生故障時(shí)，故障振動(dòng)頻率可覆蓋幾Hz至數(shù)kHz的范圍。因此，齒輪減速箱的振動(dòng)信號(hào)不能采用位移和速度傳感器來(lái)拾取，而只能用加速度傳感器來(lái)拾取硅拆。通常加速度傳感器一般采用電荷輸出型的壓電加速度計(jì)，這種加速度計(jì)體積小奉念、重量輕栗衍、價(jià)格便宜。但由于它要和電荷放大器配合使用鹿竭，因而在傳感器與阻抗變換放大器之間就有一段高阻抗信號(hào)輸送的聯(lián)接丽阎，故降低了系統(tǒng)的低頻性能、分辨率胜溢、抗干擾能力和穩(wěn)定性等方面水平谴垫。為了改變這種現(xiàn)象，便發(fā)展了集成形式的壓電傳感器-即ICP加速度計(jì)母蛛，它將阻抗變換放大器封裝在傳感器的剛性殼體內(nèi)翩剪。
由于齒輪減速機(jī)箱體結(jié)構(gòu)的限制，加速度傳感器不能安裝在箱體的軸承座處彩郊，故拾得的振動(dòng)信號(hào)不能很理想反映箱體內(nèi)的傳動(dòng)元件的振動(dòng)信號(hào)前弯。本章嘗試用套在滾動(dòng)軸承外圈上的套圈應(yīng)力環(huán)來(lái)拾取箱體內(nèi)的傳動(dòng)元件的振動(dòng)信號(hào)。
3.2 ICP加速度傳感器在齒輪減速機(jī)振動(dòng)信號(hào)拾取中的應(yīng)用
典型的集成壓電式（ICP）加速度計(jì)是在傳統(tǒng)的壓電加速度計(jì)基礎(chǔ)上耦合一個(gè)以場(chǎng)效應(yīng)管為核心的內(nèi)裝放大器電路所構(gòu)成秫逝。電路原理如圖3-1所示博杖。
ICP加速度計(jì)除了能帶來(lái)使用方便操作簡(jiǎn)化的優(yōu)越性外，較傳統(tǒng)的壓電加速度計(jì)還具有如下一系列的優(yōu)點(diǎn)：
1 低輸出阻抗（《100Ω）筷登。允許使用超長(zhǎng)電纜通過(guò)惡劣的環(huán)境傳輸信號(hào)；
2 固定的電壓靈敏度哩盲，與電纜的長(zhǎng)度和電容量無(wú)關(guān)前方；
3 作為二線(xiàn)系統(tǒng)，能適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的低價(jià)格同軸電纜或通用的雙導(dǎo)線(xiàn)電纜廉油；
4 低阻抗的電壓輸出（±5V)惠险，與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全兼容苗傅；
5 多通道使用時(shí)成本更低，只需配置低成本的恒流電壓源：
6 固有的自測(cè)試特點(diǎn)燎拟，可通過(guò)恒流電壓源提供的偏置電壓監(jiān)控傳感器的工作正常與否靶疟；
7 大大減少了對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的維護(hù)要求。
根據(jù)上海北智公司推薦享秒，ICP加速度計(jì)頻響范圍的上限頻率fmax（Hz）即最高允許頻率由以下公式確定：
fmax=（IC-1）×109/2πC×V （3-1）
式中：IC（mA）——恒電流脂桂；C（pf）——電纜電容；V（V）——最大信號(hào)電壓
根據(jù)丹麥B＆K公司推薦蛆古，ICP加速度計(jì)與供電電源之間最遠(yuǎn)導(dǎo)線(xiàn)距離（m）：
3.3 加速度傳感器安裝位置的確定
為了測(cè)得齒輪減速機(jī)箱體內(nèi)傳動(dòng)零部件的故障振動(dòng)信號(hào)港驶，加速度傳感器應(yīng)安裝在靠近箱體軸承座處的垂直方向上。但在現(xiàn)場(chǎng)安裝加速度傳感器往往要受齒輪減速機(jī)箱體結(jié)構(gòu)的限制舔伴，加速度傳感器在箱體的軸承座附近沒(méi)有合適的位置滨靴，有對(duì)安裝在離軸承座較遠(yuǎn)處；此外為了節(jié)省成本溃柑，要求以最少的傳感器獲得必要的信息巴疾，一臺(tái)齒輪減速機(jī)只能放兩到三個(gè)傳感器。為此可用測(cè)試分析儀器通過(guò)振動(dòng)模態(tài)等試驗(yàn)對(duì)齒輪減速機(jī)可能的加速度傳感器安裝位置進(jìn)行反復(fù)對(duì)照比較稀境，既要考慮傳感器安裝位置能確保齒輪減速機(jī)內(nèi)傳動(dòng)件故障信號(hào)的正確處理拾取玲躯、振動(dòng)較強(qiáng)烈，又要考慮該位置剛度相對(duì)要大鲸伴。
采用加速度計(jì)監(jiān)測(cè)齒輪減速機(jī)這種方法的優(yōu)點(diǎn)是傳感器安裝方便府蔗，缺點(diǎn)是有時(shí)由于箱體結(jié)構(gòu)的限制，傳感器不能安裝在箱體軸承座附近汞窗，且這時(shí)候加速度計(jì)拾取的振動(dòng)信號(hào)不能全面地反映齒輪傳動(dòng)裝置內(nèi)部軸系部件的損傷情況姓赤，另外加速度計(jì)的頻響范圍只能從幾Hz至十千Hz，低頻響應(yīng)不是太好仲吏，此外不铆，價(jià)錢(qián)也較貴。
3.4 軸承套圈應(yīng)力環(huán)在齒輪減速機(jī)振動(dòng)信號(hào)拾取中的應(yīng)用
本節(jié)采用在軸承外圈套圈上拾取應(yīng)變信號(hào)的方法對(duì)二級(jí)齒輪傳動(dòng)裝置箱體所受的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力進(jìn)行了測(cè)試和分析裹唆，在此基礎(chǔ)上對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的軸系部件故障進(jìn)行了診斷誓斥。
裝有齒輪、軸和軸承的軸系是齒輪傳動(dòng)裝置的關(guān)鍵部件许帐。在齒輪傳動(dòng)裝置的工作過(guò)程中劳坑，箱體與其內(nèi)部的軸系部件構(gòu)成一個(gè)振動(dòng)耦合體系，見(jiàn)圖3-4成畦。軸系部件的振動(dòng)通過(guò)軸承激發(fā)箱體振動(dòng)距芬，這樣在軸承外圈上安裝套圈并粘貼應(yīng)變片，拾取套圈上的應(yīng)變信號(hào)堆浴，也就是對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置箱體所受的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力信號(hào)進(jìn)行測(cè)試和分析珍催，就可對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置內(nèi)的軸系部件進(jìn)行故障診斷督赡。這種振動(dòng)測(cè)試故障診斷的方法優(yōu)點(diǎn)是能直接拾取齒輪傳動(dòng)裝置內(nèi)的軸系部件的振動(dòng)故障信號(hào)，頻響范圍寬禾底，費(fèi)用低磷可。缺點(diǎn)是需專(zhuān)門(mén)制做套圈。
3.4.1 測(cè)試原理和方法
由齒輪据鼓、軸和軸承構(gòu)成的軸系部件可近似看作是一個(gè)線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)荸刁，它的振動(dòng)微分方程組為：
M
＋C(t）
＋K(t)q=R(t) （3-3）
式中：M、C(t）肿蚂、K(t)分別是軸系部件的質(zhì)量啊衣、阻尼和剛度矩陣，R(t)是外載荷矢量措找；糖追、和q分別是軸系部件有限元集合體的振動(dòng)廣義加速度、速度和位移矢量蝗羊。
用軸系部件軸的靜態(tài)變形場(chǎng)模擬軸系部件傳動(dòng)軸彎曲振動(dòng)振形藏澳，可得到軸系部件兩端給箱體的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力：
Px=A U， Py=B V （3-4）
式中：Px耀找、Py分別是軸系部件兩端給箱體的X方向和Y方向的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力翔悠；A、B分別是軸系部件X方向和Y方向的等效剛度矩陣U野芒、V分別是軸系部件上各點(diǎn)的X方向和Y方向的振動(dòng)位移矢量蓄愁。從（3-3）、（3-4）式可看出狞悲，軸系部件兩端給箱體的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力是和軸系部件的質(zhì)量撮抓、阻尼、剛度矩陣以及外載荷矩陣R(t)有關(guān)摇锋，而外載荷矩陣R（t）是和齒輪的嚙合沖擊丹拯、外載荷變化、齒輪軸承加工誤差荸恕、齒輪軸承點(diǎn)蝕磨損乖酬、齒輪軸承剛度變化等等因素有關(guān)。因此在在軸承外圈上安裝套圈并粘貼應(yīng)變片洪洪，拾取套圈上的應(yīng)變信號(hào)先俐，也就是直接拾取了齒輪傳動(dòng)裝置內(nèi)的軸系部件的振動(dòng)故障信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析极谚，就可對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置內(nèi)的軸系部件的故障作出正確的診斷坷字。
圖3-5是被測(cè)試的齒輪傳動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，圖3-6是測(cè)試該齒輪傳動(dòng)裝置箱體動(dòng)態(tài)激勵(lì)力應(yīng)變信號(hào)的系統(tǒng)示意圖舅狭。零件8為裝在軸承外圈上的套圈哼曙。套圈把軸系施加給軸承的載荷分成水平方向和垂直方向再傳給箱體。如圖3-6所示秸严，在套圈的水平和垂直方向分別貼上兩片電阻應(yīng)變片液互，并分別組成各自的全電橋電路。當(dāng)軸系產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)恍肢，軸承對(duì)箱體的作用力也隨之發(fā)生變化匈歼，也使貼在套圈上的應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生變化，而電阻的變化則通過(guò)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀輸出電壓信號(hào)摧辣，并經(jīng)磁帶記錄儀將此電壓信號(hào)記錄下來(lái)飞校。若將所得的信號(hào)在動(dòng)態(tài)數(shù)字分析儀上進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，再經(jīng)過(guò)比較旨袒，就可對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置內(nèi)的軸系部件的故障作出較為正確的診斷汁针。
圖3-5、3-6中：1-摩擦加載裝置砚尽；2-412滾動(dòng)軸承：3-206滾動(dòng)軸承施无；4-直流電動(dòng)機(jī)；5-稱(chēng)重傳感器：6-406滾動(dòng)軸承必孤；7-聯(lián)軸節(jié)猾骡；8-套圈
3.4.2 測(cè)試設(shè)備和參數(shù)
(1)JZQ-250型二級(jí)圓柱斜齒輪減速機(jī)一臺(tái)；(2）直流調(diào)速電機(jī)一臺(tái)敷搪；(3)8通道動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀一臺(tái)兴想；(4)5OOkg稱(chēng)重傳感器一個(gè)；(5)TEAC MR-30磁帶記錄儀一臺(tái)赡勘；(6)B&K8200閃光測(cè)速儀一臺(tái)嫂便；(7)HP3562動(dòng)態(tài)數(shù)字分析儀一臺(tái)。(8）有偏心質(zhì)量的彈性聯(lián)軸節(jié)一個(gè)狮含。
表1 減速機(jī)齒輪幾何參數(shù)
幾何參數(shù)
齒輪代號(hào) |
模數(shù)（mm） |
齒數(shù) |
變位系數(shù) |
齒寬（mm） |
螺旋角 |
精度等級(jí) |
| 1 |
2 |
Z1=20 |
0 |
40 |
806’34’’ |
8-8-8 |
| 2 |
2 |
Z2=79 |
0 |
40 |
806’34’’ |
8-8-8 |
| 3 |
3 |
Z3=16 |
0 |
60 |
806’34’’ |
9-9-9 |
| 4 |
3 |
Z4=83 |
0 |
60 |
806’34’’ |
9-9-9 |
注：電機(jī)轉(zhuǎn)速：n=93lrpm顽悼；二級(jí)圓柱斜齒輪減速機(jī)內(nèi)所有滾動(dòng)軸承的精度為E級(jí)。
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