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2011-4-19 閱讀(1350)
摘要：某多輸入雙級傳動齒輪箱是艦船振動與噪聲的主要根源之一。文中在建立齒輪箱的試驗模型后,采用固定錘擊點改變測量點法采集各點的沖擊數據和響應數據,在對同類型兩部齒輪箱的模態試驗的結果分析的基礎上,通過對比找到了其中一部齒輪箱振動噪聲增大的原因,經過對該齒輪箱的開箱測檢結果表明,其分析結論是正確的。對該型艦船齒輪箱的故障診斷、提高其可靠性和維修性,具有重要的指導意義。
關鍵詞：齒輪箱; 振動; 噪聲; 模態試驗
艦船齒輪箱不僅要求傳遞功率大、體積小、重量輕,還要求其振動小、噪聲低[1 ] ,齒輪箱能否正常工作會影響整個系統的工作特性,齒輪箱本身的振動以及由軸系傳來的齒輪的振動都是產生艦船輻射噪聲的主要根源,繼而直接影響艦船的戰斗力。某型艦船的多輸入雙級傳動齒輪箱存在著較大的振動和噪聲,表現為振動量級超大和有嘯叫聲,這一現象在其它同型齒輪箱中少見,通過對該型艦船齒輪箱箱體的模態對比測試,測試結果發現了某型艦船齒輪箱產生噪聲振動的故障原因,并采取了相應的措施,排除了故障。
1 齒輪箱的振動信號分析
從故障齒輪箱中錄取信號,經數字信號分析,從中提取故障信息,是機器設備狀態監測和故障診斷的有效方法[2 ,3 ] 。振動信號的結構成分反映齒輪箱的振動特征及故障性質。為此,通過對同型的兩座齒輪箱的振動信號的拾取及分析對比,查找齒輪箱的主要故障源及其傳遞途徑。
在齒輪箱上共布置了六個測點,測點布置在齒輪箱體罩殼軸承測溫計的凸臺上,測點如圖1 所示。
圖1 齒輪箱測點布置
同時,還用聲級計測試空氣噪聲,并分析其頻譜,比較其與箱體振動的相關性。主要測試儀器有: Kistler 8702250 加速度傳感器、Kistler 5124A 放大器、TEAC TD2135 T 數據記錄儀、HP25670 動態信號分析儀和QUEST MODEL 1800 聲級計。從齒輪箱的振動頻譜圖分析,其振動頻譜的主頻率為二級齒輪副的嚙合頻率及其倍頻。而空氣噪聲頻譜的主頻率與振動頻譜的主頻率一致,也是二級齒輪副的嚙合頻率。由此可以斷定齒輪箱的異常齒輪箱的異常噪聲來源于齒輪機組的異常振動。從故障齒輪箱的加速度振動幅值（見圖2） 和正常齒輪箱的加速度振動幅值（見圖3） 比較來看,故障齒輪箱上的23 # 軸承處振動強烈和噪聲較大,該軸承為齒輪箱的主監控測點。齒輪箱振動的原因可能是在齒輪嚙合傳動中,當齒輪、軸承存在集中缺陷、分布缺陷或齒輪所在軸彎曲時,將產生轉頻調制嚙合頻率的現象。如果軸嚴重彎曲或者齒輪或軸承嚴重故障而導致振動能量異常大時,齒輪嚙合傳動中的異常振動會激勵起傳動箱體的固有頻率。另外,齒輪箱體本身的振動以及由軸系傳來的齒輪的振動都是產生輻射噪聲的主要根源,有必要對齒輪箱進行模態試驗與分析。
圖2 故障齒輪箱振動加速度
圖3 正常齒輪箱振動加速度
2 模態試驗的理論模型
由于振動監測分析法具有診斷速度快、準確率高和能夠實現在線診斷等特點,所以它是對齒輪箱進行故障診斷zui有效、zui常用的方法之一。其中應用模態試驗分析方法是進行故障診斷和狀態監測的一種重要途徑。通常當結構發生故障時, 如出現裂紋、松動、零部件損壞等情況, 結構物理參數將發生變化,其特征參數（固有頻率、模態阻尼、振型、頻響函數等） 隨之發生改變。根據這些參數的變化情況,可以判斷出故障的類型,有時還可以判斷出故障的位置。齒輪箱零件失效的統計表明,齒輪和軸承失效的比重zui大,分別為60 %和19 %[4 ] 。對齒輪箱進行模態分析并利用模態參數等結果進行故障判別,已日益成為一種有效的故障診斷和安全檢測方法。
齒輪箱體的振動可假設為一個具有n 個自由度的線性時不變系統運動,其振動微分方程為[5 ] :
式中:M, C, K分別為系統的質量、阻尼及剛度矩陣; X, F 分別為系統各點的位移響應向量及激振力向量。
對式（1） 兩邊進行拉氏變換,對線性時不變系統,其極點在復平面左半平面,上述過程將*是傅氏變換過程,得到的傳遞函數為頻響函數,即
X （ω） = H（ω） F（ω） （2）
對于單輸入,當在p 點激振, l 點測量響應,位移頻響函數為:
從理論上講,頻響函數矩陣的任一行或任一列都包含了系統模態參數的全部信息,所差的只是一個常數因子。因此,為了識別模態,只要測量頻響函數矩陣的一行或一列即可。實際測試中,由功率譜密度來求系統的頻率響應函數具有更普遍的實用意義,表達式為:
H（ω） = Gf x （ω） / Gf f （ω） （4）
式中: Gf x （ω） 為輸入輸出互功率譜密度; Gf f （ω） 為輸入輸出自功率譜密度。
上式采用了互譜分析技術,當多次平均后,可極大地減小噪聲。由于估計頻響函數時用的是zui小二乘近似法,因而可以定義相應的相干函數,它是zui小二乘誤差的量度,其定義為:
式中: Gxx 為響應的自譜。
相干函數γ2 表示頻域中響應與力之間線性相關的程度（或相關系數） ,它在0～1 之間變化,相干函數越接近于1 ,表明兩個相比較信號（例如輸入與輸出） 之間經全部平均后存在著良好的線性關系。求出系統的單位脈沖響應函數后采用單模態擬合法,即對應于單輸入多輸出（ SIMO） 的zui小二乘復指數法（L SCE） 估算模態參數。它的基本思路是:先構造一個多項式,導出該系統的自回歸（AR） 模型,在求解出自回歸系數以后,逐步識別系統的模態參數。
3 齒輪箱體模態測試
3. 1 測試儀器和分析設備
沖擊力錘選用Kistler 9724A5000 , 配重250 g , 尼龍錘頭,B &K8200 型壓電式力傳感器及B &K2635 型電荷放大器;響應測試:選用三軸向B &K4321 加速度傳感器,B &K2635 型電荷放大器;記錄、分析儀:比利時PIMEN TO8 通道動態信號采集及分析系統或美國DP104 動態信號采集及分析系統和比利時LMS 公司CADA2X 結構模態測試分析軟件。
3. 2 測點布置及測試方案
為了對齒輪箱的模態進行測試,首先對齒輪箱進行結構分析和幾何尺寸測繪,并對其進行初步有限元計算和固有頻率分布范圍估計。預估結果表明,由上下兩箱體組成的齒輪箱的上箱體各階模態較為密集,所以在上箱體布置了216 個響應測點,下箱體上布置了48 個響應測點,共計264 個響應測點。布點原則是保證可以激發出齒輪箱體的各階模態,對于軸承座等重要部位以及能夠引發噪聲比較大的部位采取多布響應測點的原則,在箱體上標出各測點位置,并逐一對其進行編號。
根據主傳動齒輪箱由上下兩箱體組成的特點和實際操作條件,測試采用錘擊法,固定敲擊點移動響應點的測試方法。試驗時,力信號及由加速度傳感器獲得的響應信號經放大器分別進入數據采集器或便攜機并用分析儀現場監視每次敲擊時各測點的頻響函數及相干情況。要求力錘敲擊時,沖擊力的自功率譜在所選頻帶內應當干凈而平坦,沒有連擊,用力大小均勻且測試對象響應適中,每點平均錘擊次數為八次,信號大小滿足信噪比。選擇敲擊點要避開節點、接近區域幾何中心等因素。為了避免因響應點選擇不當可能造成模態泄漏,響應點應選擇在非對稱軸線（或對稱平面上） ,并經多次初步反復測試后確定。該齒輪箱采用減振橡膠器彈性隔振方式,測試中采用原裝支承方式。試驗結束后,將記錄的信號送給模態分析軟件進行模態分析。測試分析系統框圖如圖4 所示。
圖4 模態測試及分析系統
3. 3 數據處理
模態分析采用實模態分析法。根據固有頻率的密集程度,選擇適當帶寬,進行初始估計,然后進行整體曲線擬合,求出頻響函數,并對模態振型進行綜合化處理, 剔除局部模態,得出測試箱體的各階模態參數。由于振型矢量是相對值,要采用不同尺度的振型矢量歸一化,并且得到不同的廣義模態參數。本試驗按模態質量為1 歸一化處理,獲得了如表1 中前15 階模態的模態參數。
4 齒輪箱模態分析與結論
分析各階振型,齒輪箱上箱體的振動遠比下箱體的振動大,這與有限元計算的結果是一致的。軸承座位于上箱體,所以上箱體的大幅度振動使得軸承座的振動也比較大,這就使得齒輪在運轉過程中的對中受到影響,進而產生齒面的敲擊帶來振動與噪聲,這是齒輪箱產生振動與噪聲的一個重要根源。
結合齒輪箱運轉實際情況,可以得到齒輪箱在若干工況下齒輪箱中高壓端和低壓端齒輪嚙合的頻率。由表1 知故障齒輪箱9 階模態頻率為543. 5 Hz ,正常齒輪箱9 階模態頻率為537. 2 Hz ,而其高壓端二級齒輪嚙合工作頻率在主軸轉速為105 r/ min 時約為561 Hz ,雖然工作頻率561 Hz 沒有落在這兩個模態頻率上,但對一般的工程結構,要求各階模態頻率遠離工作頻率,或工作頻率不落在某階模態的半功率帶寬內（計算表明,故障齒輪箱和正常齒輪箱的半功率帶寬為527. 59～559. 49 Hz 和522. 5～551. 9 Hz） ,比較起來,故障齒輪箱的9 階模態頻率比正常齒輪箱的模態頻率更接近于工作頻率。另外從故障箱和正常箱的9 階模態頻率相鄰的兩個模態頻率8 階（分別對應為458. 6 Hz、470. 1 Hz） 和10階（分別對應為607. 2 、608. 9 Hz） 的來分析,這兩階（8 、10） 的模態頻率,故障箱的更接近于工作激勵頻率,這是造成故障箱在主軸轉速為105 r/ min 時,振動和噪聲大的原因之一。由圖2 知,故障齒輪箱的振動和噪聲zui大處在齒輪箱高壓端二級減速齒輪23 # 軸承支承處,符合模態測試結果。
當輸出轉速為150 r/ min 時,其高壓端二級齒輪嚙合頻率為810～840 Hz 之間,隨輸入轉速波動而變化。而此時,故障和正常齒輪箱13 階模態頻率分別為845. 1 Hz 和812. 9 Hz ,進一步計算故障和正常齒輪箱13 階模態頻率的半功率帶寬分別為:828. 2～861. 9 Hz 和790. 6～835. 2 Hz ,都處于工作頻率的附近,必然使得這里的振動加速度幅值較大。由圖2 知故障齒輪箱其23 # 軸承的振動加速度幅值（RMS） 在輸出轉速150 r/ min 時,為39. 1 m/ s2 ,是同一工況正常齒輪箱（支承高壓端二級齒輪的23 #軸承的加速度幅值15. 1 m/ s2 （RMS） 的2. 6 倍。而此時,正常齒輪箱除了23 # 軸承（在轉速上升時,該處振動zui大值處,其余都比較小） 、24 # 軸承的振動比較大以外（分別為15. 1 m/ s2 和13. 6 m/ s2 ） ,其余的振動加速度幅值比較小。
從上面的討論中可以發現,故障齒輪箱振動和噪聲比同一工況下正常齒輪箱偏大,對比表1 故障齒輪箱和正常齒輪箱的模態頻率及阻尼比,可以有以下分析結論:
（1） 二級齒輪嚙合頻率與齒輪箱9 階和13 階模態頻率重合而引起的共振造成齒輪箱振動和噪聲大。同時,發現故障齒輪箱振動和噪聲遠比正常齒輪箱的大,是由故障齒輪箱二級齒輪激振力的遠遠大于正常齒輪箱的激振力產生的。其可能的成因:故障箱基座下沉量比正常箱的大（后經檢測事實如此） ;
鉚焊結構的齒輪箱隨時間發生變形,造成轉子的不平衡、安裝不對中、軸的平行度超差,軸承損壞、齒輪表面損壞等因素;
（2） 兩個齒輪箱模態阻尼比的大小有較大的變化。系統阻尼越大,對振動的衰減也就越大。故障箱阻尼比zui大值為5. 38 % ,zui小值為0. 94 % ,而正常箱的阻尼比值的范圍為5. 38 %～1. 86 %。在同一階數下,正常箱的模態阻尼比至少比故障箱的模態阻尼比大或相當,這也是正常箱的振動和噪聲比故障箱小的原因之一。造成阻尼比變化的原因眾多,比如滑動軸承的間隙、滑油粘度、安裝螺栓的擰緊力矩的變化等。
5 結束語
根據分析結論,經拆檢,發現輸入端與齒輪箱的對中、齒輪箱與聯軸器的對中等以及基座下沉量在允許的范圍內,但發現23 # 滑動軸承的軸瓦有磨損現象并且在二級小齒輪表面有損傷現象,通過對二級傳動齒輪進行修復和動平衡,并更換磨損的軸瓦,故障齒輪箱的振動和噪聲大幅減小。以上結果表明,模態分析方法是一種對齒輪箱的性能評估、故障診斷、保養和維修十分有用的工具[6 ] 。
