第3章 齒輪減速機振動信號拾取方法的研究
3.1 傳感器類型的選擇
由于齒輪減速機是由齒輪、傳動軸和軸承等傳動部件及箱體、箱蓋等支撐部件組成，傳動部件在發生故障時，故障振動頻率可覆蓋幾Hz至數kHz的范圍。因此，齒輪減速箱的振動信號不能采用位移和速度傳感器來拾取，而只能用加速度傳感器來拾取。通常加速度傳感器一般采用電荷輸出型的壓電加速度計，這種加速度計體積小、重量輕、價格便宜。但由于它要和電荷放大器配合使用，因而在傳感器與阻抗變換放大器之間就有一段高阻抗信號輸送的聯接，故降低了系統的低頻性能、分辨率、抗干擾能力和穩定性等方面水平。為了改變這種現象，便發展了集成形式的壓電傳感器-即ICP加速度計，它將阻抗變換放大器封裝在傳感器的剛性殼體內。
由于齒輪減速機箱體結構的限制，加速度傳感器不能安裝在箱體的軸承座處，故拾得的振動信號不能很理想反映箱體內的傳動元件的振動信號。本章嘗試用套在滾動軸承外圈上的套圈應力環來拾取箱體內的傳動元件的振動信號。
3.2 ICP加速度傳感器在齒輪減速機振動信號拾取中的應用
典型的集成壓電式（ICP）加速度計是在傳統的壓電加速度計基礎上耦合一個以場效應管為核心的內裝放大器電路所構成。電路原理如圖3-1所示。
ICP加速度計除了能帶來使用方便操作簡化的優越性外，較傳統的壓電加速度計還具有如下一系列的優點：
1 低輸出阻抗（《100Ω）。允許使用超長電纜通過惡劣的環境傳輸信號；
2 固定的電壓靈敏度，與電纜的長度和電容量無關；
3 作為二線系統，能適應標準的低價格同軸電纜或通用的雙導線電纜；
4 低阻抗的電壓輸出（±5V)，與標準的數據采集系統完全兼容；
5 多通道使用時成本更低，只需配置低成本的恒流電壓源：
6 固有的自測試特點，可通過恒流電壓源提供的偏置電壓監控傳感器的工作正常與否；
7 大大減少了對測試系統的維護要求。
根據上海北智公司推薦，ICP加速度計頻響范圍的上限頻率fmax（Hz）即最高允許頻率由以下公式確定：
fmax=（IC-1）×109/2πC×V （3-1）
式中：IC（mA）——恒電流；C（pf）——電纜電容；V（V）——最大信號電壓
根據丹麥B＆K公司推薦，ICP加速度計與供電電源之間最遠導線距離（m）：
3.3 加速度傳感器安裝位置的確定
為了測得齒輪減速機箱體內傳動零部件的故障振動信號，加速度傳感器應安裝在靠近箱體軸承座處的垂直方向上。但在現場安裝加速度傳感器往往要受齒輪減速機箱體結構的限制，加速度傳感器在箱體的軸承座附近沒有合適的位置，有對安裝在離軸承座較遠處；此外為了節省成本，要求以最少的傳感器獲得必要的信息，一臺齒輪減速機只能放兩到三個傳感器。為此可用測試分析儀器通過振動模態等試驗對齒輪減速機可能的加速度傳感器安裝位置進行反復對照比較，既要考慮傳感器安裝位置能確保齒輪減速機內傳動件故障信號的正確處理拾取、振動較強烈，又要考慮該位置剛度相對要大。
采用加速度計監測齒輪減速機這種方法的優點是傳感器安裝方便，缺點是有時由于箱體結構的限制，傳感器不能安裝在箱體軸承座附近，且這時候加速度計拾取的振動信號不能全面地反映齒輪傳動裝置內部軸系部件的損傷情況，另外加速度計的頻響范圍只能從幾Hz至十千Hz，低頻響應不是太好，此外，價錢也較貴。
3.4 軸承套圈應力環在齒輪減速機振動信號拾取中的應用
本節采用在軸承外圈套圈上拾取應變信號的方法對二級齒輪傳動裝置箱體所受的動態激勵力進行了測試和分析，在此基礎上對齒輪傳動裝置的軸系部件故障進行了診斷。
裝有齒輪、軸和軸承的軸系是齒輪傳動裝置的關鍵部件。在齒輪傳動裝置的工作過程中，箱體與其內部的軸系部件構成一個振動耦合體系，見圖3-4。軸系部件的振動通過軸承激發箱體振動，這樣在軸承外圈上安裝套圈并粘貼應變片，拾取套圈上的應變信號，也就是對齒輪傳動裝置箱體所受的動態激勵力信號進行測試和分析，就可對齒輪傳動裝置內的軸系部件進行故障診斷。這種振動測試故障診斷的方法優點是能直接拾取齒輪傳動裝置內的軸系部件的振動故障信號，頻響范圍寬，費用低。缺點是需專門制做套圈。
3.4.1 測試原理和方法
由齒輪、軸和軸承構成的軸系部件可近似看作是一個線性時變系統，它的振動微分方程組為：
M
＋C(t）
＋K(t)q=R(t) （3-3）
式中：M、C(t）、K(t)分別是軸系部件的質量、阻尼和剛度矩陣，R(t)是外載荷矢量；、和q分別是軸系部件有限元集合體的振動廣義加速度、速度和位移矢量。
用軸系部件軸的靜態變形場模擬軸系部件傳動軸彎曲振動振形，可得到軸系部件兩端給箱體的動態激勵力：
Px=A U， Py=B V （3-4）
式中：Px、Py分別是軸系部件兩端給箱體的X方向和Y方向的動態激勵力；A、B分別是軸系部件X方向和Y方向的等效剛度矩陣U、V分別是軸系部件上各點的X方向和Y方向的振動位移矢量。從（3-3）、（3-4）式可看出，軸系部件兩端給箱體的動態激勵力是和軸系部件的質量、阻尼、剛度矩陣以及外載荷矩陣R(t)有關，而外載荷矩陣R（t）是和齒輪的嚙合沖擊、外載荷變化、齒輪軸承加工誤差、齒輪軸承點蝕磨損、齒輪軸承剛度變化等等因素有關。因此在在軸承外圈上安裝套圈并粘貼應變片，拾取套圈上的應變信號，也就是直接拾取了齒輪傳動裝置內的軸系部件的振動故障信號，對該信號進行分析，就可對齒輪傳動裝置內的軸系部件的故障作出正確的診斷。
圖3-5是被測試的齒輪傳動裝置傳動系統簡圖，圖3-6是測試該齒輪傳動裝置箱體動態激勵力應變信號的系統示意圖。零件8為裝在軸承外圈上的套圈。套圈把軸系施加給軸承的載荷分成水平方向和垂直方向再傳給箱體。如圖3-6所示，在套圈的水平和垂直方向分別貼上兩片電阻應變片，并分別組成各自的全電橋電路。當軸系產生振動時，軸承對箱體的作用力也隨之發生變化，也使貼在套圈上的應變片的電阻值產生變化，而電阻的變化則通過動態電阻應變儀輸出電壓信號，并經磁帶記錄儀將此電壓信號記錄下來。若將所得的信號在動態數字分析儀上進行時域和頻域分析，再經過比較，就可對齒輪傳動裝置內的軸系部件的故障作出較為正確的診斷。
圖3-5、3-6中：1-摩擦加載裝置；2-412滾動軸承：3-206滾動軸承；4-直流電動機；5-稱重傳感器：6-406滾動軸承；7-聯軸節；8-套圈
3.4.2 測試設備和參數
(1)JZQ-250型二級圓柱斜齒輪減速機一臺；(2）直流調速電機一臺；(3)8通道動態電阻應變儀一臺；(4)5OOkg稱重傳感器一個；(5)TEAC MR-30磁帶記錄儀一臺；(6)B&K8200閃光測速儀一臺；(7)HP3562動態數字分析儀一臺。(8）有偏心質量的彈性聯軸節一個。
表1 減速機齒輪幾何參數
幾何參數
齒輪代號 |
模數（mm） |
齒數 |
變位系數 |
齒寬（mm） |
螺旋角 |
精度等級 |
| 1 |
2 |
Z1=20 |
0 |
40 |
806’34’’ |
8-8-8 |
| 2 |
2 |
Z2=79 |
0 |
40 |
806’34’’ |
8-8-8 |
| 3 |
3 |
Z3=16 |
0 |
60 |
806’34’’ |
9-9-9 |
| 4 |
3 |
Z4=83 |
0 |
60 |
806’34’’ |
9-9-9 |
注：電機轉速：n=93lrpm；二級圓柱斜齒輪減速機內所有滾動軸承的精度為E級。
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