高分辨率扭振测量方法及其应用

Ξ 山西省青年科学基金资助项目 (编号: 991019)。 收稿日期: 2002211211; 修改稿收到日期: 2002212227。
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振 动、测 试 与 诊 断 第 23 卷
关键词 扭转振动 分辨率 故障诊断 调制 解调 中图分类号 TB 523 T P20613
引 言
在各类回转机械中, 轴的扭转振动是重要的一 种振动形式, 它是由于作用在轴上的扭矩随时间变 化而产生的旋转振动。 扭振对轴及轴上零件的危害 在振动初期表现得并不明显, 但扭振引起的扭转应 力变化的积累往往会造成突发性的事故, 如矿井提 升机的主轴断裂等。所以, 通过扭振信号来监测主轴 的运行状态可以防止灾害事故的发生[1]。另外, 利用 扭振信号, 可以对轴及其相关部件进行损伤检测和 故障诊断。在齿轮等机器零部件的故障诊断中, 通常 是在箱体上安装振动加速度计来拾取振动信号, 但 由于此信号从故障激励源到测量点经过了较复杂的 传递路径, 信号会受到干扰和污染, 从而影响了故障 特征的分离和准确提取。 而反映在转动轴的扭振信 号中的故障信息没有经过复杂的传递路径, 信噪比 高, 故障特征明显, 利于随后的分析处理。
我们在齿轮故障诊断实验台上对无损伤齿轮和 齿轮点蚀做了分析。 在轴端安装了高密度增量型编 码器, 在齿轮箱上安装了加速度计。小齿轮的齿数为 31, 大齿轮的齿数为 69, 轴的转速为 200r m in。通过 理论计算可知, 轴的转动频率为 313H z, 啮合频率为 10213H z。从图 3 可清楚地看出点蚀齿轮的特征, 在 313H z 处有一谱线, 在 10011H z 处有一突出谱线, 它的边频非常明显、均匀, 与理论计算较吻合。 图 4 为无损伤齿轮扭振信号频谱图, 就没有上述特征。对 于相同的齿轮在相同的处理下, 振动加速度信号的 特征就没有扭振信号的特征明显, 如图 5 所示。但并 不是说振动加速度信号就没有优势, 有些情况下, 没 有进行扭振测量的条件, 就要用振动加速度信号对 齿轮进行故障诊断。这时, 对振动加速度信号进行倒 谱分析, 有时再进行后续处理, 会得到较好的效果。
如图 1 所示。 这种电路变换精度较高, 动态范围宽,
电路不复杂。Biblioteka Baidu
间接鉴频法主要有波形变换法、琐相环解调法、
(1) 横向振动的影响。在许多情况下, 横向振动 和扭振是同时存在的, 如果轴系刚性较强且长度较 短, 轴的横向振动较小, 对扭振测量的影响也较小。 轴的任意截面的横向振动是一个二维振动, 且横振 速度 V 基本上是沿径向的, V 的切向分量可以忽 略, 而扭振表现轴的转动角速度的周期性变化, 是切 向的。由于编码器输出的脉冲只有频率调制, 因此解 调和分析电路也较简单。 当轴系存在不对中或质量 不平衡时, 横振较大, 对扭振信号将有较大影响[5], 产生测量误差。对于不对中轴系, 弯扭耦合会产生奇 数倍频的扭振分量, 当质量不平衡时, 扭振特性与不 平衡程度和轴的转速有关。而某些情况下, 弯扭耦合 又会导致轴系故障特征的改变, 这是在故障诊断中 要特别注意的问题。
图 3 点蚀齿轮扭振信号频谱图
图 4 无损伤齿轮扭振信号频谱图
图 5 点蚀齿轮振动加速度信号频谱图
身不发生扭振。 (2) 测量精度与编码器线数有关, 由于扭振的
幅度很小, 所以编码器输出的脉冲数应该足够多。如 果脉冲数太少, 中间的扭振信息就会有损失, 后续处 理也就不会得到正确的结果。
(3) 本方法测量的是转轴“瞬时角速度”的波动 情况, 可以进行实时监测, 适用于故障诊断。
4 张建勋. 希尔伯特变换原理在扭转振动分析中应用的理 论研究. 昆明理工大学学报, 1998, (1) : 91～ 94
5 傅忠广, 杨 昆, 宋之平. 弯曲和质量失衡对弯扭耦合振 动影响的探讨. 汽轮机技术, 1999, (4) : 197～ 202
3 结 论
(1) 本方法中编码器通过弹簧片固定在支架 上, 机器的主轴与编码器的轴连接在一起。此结构可 以修正轴的微小不对中, 而不会吸收扭振信号的能 量。 但是, 簧片的扭转刚度要足够大, 保证编码器本
在回转机械中, 有很多因素可以引起轴的扭转 振动, 系统的机械负载或动力系统工况的突然变化 及系统零部件的一些损伤和故障等都是扭振的诱 因。扭转振动的幅度 (角度) 一般是比较小的, 如果测 量的分辨率不够高, 就不能有效地掌握扭振的情况。 我们希望找到一种在实际应用中既简便易行, 又有 较高分辨率的测量方法。
u ( t) = U co sΞT t
(2)
其中: U 为调制信号的幅值; ΞT 为调制信号的频率。 假设 Ηo = 0, 载波的某一谐波分量为 f n ( t) =
cnco s (nN Ξot) , 调频信号的瞬时角频率为
Ξ( t) = nN Ξo + ∃ Ξ( t) = nN Ξo + ∃ Ξm nco sΞT t
以提高扭振幅度分辨率。目前, 已有一转可以产生几 千甚至几万个脉冲的增量型光电编码器, 这样就使 角度分辨率大大提高, 再经过比较简单的后续处理, 就可以实现高分辨率扭振测量。
图 1 频率2电压转换电路框图
1. 1 脉冲调制解调方式基本原理
用适当的方式将高密度光电增量式编码器与轴
相联, 轴均匀转动时, 编码器输出的矩形脉冲信号是
振有关的其他物理量来得到扭振信息, 如定子电流 法等。 各种测量方法都有其应用局限性。
本文研究高分辨率扭转振动测量及相应的脉冲 调制解调方法, 并探讨提高分辨率和测量精度的途 径。讨论用扭振信号进行齿轮故障诊断的若干问题, 同时给出齿轮箱故障的扭振诊断结果及其与箱体振 动信号进行诊断的比较。
1 高分辨率扭转振动测量方法
1. 2 实验方案构成
如图 2 所示, 在实验中, 使用高密度增量式光电 编码器, 在轴端附近固定一支架, 编码器通过弹簧片 固定在支架上, 机器的主轴与编码器的轴连接在一 起。此结构可以修正轴的微小不对中, 而不会吸收扭 振信号的能量。用液压马达作为负载, 通过调节出油 口的压力来实现系统载荷的变化。
(2) 脉冲调制信号解调后即是 u 与 ∃Ξ 的关系, 用高密度增量型编码器, 两脉冲之间无须插值, 不必 换算, 测量简便直接, 误差较小。如果进行插值, 插值 部分无扭振的实际信息, 这样必然会带来误差。
(3) 由于本方法测量的是转轴“瞬时角速度”的 波动情况, 无须设定测量基准, 故可以进行实时监 测, 适用于故障诊断。
由载波 nN Ξo 与无数边频 nN Ξo±kΞT 组成。 这些边
频对称地分布在载频两边, 幅度取决于 m f n, 而实际
的脉冲频率调制信号的频谱更加复杂, 所以测取到
此信号后, 需要经过解调才能得到反映扭振的信号。
频率解调有多种方法, 主要有直接鉴频法和间
接鉴频法。 直接鉴频法主要指频率2电压转换电路,
图 2 实验方案构成框图
1. 3 测量精度讨论
(3) 调频信号的瞬时相位为
∫ Υ(t) =
t
Ξ(Σ) d Σ=
0
nN Ξot +
∃ Ξm ΞT
n
s in ΞT
t
=
nN Ξo t + m f n sinΞT t
(4)
其中: ∃ Ξm n 为相对于载频的最大角频偏: m f n 为调频
指数。
调频信号为
作者简介: 熊晓燕 女, 1970 年 3 月生, 讲 师。现主要从事机械故障诊断和振动、噪声 控制方面的研究。曾发表“A m ethod of the m u lti2tran sducer op tim izing a rrangem en t fo r dam age detection of m ach ine p a rts ” ( ISM A , B elg ium , 2002) 等 论 文。 E2m a il: sbx iong@p ub lic. ty. sx. cn
u FM ( t) = cnco s (nN Ξo t + m f n sinΞT t) =
∞
∑ cn J k (m f n) co s (nN Ξo + k ΞT ) t
(5)
k= - ∞
其中: J k (m f n) 为 k 阶第一类贝塞尔函数。
式 (5) 只是考虑了最简单的情况, 此调频信号是
扭振测量可以用轴上的码盘、齿轮或其他等分 的齿形结构, 通过传感器或直接用传感器产生脉冲, 脉冲的时间间隔反映了轴的瞬时角速度的大小, 从 而获得扭振信息。 轴上已有的等分齿形结构一般齿 数较少, 轴转动一周得到的脉冲数也较少, 不能测到 小幅度的扭振。为了解决这个问题, 通常的做法是在 相邻脉冲间进行插值, 但这样得到的扭振信息是不 真实的, 实际的扭振信息已经丢失, 随后无论经过什 么样的信号处理也不可能恢复丢失的信息。因此, 必 须找到一种可以获得足够的每转脉冲数的传感器,
冲信号就产生了梳密变化, 也就是扭转振动信号对
脉冲信号进行了频率调制, 脉冲信号为载波, 扭振信
号为调制信号。
当调制信号为以下的单一频率信号[ 3 ] 时
调频负反馈解调法和正交鉴频法等。 由于扭振的幅 度一般都比较小, 调频波的频偏较小, 用这些方法进 行解调的效果不好。另外, 软件方法——希尔伯特变 换法[4] 适用于窄带信号, 在变换前要对实际的信号 进行带通滤波处理。
均匀的, 它的傅里叶级数表达式为
∑ f (t) =
cnco s (nN Ξo t + Ηn)
(1)
其中: cn 为谐波幅值; n 为谐波阶数; N 为每转脉冲 数; Ξo 为轴的回转频率; Ηn 为 n 阶谐波初相角。
当作用在轴上的扭转应力发生变化时, 轴的转
速就会产生忽快忽慢的变化, 这时编码器输出的脉
第 23 卷第 1 期 2003 年 3 月
振动、测试与诊断
Jou rna l of V ib ra t ion,M ea su rem en t & D iagno sis
V o l. 23 N o. 1 M a r. 2003
高分辨率扭振测量方法及其应用Ξ
熊晓燕
(太原理工大学机电所 太原, 030024)
参 考 文 献
1 杨兴生. 扭转振动数字信号分析系统的开发研究和应用. 振动、测试与诊断, 2000, (1) : 41～ 46
2 郭 力, 李 波. 轴系扭转振动测量方法评述. 磨床与磨 削, 2000, (3) : 53～ 56
3 曾兴雯. 高频电路原理与分析. 西安: 西安电子科技大学 出版社, 2001
一般来说, 扭振信号的测取比较困难, 从而影响 了它在实际中的广泛应用。 测量扭振的方法有直接 法和间接法两类[ 2 ]。直接法就是直接感测轴的扭振, 有接触测量和非接触测量。 接触测量主要是将传感 器 (应变片、加速度计和编码器等) 安装在轴上, 测量 信号可以通过集流环或有线、无线电发讯等方式传 输到仪器上。非接触测量主要有测齿法、红外法和激 光法等, 这些方法无须在轴上安装传感器, 利用非接 触方式感测轴的扭振。 间接法主要是通过测量与扭
2 应用实例
把扭转振动信号用于齿轮故障诊断中是非常有 效的。 当齿轮上有点蚀、断齿和剥落等故障时, 它在 运行过程中的接触刚度就会发生瞬时变化, 从而造 成扭转刚度的瞬时变化, 产生扭振。由齿轮啮合产生 的扭振信号被上述故障扭振信号所调制, 在频谱图 上表现为在啮合频率及其各次谐频两侧出现间隔均 匀的调制边频带。 根据此特征, 或作进一步的处理, 就可判断齿轮是何种损伤或故障及其发生的部位。
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第 1 期 熊晓燕: 高分辨率扭振测量方法及其应用
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(4) 光电编码器输出的脉冲都是矩形脉冲, 不 用限幅和整形电路, 没有下限截止频率。
摘要 研究了一种高分辨率扭转振动测量方法及相应的脉冲调制解调方式, 讨论了该方法的工作原理、实现的途 径和在使用中存在的一些问题。 列举了应用实例, 并给出了齿轮箱故障的扭振诊断与利用箱体振动信号进行诊断 的比较结果。该方法在实际应用中不但简单可靠, 而且精度较高。由于扭振信号传递路径简单, 信噪比高, 故障特征 明显, 后续处理简单, 所以利用它对齿轮箱进行故障诊断的效果更好。