变速箱噪声的频谱分析与故障诊断
2.3 振动、噪声谱及相干函数分析
诊断对象即BJ212型变速箱有五个档位，设计噪声指标为空档89.5dBA、Ⅰ档90dBA、Ⅱ档90dBA、Ⅲ档88dBA和倒档91dBA。本文所检测的变速箱噪声明显超标，其倒档时的噪声达到97dBA，故需对在各档下测得的振动和噪声信号进行谱分析以及相干函数分析，寻找故障原因。
本文以倒档时的振动、噪声谱和相干函数分析为例，将实验测得的变速箱振动、噪声信号经专门设计的计算机程序进行处理后，得到测试点处三个方向的振动频谱图（图4～图6）、噪声信号的频谱图（图7）和相干函数图（图8）。其中，采样频率为2000Hz，采样点数为1024，实测的输入轴转速是2226rpm。在图4～图6中，纵坐标为各振动加速度自（功率）谱与幅值1g、频率50Hz的简谐加速度之自谱的比值，图7的纵坐标为声级计输出电压信号幅值。由于理论上的电机转速与实际值总有差别，以及其它不可避免的测试和计算误差，使得谱图上的特征频率与相应的理论值并不能精确吻合。在图4所示的振动频谱图上，轴频及Z15/Z29啮合频率分别为19.44Hz（理论值为19Hz）和558.9Hz（理论值为550.57Hz）。从图7所示的噪声谱图中看到，中频噪声能量较强，尤以558.9Hz及其边频处的幅值最为突出。说明该频率分量在总噪声中贡献较大，其原因需结合声源（变速箱）具体结构特点进行分析。
由图4～6可以看出，虽然所测的是同一点的振动，其频谱图所包含的信息却是有所不同。相干函数表明，特别是在径向垂直振动的谱图上，明显地出现了Ⅱ轴的轴颈f2及其高次谐频2f2、3f2、…。同时我们还注意到，三个方向振动的频谱图包含有相同的信息，即在啮合频率558.9Hz两边具有明显的边频带，而且边带族以558.9±n×19.44Hz比较突出，而其它边带族并不明显。实际上的Ⅰ、Ⅱ档下这些特征反映的同样十分明显［3］。这都说明Ⅱ轴的轴频是一个调制源，表明故障发生在该轴上。Ⅱ轴的不对中或Z29这个齿轮出现损伤可引起以上故障。
谱图上轴承的特征频率并不突出，说明轴承的振动对噪声贡献不大，亦即故障并不来自轴承。本文检测后经有关人员对测试对象开箱检验，发现Z29这个齿轮有一齿出现明显损伤。
3 结论
本文以噪声作为故障症状，通过相干函数分析确定相关的振动信号，从而由振动信号的频谱特征分析故障原因，实验表明这种方法能够建立故障征兆空间与故障状态空间的映射，故具实际效果。
振动和噪声的谱分析作为一种传统的分析手段，其丰富的诊断事例还为诊断专家系统提供了丰富的专家知识，从而决定性地提高专家系统的水平。所以，基于相干理论的针对性实验研究，对于现代故障诊断理论在工程实际中更好地发挥其作用有着重要意义。
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