振動(dòng)和噪聲信號(hào)是齒輪故障特征信息的載體,，目前能夠通過各種信號(hào)傳感器、放大器及其他測(cè)量?jī)x器,，很方便地測(cè)量出齒輪箱的振動(dòng)和噪聲信號(hào),，通過各種分析和處理,，提取其故障特征信息，從而診斷出齒輪的故障,。
以振動(dòng)與噪聲為故障信息載體來進(jìn)行齒輪的精密診斷,，目前常用的信號(hào)分析處理方法有以下幾種：
(1)時(shí)域分析方法，包括時(shí)域波形,、調(diào)幅解調(diào),、相位解調(diào)等；
(2)頻域分析，包括功率譜,、細(xì)化譜,；
(3)倒頻譜分析；
(4)時(shí)頻域分析方法,，包括短時(shí)FFT,，維格納分布，小波分析等,；
(5)瞬態(tài)信號(hào)分析方法,，包括瀑布圖等。
上述各種信號(hào)分述處理方法前面均已介紹,，在此僅針對(duì)齒輪振動(dòng)的特點(diǎn)介紹其中最常用的幾種分析方法,。
一、頻率細(xì)化分析技術(shù) 由于齒輪的振動(dòng)頻譜圖包含著豐富的信息,，不同的齒輪故障具有不同的振動(dòng)特征,，其相應(yīng)的譜線會(huì)發(fā)生特定的變化。
由于齒輪故障在頻譜圖上反映出的邊頻帶比較多,，因此進(jìn)行頻譜分析時(shí)必須有足夠的頻率分辨率,。當(dāng)邊頻帶的間隔（故障頻率）小于分辨率時(shí),，就分析不出齒輪的故障,，此時(shí)可采用頻率細(xì)化分析技術(shù)提高分辨率。以某齒輪變速箱的頻譜圖［見圖1(a)］為例,，從圖中可幾以看出,，在所分析的0 ~ 2kHz頻率范圍內(nèi)，有1~4階的嚙合頻率的譜線,，還可較清晰地看出有間隔為25Hz的邊頻帶,，而在兩邊頻帶間似乎還有其他的譜線，但限于頻率分辨率已不能清晰分辨,。利用頻譜細(xì)化分析技術(shù),，對(duì)其中900～1 100Hz的頻段進(jìn)行細(xì)化分析，其細(xì)化頻譜如圖1 (b)所示,。由細(xì)化譜中可清晰地看出邊頻帶的真實(shí)結(jié)構(gòu),，兩邊頻帶的間隔為8. 3Hz，它是由于轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為8.3Hz的小齒輪軸不平衡引起的振動(dòng)分量對(duì)嚙合頻率調(diào)制的結(jié)果,。本例表明,，用振動(dòng)頻譜的邊頻帶進(jìn)行齒輪不平衡一類的故障診斷時(shí)，必須要有足夠的頻率分辨率,，否則會(huì)造成誤診或漏診,，影響診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。
二、倒頻譜分析 對(duì)于同時(shí)有多對(duì)齒輪嚙合的齒輪箱振動(dòng)頻譜圖,，由于每對(duì)齒輪嚙合都將產(chǎn)生邊頻帶,，幾個(gè)邊頻帶交叉分布在一起，僅進(jìn)行頻率細(xì)化分析有時(shí)還無法看清頻譜結(jié)構(gòu),，還需要進(jìn)一步做倒頻譜分析,。倒頻譜能較好地檢測(cè)出功率譜上的周期成分，通常在功率譜上無法對(duì)邊頻的總體水平作出定量估計(jì),，而倒頻譜對(duì)邊頻成分具有“概括”能力,，能較明顯地顯示出功率譜上的周期成分，將原來譜上成族的邊頻帶譜線簡(jiǎn)化為單根譜線,，便于觀察,，而齒輪發(fā)生故障時(shí)的振動(dòng)頻譜具有的邊頻帶一般都具有等間隔（故障頻率）的結(jié)構(gòu)，利用倒頻譜這個(gè)優(yōu)點(diǎn),，可以檢測(cè)出功率譜中難以辨識(shí)的周期性信號(hào),。
圖1 齒輪振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析
圖2 (a)是某齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的頻譜，頻率為0 ~20kHz ,譜線數(shù)4000其中包含嚙合頻率 （4 . 3kHz）及其三階諧頻成分,。由于頻率分辨率太低(50Hz ),，頻譜上沒有分解出邊頻帶，圖(b)是對(duì)圖(a)中的3.5～13. 5kHz頻段內(nèi)細(xì)化至2000譜線的頻譜,。譜中包含前三階嚙合頻率的諧頻,，但不包含齒輪旋轉(zhuǎn)頻率的低階譜波。由于分辨率較高（5Hz ),，可以看到很多邊頻成分,，但仍很難分辨出它們的周期。將圖（b)中7.5~9.5kHz頻率展開作橫向放大,，得到圖（C),，可以看到以旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻帶。圖(d)是由圖（b)而得到倒頻譜,。倒頻譜上清楚地表明了對(duì)應(yīng)于兩個(gè)齒輪旋轉(zhuǎn)頻率（85Hz和50Hz）的兩個(gè)倒頻分量A1（11．8ms）和B1（20. 0ms）,，而在功率譜上卻難以分辨出來。
圖2 用倒頻譜分析齒輪箱振動(dòng)信號(hào)中的邊頻帶
1-嚙合頻率,；2,，3-高次諧波；A1～A5…一周期為11．$ms諧波,；B1～ B3…-周期為20ms諧波
倒頻譜的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是受信號(hào)傳遞路徑影響較小,，這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)于故障識(shí)別極為有用。圖3是兩個(gè)傳感器在齒輪箱上不同測(cè)點(diǎn)的分析結(jié)果,�,？梢钥吹�,，由于傳遞路徑不同，二者的功率譜也不相同,。但在倒頻譜上,，由于信號(hào)源的振動(dòng)效應(yīng)和傳遞途徑的效應(yīng)分離開來，代表齒輪振動(dòng)特征的倒頻率分量幾乎完全相同,，只是低倒頻率段存在由于傳遞函數(shù)差異而產(chǎn)生的影響,。由此可見，在進(jìn)行倒頻譜分析時(shí),，可以不必考慮信號(hào)測(cè)取時(shí)的衰減和標(biāo)定系數(shù)所帶來的影響,。
圖3 故障信息在功率譜和倒頻譜中明顯性比較
如前所述，在齒輪箱的振動(dòng)中,，調(diào)頻和調(diào)幅的同時(shí)存在及兩種調(diào)制在相位上的變化使邊頻具有不穩(wěn)定性,，這種不穩(wěn)定性給在功率譜上識(shí)別邊頻造成不利影響。而在倒頻譜上,，代表齒輪調(diào)制程度的幅值不受相位變化的影響,，這也是倒頻譜分析的優(yōu)點(diǎn)之一。
三,、瀑布圖分析法 除了倒頻譜分析方法外,，前述瀑布圖分析方法也可以在齒輪箱故障診斷中應(yīng)用。改變齒輪箱輸人軸的轉(zhuǎn)速并作出相應(yīng)的振動(dòng)功率譜,，就可以得到瀑布圖,。在瀑布圖上，可以清楚地觀察到,，有些譜峰的位置隨輸人軸轉(zhuǎn)速的變化而偏移,，它們一般屬于齒輪強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率；而有些譜峰的位置始終不變,，不隨輸入軸轉(zhuǎn)速的變化而改變，這種譜峰就屬于由共振所引起的,，這種共振可能是齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)共振,，也可能是箱體共振，繪制瀑布圖一般需要有20％以上的轉(zhuǎn)速變化,。
四,、時(shí)域同步平均法 從齒輪振動(dòng)中取出嚙合頻率成分，將它同齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率同步相加,、平均,，這種方法叫時(shí)域同步平均法。這種方法對(duì)診斷齒輪局部異常并確定其位置非常有效,。因?yàn)楫惓Ш蠒r(shí),，沖擊振動(dòng)的振幅要比其他齒的大，所以曲線上幅值最大的峰值位置即是異常齒的位置。其分析原理如圖4所示,。
圖4 同期時(shí)域平均法
同期時(shí)域平均需要保證按特定整周期截取信號(hào),。對(duì)齒輪信號(hào)的特定周期，總是取齒輪的旋轉(zhuǎn)周期,。通常的做法是,，在測(cè)取齒輪箱振動(dòng)加速度的同時(shí)，記錄一個(gè)轉(zhuǎn)速同步脈沖信號(hào),。在作信號(hào)的時(shí)域平均時(shí),，以此脈沖信號(hào)來觸發(fā)A /D轉(zhuǎn)換器，從而保證按齒輪軸的旋轉(zhuǎn)周期截取信號(hào),，且每段樣本的起點(diǎn)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)軸的某一特定轉(zhuǎn)角,。
隨著平均次數(shù)的增加，齒輪旋轉(zhuǎn)頻率及其各階倍頻成分保留,，而其他噪聲部分相互抵消趨于消失,，由此可以得到僅與被檢齒輪振動(dòng)有關(guān)的信號(hào)。
經(jīng)過時(shí)域平均后,，比較明顯的故障可以從時(shí)域波形上反映出來,，如圖5 (a)所示。圖（a）是正常齒輪的時(shí)域平均信號(hào),，信號(hào)由均勻的嚙合頻率分量組成,，沒有明顯的高次諧波；圖5(b)是齒輪安裝對(duì)中不良的情形,，信號(hào)的嚙合頻率分量受到幅值調(diào)制,，但調(diào)制頻率較低，只包含轉(zhuǎn)頻及其低階諧頻,；圖5（c）是齒輪的齒面嚴(yán)重磨損的情況,，嚙合頻率分量嚴(yán)重偏離正弦信號(hào)的形狀，故其頻譜上必然出現(xiàn)較大的高次諧波分量,，由于是均勻磨損,，振動(dòng)的幅值在一轉(zhuǎn)內(nèi)沒有大的起伏；圖5（d）為齒輪有局部剝落或斷齒時(shí)的典型信號(hào),，振動(dòng)的幅值在某一位置有突跳現(xiàn)象,。一般來講，觀察時(shí)域平均后的齒輪振動(dòng)波形對(duì)于識(shí)別故障類型是很有幫助,，即使一時(shí)難以得出明確的結(jié)論,，對(duì)后續(xù)分析和判斷也可以提供極具參考價(jià)值的信息。
圖5 齒輪在各種狀態(tài)下的時(shí)域平均信號(hào)
