基于冲击解调法的齿轮箱异响故障诊断

2018-08-03高洪滨张国浩郝力洁王华明

中国修船 2018年4期

高洪滨，孙斌，张国浩，郝力洁，王华明

(1.92601部队，广东湛江 524009;2.92326部队，广东湛江 524009)

齿轮箱是多数舰船主动力装置的关键设备，需要对其进行经常性的振动监测和油液监测。某舰主动力装置是蒸汽动力装置，主齿轮箱两级减速，总减速比高，结构复杂。振动激励源多，振动信号频率成分复杂，正确选择振动信号的测量方法和分析方法是准确诊断齿轮箱故障的基础[1]。通过电子听诊器巡查发现，螺旋桨轴转速在90～100 r/min范围内，该舰主减速齿轮箱箱体上存在明显的异响。为了诊断该齿轮箱异响故障的具体原因，对其进行了振动监测，并对采集的振动信号进行了详细分析，最终确定了故障的原因。

1 振动信号采集

信号采集仪器为某部队与武汉优泰电子技术有限公司合作研发的ZJ-UT02A型手持式船用精密振动测试与分析系统。仪器的主要性能指标如表1所示。

表1 ZJ-UT02A精密测振仪性能指标

在主机不同转速时，分别采集了该舰前、后主齿轮箱多个测点的振动时间波形和频谱，采集参数设置如表2所示。测点布置如表3所示，其中V代表垂向，H代表横向，A代表轴向。在不同的螺旋桨轴转速下(90 r/min、95 r/min，105 r/min、135 r/min、180 r/min)进行了测量。监测结果表明，桨轴转速在100 r/min以下时，各个测点各个方向通频振动烈度值均在2.0 mm/s以下；在100 r/min以上时，各个测点各个方向通频振动烈度值均在4.0 mm/s以下。齿轮箱振动烈度正常。听诊发现，在螺旋桨轴转速为90 r/min或者95 r/min时，前后减速齿轮箱箱体上多处可以听到有规律性的异响，在齿轮箱前端盖处最为明显。在螺旋桨转速为105 r/min时，异响变弱，出现的频率明显降低，而且不具有规律性。螺旋桨转速在135 r/min以上时，异响消失。

表2 采集参数设置

表3 测点布置

2 振动信号分析

不同转速下的加速度时间波形和频谱、速度频谱看不出明显区别，不同转速下的振动速度波形差别明显，且与异响具有对应性。在螺旋桨轴转速为90 r/min或者95 r/min时，多数测点振动速度时间波形中具有周期性出现的异常冲击，特别是齿轮箱输出轴前端盖轴向最为明显，如图1和图2所示。在螺旋桨转速为105 r/min以上时，异常冲击变微弱，且出现不规律，如图3所示。在螺旋桨转速达到135 r/min以上时，异常冲击消失，如图4和图5所示。说明该异常冲击就是异响来源。

图1 测点1A振动速度波形(90 r/min)

图2 测点1A振动速度波形(95 r/min)

图3 测点1A振动速度波形(105 r/min)

图4 测点1A振动速度波形(135 r/min)

图5 测点1A振动速度波形(180 r/min)

3 冲击解调与故障诊断

速度信号的分析频率为3 Hz～1 kHz，说明异常冲击在这一频段具有较大的能量。而加速度的分析频率为10 Hz～20 kHz，高频成分能量大，中低频率成分被淹没。对螺旋桨转速为90 r/min时测点1A振动速度信号进行详细分析。取异常冲击附近的数据进行傅里叶变换，发现异常冲击的主要频率成分在100～200 Hz之间。对测点1A振动速度时间信号进行带通滤波。设计了1个通带频率为100～200 Hz的有限时间带通滤波器，采用matlab中的filtfilt命令，实现无延时滤波，滤波后的波形如图6所示。

图6 测点1A滤波后速度波形(90 r/min)

(1)

令

(2)

则xh(t)的幅值对应x(t)的包络线[2]。

通过带通滤波和Hilbert变换获得了信号的包络曲线，如图7所示。再对包络曲线进行傅里叶变换，得到包络频谱，即为冲击解调谱，如图8所示。可以看出，冲击的调制频率为4.5 Hz左右。此时螺旋桨转频为1.5 Hz，叶频为4.5 Hz。可见，冲击调制频率恰好为螺旋桨的叶频。为了图形显示清晰，时间波形只画出了2 s时长，实际进行频谱分析时，采用了10 s时长，频率分辨率为0.1 Hz。

根据上述分析可以判断：异响是碰撞造成的，具有短时冲击特征，齿轮在低速时啮合不良是可能原因；冲击的调制频率是叶片通过频率，因此，在该转速下，螺旋桨水动力学特性变差，扭转载荷通过轴系波动传递到齿轮箱，导致齿轮箱的配合变差，是故障的可能原因；或者是在该转速范围内，船—机—桨系统配合变差，导致齿轮啮合状态变差，也是可能原因。故障发生在齿轮箱内部特别是轮齿上的可能性不大，因为如果轮齿有问题，高速时异常冲击不应该变小或者消失。