基于振动信号分析的变速器滚动轴承损伤过程监测研究

张瑞亮 刘亚琼 王铁 颜天晓

（1.太原理工大学，齿轮研究所，太原 030024；2.广东威灵电机制造有限公司，佛山 528311；3.上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545000）

基于振动信号分析的变速器滚动轴承损伤过程监测研究

张瑞亮1刘亚琼2王铁1颜天晓3

（1.太原理工大学，齿轮研究所，太原 030024；2.广东威灵电机制造有限公司，佛山 528311；3.上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545000）

对三轴式5挡变速器进行等幅疲劳试验，采用均方幅值和全频带包络法对变速器疲劳寿命周期内的振动信号进行了分析，对变速器及轴承的损伤过程进行了监测，并对轴承的失效原因进行了分析。结果表明，在高速挡工况下，均方幅值可以作为轴承损伤过程监测的宏观指标；全频带包络分析方法可以有效监测轴承损伤过程；两者结合可以更好实现变速器滚动轴承损伤过程的在线监测。

1 前言

变速器的可靠性直接影响汽车传动系统的性能。滚动轴承是变速器最主要的失效部件之一，其失效比例占变速器失效的50%[1]。另外，轴承损伤还会引起其它部件的二次损伤，甚至整个设备的损伤和失效。因此，国内外工程技术领域一直非常关注滚动轴承损伤过程的监测和诊断[2]。

振动分析方法作为轴承状态监测和故障诊断的主要方法之一，具有测试方便、数据处理分析理论相对完整等优点，因而得到广泛应用。在轴承振动信号的处理分析方面，研究人员已经提出了许多振动信号处理方法和相关指标来进行轴承损伤过程监测，比如谱峭度分析[3]、基于频带熵的带通滤波包络分析[4]、阶次跟踪及其组合方法[5～7]、双谱及调制双谱分析[8～9]等。尽管这些研究工作取得了一些成果，但仍然存在计算分析过程复杂、轴承复合故障及轴承损伤过程研究较少、人为设置轴承故障等问题，因此在实际变速器轴承损伤过程监测中应用效果欠佳。

均方根值（Root Mean Square,RMS）作为有量纲的统计特征值，能较好地体现变速器振动信号的动态信息，但仅能反映变速器整体的疲劳损伤信息。为进一步提取并分析变速器轴承损伤信息，可以采用包络分析提取滚动轴承故障特征。包络分析是提取滚动轴承故障最有效的方法之一。全频带包络分析具有简单方便、运算量小等特点，容易实现在线监测。当轴承损伤到一定程度时，通过全频带包络可以诊断出轴承故障频率，从而实现轴承损伤过程监测。为了更准确监测实际变速器轴承损伤过程，本文在三轴式5挡变速器等幅疲劳试验的基础上，结合RMS和全频带包络方法对变速器轴承的损伤过程进行监测分析。

2 基于振动分析的滚动轴承监测理论基础

2.1 滚动轴承故障特征

滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架4部分构成。当这些轴承元件出现局部缺陷时，会引起具有特定故障频率的振动峰值，从而可以根据该频率峰值的出现和变化对轴承损伤状态进行监测。轴承外圈、内圈、滚动体、保持架的故障特征频率的计算公式分别为[10]：

式中，n1为轴承内圈转速；n2为轴承外圈转速；z为滚动体个数；d为滚动体直径；D为轴承节径；α为轴承接触角。

实际上，轴承工作时总是有轻微滑动，尤其是当轴承工作在动态载荷和存在严重磨损的情况下。因此，实际故障频率可能会与计算值存在细微差别。

2.2 RMS分析

在工程应用中，RMS是最常采用的时域统计指标之一。对于总体样本点为N的离散时域信号x(n)，其RMS为：

由于RMS是对样本总体N的平均,因此能较好地反映振动信号的总体动态信息，常用来判断机械设备的整体运转状态。

2.3 包络分析

包络分析是最有效的滚动轴承故障特征提取方法之一，其中希尔伯特（Hilbert）包络是最常用的包络分析方法，其具有数据处理过程简单方便、运算量小的特点，因此在轴承损伤故障诊断中得到广泛使用。其是时域信号绝对值的包络，可以从信号中提取调制信号，进行分析调制信号的变化[2]。

假设y（t）是一个连续的时间信号，其Hilbert变换可以定义为：

式中，τ是积分变量。

y（t）与其Hilbert变换可以构成解析信号

式中，i表示复数的虚部。

则信号y()t的Hilbert包络可以定义为：

对其进行傅里叶变换分析就可以得到包络谱，通过观察包络谱图中轴承故障特征频率峰值的出现和变化，就可以确定轴承故障类型及监测其损伤过程。

3 试验方法

对三轴式5挡变速器台架等幅疲劳试验[11]测得的振动信号进行分析，来监测轴承损伤过程。变速器结构及传感器安装位置如图1所示，其中10#、11#和12#加速度传感器分别监测变速器箱体轴向、竖直方向和水平方向的振动。各轴承型号及参数见表1，其中轴承2内、外圈均旋转且没有保持架。试验采用排挡循环法进行，试验各循环工况为输入扭矩350 N·m，转速1500 r/min；一个循环工况由低速挡开始，逐次向高速挡转换，以最高挡结束（其中4挡为直接挡，不进行循环试验）；若10个循环变速器未失效，则进行倒挡试验，变速器各挡传动比及循环工况中各挡试验及倒挡试验时间见表2。在试验过程中，对振动信号进行连续采集，采样间隔为10 min。应用采样分辨率为16位的16通道高速数据采集仪进行数据采集和模数转换，并将数据保存在电脑中以便后续分析。为了获得较好的故障频率辨识度，数据采样频率为24 kHz，每次采样的数据长度为60 s。

试验进行到第6循环1挡刚开始时，变速器出现异响，停机拆箱检查发现轴承2的滚动体、内圈及外圈均出现了损伤（见图2），属于复合故障。可知，轴承2的内圈、外圈和滚动体均出现一端损伤的现象，表明轴承2在运转过程中存在一定程度的偏载，从而导致轴承2较早出现损伤。这是因为三轴式变速器是将输出轴的输入端插入到变速器输入轴的常啮合齿轮端部的孔内，通过轴承2支撑实现输出轴的连接。这种结构型式容易使得输入轴的输出端和输出轴的输入端处于“类悬臂”状态。此外，三轴式变速器输入轴和输出轴中心线的理想安装状态是同轴，但除直接挡外，两轴的转速不同，虽然输入轴和输出轴上齿轮的轴向力方向均向外，在一定程度上能够缓解由于“类悬臂”导致的轴不对中状态，但是受齿轮端面力的作用、不同挡位不同工况以及装配时设定的轴承游隙调整等影响，这种“类悬臂”状态不易控制，而轴承2正好处在这个位置，且内圈和外圈均旋转，工况相对恶劣，较容易出现偏载而产生不均匀损伤故障。

图1 变速器及传感器安装位置

表1 轴承型号及参数

表2 变速器各挡传动比及循环工况试验时间

4 滚动轴承损伤过程监测分析

为了验证所提出的变速器滚动轴承损伤过程监测方法的正确性，分别对采集的变速器前5个循环振动信号进行RMS和包络分析。

齿轮的振动信号反映了齿轮系统的运行状态。常用的振动分析方法[7]有时域分析、频谱分析、时频分析。时域分析直接对信号时域波形进行分析，主要的特征参数为有效值、峰峰值、峰值因子和峭度等；频谱分析是将时域信号转换到频率域中进行分析；时频分析是同时将信号表征在时域和频域上。文中主要对信号进行时域和频域分析，在时域中评价齿轮系统振动特性的参数主要有最大值、最小值、均方根值、峭度；在频域中，主要对其幅值进行比较。

图2 轴承2失效图

4.1 RMS分析

为了减小数据处理量，缩短计算时间，同时能较好反映整体振动变化趋势，在各挡位每个循环内均匀取10个采样点，并将这10个采样点的RMS均值作为各循环的RMS值，得到各挡位的RMS分析结果，如图3所示。可知，随着变速器工作循环次数的增加，由于其零部件会发生磨损或损伤，因此各挡位的RMS值总体趋势逐渐增大。具体表现为：1挡第3循环运转过程中RMS值缓慢增大后又减小，可能是由于在第3循环中某部件发生损伤导致；2挡第4循环中RMS值快速增大，其原因是与变速器输入端花键相连的花键套发生断裂，更换花键套后，花键磨合等原因导致；3挡前4个循环中RMS值缓慢增大，到第5循环时其值快速增大，可能是由于出现了新的故障导致；变速器5挡前4个循环中RMS值增大速率较快且相对平稳，同样在第5循环RMS值快速增大，这也可能是由于出现新的故障导致。

此外，变速器内部各零部件的振动信号都会通过轴、轴承等部件构成的传动路径最后传递到轴承座。从故障诊断角度考虑，10#传感器位于变速器输出轴轴承盖附近，其对变速器损伤及故障信号反映更加敏感，而且只对1个传感器的振动信号进行分析，将会显著减小计算工作量从而有利于实现在线监测，因此以基于10#传感器采集的振动信号来分析变速器轴承2的疲劳损伤过程。从图3可以看出，由10#传感器采集的振动信号的RMS均值随着变速器损伤程度的加剧，其中1挡、2挡和3挡的RMS均值增加量较小，其第5循环比第1循环的最大增加量为4.071 mm/s2；5挡的RMS均值变化较为显著，变化趋势清晰，其第5循环比第1循环的最大增加量为11.55 mm/s2，这可能是由于处于5挡时输出轴转速较高，工况相对恶劣，此时故障冲击产生的能量相对较大，故障特征明显且对损伤的变化较为敏感，因此变速器处于第5挡时更有利于状态监测。

图3 各挡前5个循环内各测点的RMS均值

由上述分析可知，变速器作为一个复杂的转子系统，使用振动信号的RMS值作为其整体运转状况的指标，在一定程度上能反映变速器的损伤情况，对变速器整体损伤状态监测具有一定的参考价值，但是要实现变速器滚动轴承等具体零部件损伤过程的精确监测，还需要对振动信号进行更为细致的分析。

4.2 包络分析

由变速器试验工况和滚动轴承参数求得滚动轴承2在变速器第5挡时的外圈故障特征频率fo为44.99 Hz，内圈故障特征频率fi为64.98 Hz，滚动体故障特征频率fr为17.20 Hz。

对10#传感器采集的振动信号每个循环中的一个采样点进行全频带包络分析，得其各循环全频带包络谱。分析频率为200 Hz（大于前3阶特征频率）范围内的包络谱，发现包络谱中仅有1阶故障频率，更高阶频率未能包络出来，可能是由于轴承2内圈与外圈均旋转的特定工况导致，也可能是损伤初期点蚀或剥落坑较小，高阶谐波会被噪声淹没而观察不到，而当损伤加剧后，点蚀或剥落坑又较宽且浅，导致不会产生高阶谐波等原因所致。因此只对其1阶故障频率进行分析，包络谱分析结果如图4所示。

由图4可以看出，随着试验的进行，轴承2滚动体和内圈故障频率幅值从第1循环到第4循环逐渐增大，表明轴承的损伤越来越严重，第5循环略微下降，是由此时外圈也出现故障导致；轴承2各元件损伤过程为第1循环滚动体出现损伤，第2循环内圈出现损伤，第5循环外圈也出现损伤。这与振动信号RMS值的变化趋势基本一致，也验证了RMS值对变速器轴承故障具有一定的敏感性，且当变速器处于5挡时对轴承损伤的变化更敏感，所以尽量在变速器处于高速挡时对其进行分析。

此外，还应用滤波信号包络分析等方法对轴承2的损伤过程进行分析，得出了类似结果。但是，由于滤波信号包络分析方法存在最佳中心频率和最佳边带等滤波参数不易确定等缺点，对于变速器这种结构较为复杂、损伤形式多样、挡位工况变化较多的机械传动系统，其滤波参数的选取将更为复杂，这给滤波信号包络分析也带来了诸多困难。因此，对于变速器滚动轴承损伤过程监测来说，全频带包络分析方法可以说是一种效率和精度都比较好的方法。

图4 5挡各循环包络谱

5 结束语

本文采用RMS和包络分析方法对变速器及其滚动轴承损伤过程及原因进行了分析，结果表明RMS值对轴承损伤较为敏感，对于变速器这种较为复杂的齿轮传动系统，RMS值可以作为其轴承运转状态监测的宏观监测指标之一，当RMS出现明显增大时，表明轴承可能出现一定程度的损伤；结合全频带包络分析方法可以获得更为明确的滚动轴承各组成元件的损伤过程，实现轴承损伤过程精确监测。由于高速挡状态下轴承损伤造成的冲击能量较大，更有利于故障特征的提取，所以可以尽可能选择变速器高速挡工况下对轴承损伤过程进行分析。

1 刘亚琼.商用车变速器台架等幅疲劳试验轴承损伤过程分析：[学位论文].太原：太原理工大学，2015.

2 颜天晓，张瑞亮，王铁，等.基于EEMD和Hilbert包络分析的轴承复合故障诊断研究.机械传动，2016(6)：132～135.

3 Eftekharnejad B，Carrasco M R，Charnley B，et al.The ap⁃plication of spectral kurtosis on Acoustic Emission and Vi⁃brations from a defective bearing.Mechanical Systems and Signal Processing，2011，25：266～284.

4 王小玲，陈进，从飞云.基于时频的频带熵方法在滚动轴承故障识别中的应用.振动与冲击，2012，18：29～33.

5 程利军，张英堂，李志宁，等.基于阶比跟踪及共振解调的连杆轴承故障诊断研究.内燃机工程，2012(5)：67～73.

6 徐亚军,于德介,刘坚.基于线调频小波路径追踪阶比循环平稳解调的滚动轴承故障诊断.航空动力学报,2013(11):2600～2608.

7 Borghesani P，Ricci R，Chatterton S，et al.A new proce⁃dure for using envelope analysis for rolling element bearing diagnostics in variable operating conditions.Mechanical Systems and Signal Processing，2013(38)：23～25.

8 周宇，陈进，董广明，等.基于循环双谱二次切片分析的滚动轴承故障诊断研究.振动与冲击，2012，18：24～28.

9 Ibrahim R，Tian X，Gu F，et al.The fault detection and severity diagnosis of rolling element bearings using modula⁃tion signal bispectrum.Eleventh International Conference on Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologies，Manchester，2014.

10 罗红梅，齐明侠，裴峻峰，等.滚动轴承故障诊断中精确转频的实用计算新方法.振动与冲击，2007(5)：64～66,154.

11 全国汽车标准化技术委员会.QC/T 568-2011汽车机械式变速器台架试验方法.北京：中华人民共和国工业和信息化部，2011.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2017年5月26日。

The Failure Process Monitoring of Transmission Rolling Bearings Based on Vibration Signal Analysis

Zhang Ruiliang1,Liu Yaqiong2,Wang Tie1,Yan Tianxiao3
（1.Gear Research Institute of Taiyuan University of Technology,Taiyuan,030024;2.Guangdong Welling Motor Manufacturing Co.,Ltd,Foshan,528311;3.SAIC-GM-Wuling Motors Co.,Ltd,Liuzhou,545000）

In this research,constant amplitude fatigue test of 5-speed transmission with 3-shaft was conducted,Root Mean Square(RMS)and Full Band Signal Envelope(FBSE)methods were used to analyze the vibration signals within the fatigue lifecycle of transmission,to monitor the failure process of transmission and bearings,and analyze the cause of bearing failure.The results show that,at high speed operations,the RMS values of vibration signals can be used as a macro indicator of bearing failure process monitoring,and the failure process of bearing can be monitored by FBSE method.It is better to implement the on-line monitoring of transmission rolling bearing failure process by the combination of RMS and FBSE.

Transmission,Bearingfailure,Vibration signal,On-linemonitoring

变速器 轴承损伤 振动信号 在线监测

U463.212 文献标识码：A 文章编号：1000-3703（2017）10-0029-05

精密齿轮传动设计和高挡齿轮制造技术（2014BAF08B01）。