基于振动监测技术的变速器轴承故障诊断

流氓兔就是我

1 引言
滚动轴承是电力、石化、冶金、机械、汽车等工业部门中使用最广泛的机械零件，也是最易损伤的部件之一。旋转机械的许多故障都与滚动轴承有着密切的关联。据统计，在使用滚动轴承的旋转机械设备中，约有30％的机械故障是与轴承损伤有关联。

变速器用轴承是变速器常用的关键零件，也是变速器最易损坏的部件之一，轴承是否正常工作对变速器的运转状态有很大的影响，如选型不当会导致变速器产生异常振动和噪声，甚至造成变速器损坏。轴承发生局部损伤激起的高频振动及变速器齿轮本身啮合频率激起的振动都可能激起轴承振动系统的固有频率，从而引发轴承本身处于共振状态而失效，本文以某型变速器一轴轴承为研究对象，利用振动监测技术对该型轴承的损坏机理进行分析研究，准确诊断出故障变速器轴承损坏的机理，为变速器的轴承选型以及轴承故障诊断提供理论和方法指导。

2 轴承振动诊断方法
振动监测法是目前使用最为广泛的轴承诊断方法，它是通过安装在轴承座或箱体适当方位的振动传感器监测轴承振动信号，并对此信号进行分析与处理来判断轴承工况和故障的。从适用、实用、有效的观点看，目前没有比振动法更好的滚动轴承监视与诊断方法了。国内外开发生产的各种监测与诊断仪器和系统中多是根据振动法的原理制成的，有关轴承监测与诊断方面的文献大都是振动法。本文使用的也是轴承的振动信号。滚动轴承的振动信号分析故障诊断分为简易诊断和精密诊断两种。简易诊断就是初步判断被列为诊断对象的滚动轴承是否出现故障，保证轴承在一定的工作环境(承受一定的载荷，以一定的转速运转等)下和一定的工作期间内可靠有效地运行，以保证整个机械的工作精度。精密诊断是要判断在简易诊断中被认为是出现故障轴承的故障类别及原因，主要手段是频率分析法。在轴承内圈、外圈、滚动体出现点蚀等故障以后，当点蚀损伤点经过轴承元件表面时要产生突变的冲击脉冲力，其发生周期是有规律的，可以从转速和轴承的几何尺寸求得。并且，损伤发生在内、外圈或滚动体上时频率不同。滚动轴承表点蚀损伤发生在内圈、外圈、滚动体上时的振动频率及滚动体，内圈旋转频率计算公式。同时高速重载旋转得轴承还要计算其本身的固有频率，要避免激振能量过大激起轴承系统固有振动，当轴承出现故障后，在其振动频谱中会出现其特征频率的谱峰。在实际中，谱峰的频率并不总是精确地等于理论计算值。这主要是因为滚动体并非纯滚动等因素(如实际轴承的几何尺寸的误差、轴承安装后变形)造成的。所以在频谱图上寻找各特征频率时，需在计算的频率值的上下找其近似的值来做诊断判断。

3 现场测试
3.1变速器振动状态测试
本文要进行分析的某轻型汽车变速器，额定扭矩，转速2200rpm时满载对其2挡和3挡疲劳寿命进行考核，第一轮试验时变速器挂2挡和3挡试验台振动较大，其中2挡最为剧烈并多次导致试验台停机，拆解变速器后发现一轴轴承损坏，轴承保持架碎裂，特别是内圈出现间隔均匀的滚珠压痕，滚子严重点蚀（见图1），加大轴承润滑多次更换同型号轴承进行试验，轴承仍然出现损坏，对轴承切割进行材料的理化分析，其各项指标均合格，为了判定该型轴承的故障状态及损坏的机理，对其利用振动监测法对其故障进行诊断。本文利用LMS Test.Lab振动噪声数据采集系统对变速器在台架运行中的振动状态进行了现场测试。

图1一轴轴承保持架碎裂

试验前更换新的同型号的轴承并将加速度传感器安装在靠近一轴轴承的位置，选取在壳体的1点（垂直方向）、2点（垂直方向），侧面、轴向四个测点的加速度信号来监测变速器的振动状态。

图2 2挡和3挡2200rpm时振动频谱

图3 2挡和3挡各测点振动量级

图2为2挡和3挡时上1测点、上2测点的振动频谱图，从图中看2挡的主要激振频率为392Hz，3挡的主要激振频率为592Hz。图3为2200rpm满载时各个测点的振动量级，从图中可知上2测点的振动最为剧烈，上2测点也是最为靠近变速器一轴轴承的位置，该处加速度达到13g。变速器一轴输入转速2200rpm，转频36.7Hz，常啮合轮啮合频率806Hz，其它挡位输入转速2200rpm时齿轮的工作频率见表1，该轴承的工作频率见表2。

3.2轴承固有频率测试
采用锤击法对轴承的FRF频响进行测试，锤击法属宽带瞬态激励，用力锤敲击被测试件，力锤敲击时间足够短，作用在试件上为一冲击脉冲，脉冲中包括了从零到无限大的所有频率的能量（也称白噪声），且频谱连续。只有当与被测试件的固有频率相同时，相应的频率分量才对被测试件起作用，激励被测试件以其自身的固有频率作自由振动。将该型变速器选用的轴承用弹性绳自由悬挂，在轴承的内圈和外圈分别安装加速度传感器，采用LMS Impact Testing模块采集力锤输入和加速度输出信号，从而得到轴承系统的FRF的频响函数，结果如下：

图4频响函数

图5频响函数与相关性分析

图4－图5中相关系数大于0.8的频响峰值受干扰和非线性影响较弱，该峰值对应的频率为轴承的固有频率，前3阶为391Hz、592Hz左右。将轴承与变速器的一轴装配在一起采用力锤法对轴承和一轴装配体FRF进行测试，结果如图6和图7

图6频响函数及相关系数

轴承和一轴装配在一起进行锤击测试，有FRF响应可知轴承和一轴装配在一起时系统的前5阶固有频率为205Hz、395Hz、487Hz、590Hz、666Hz左右。变速器挂2挡齿轮副的啮合频率392.8Hz，2挡工作时啮合频率激起了轴承的固有频率，轴承发生共振，3挡时齿轮啮合频率590Hz也在处于轴承的共振点处，但由于3挡轮齿轮的承载扭矩没有2挡轮大，激振能量没有2挡大。通过以上分析得出2挡振动大后是由于2挡轮齿轮啮合频率激发轴承固有频率发生共振，从而导致轴承损坏。

4 改进措施及效果
更换轴承或者修改2挡轮的齿数使轴承的工作频率、齿轮的啮合频率与轴承的固有频率错开，不发生重叠。在不改变变速器速比和齿轮大小前提下采取改换承载能力相同的短圆柱滚子轴承，更换新轴承的FRF频响如图7，其固有频率均避开了变速器的工作转速使得改型变速器在更换新的轴承后运行状态良好，在变速器进行疲劳试验的整个过程中未出现故障。

图7频响函数与相关系数

5 结论
本文以某型变速器一轴轴承为研究对象，利用振动监测技术对该型轴承损坏的机理进行分析研究，准确诊断出故障变速器轴承的损坏机理，通过分析得出以下结论：
（1）该变速器一轴轴承固有频率与2挡轮啮合频率重合，发生共振而失效；
（2）变速器进行整箱设计时轴承除了满足承载能力，满足润滑良好外，还要避免与工作转速内的齿轮啮合频率、齿轮、壳体等主要零部件固有模态发生重叠，在进行变速器试验时尽可能避免试验转速工作在变速器的共振区。