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1、直升机传动系统主减速器故障诊断方法摘要：本文总结了直升机传动系统主减速器零部件常见失效形式，对振动及 噪声机理及齿轮、轴承故障振动信号特点进行了分析，提取了主减速器常见故障 的振动信号特征。根据提取的主减速器故障信号的特征，提出行之有效的诊断方 法，为主减速器故障诊断提供了新思路新方法。关键词：直升机 传动系统 故障诊断 检测1 引言直升机传动系统是直升机三大动部件之一，一般包括“三轴两器”，即主减 速器、中间减速器、尾减速器、动力输入轴、尾传动轴。它将发动机的功率按要 求的转速比和转向传递给主旋翼和尾桨，同时传动各种直升机附件，并通过它将 旋翼的气动载荷传递给机身。直升机性能很大程度上取决于
2、传动系统的性能。随着直升机在军用和民用中的作用日益增强，地位日益提高，其可靠性和安 全性问题越来越受到重视。传动系统作为直升机关键部件，其可靠性对直升机安 全至关重要，加强对直升机传动系统状态监测及故障诊断技术的研究具有重要的 意义。本文主要对直升机传动系统主减速器的故障预测、诊断的常用方法进行研 究。2 主减速器零部件常见失效形式主减速器机匣内安装有齿轮、滚动轴承和轴等零部件，这三类主要零部件失 效时产生的故障通常会互相影响，通常轴和滚动轴承的失效也会引起齿轮的啮合 状态发生变化，表现为齿轮的失效。齿轮投入使用后，由于制造缺陷或维护不当，会产生各种形式的失效，失效 形式又随齿轮材料、热处理、
3、安装和运转状态等因素的不同而不同，常见的齿轮 失效形式有：齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、弯曲疲劳和断齿等。主减速器中轴和轴系常见的失效形式有：轴有较严重的不平衡、弯曲变形、 不对中等。主减速器中滚动轴承的失效形式有：内环、外环和滚动体的点蚀和疲劳剥落 保持架损伤等。3 主减速器振动噪声产生的机理直升机主减速器工作过程中，其运行状态与故障的征兆主要由温度、润滑油 中磨粒含量及形态、齿轮箱的振动及辐射的噪声、齿轮传动轴的扭振和转矩、齿 轮齿根应力分布等构成。由于现场条件及分析技术所限，有些征兆的提取与分析 不易实现，有些征兆不能完全反映状态情况。相对来讲，齿轮的振动和噪声（特 别是振动）
4、是目前公认的最佳故障征兆提取量。3.1 齿轮振动机理分析3.1.1 齿轮啮合频率一对齿轮啮合运转，参与工作的齿数由一对变成两对，又由两对变成一对， 形成单双齿啮合交替变化，对齿轮施加一个周期性的冲击，从而形成齿轮啮合振 动，啮合频率为Ui式中：f啮合频率；Zn自然数1,2,3,., M, M为最大谐波次数；N齿轮轴的转速，r/min；Z齿轮的齿数。3.1.2 齿轮啮合刚度对于齿轮振动的产生，齿轮啮合刚度是一个很重要的，同时也是一个很复杂 的参量，它是研究齿轮动态性能的基础。齿轮啮合刚度受诸多因素的影响，如传 递载荷、载荷分布、轮齿变形和啮合位置等，还与齿轮重叠系数有关。图1所示为直齿轮和斜齿轮
5、刚度曲线，可见，斜齿轮啮合刚度变化较缓，这 也是斜齿轮传动平稳的原因之一。图1齿轮啮合刚度变化曲线3.2齿轮故障时的调制现象和边频带分布特点齿轮出现故障时常产生冲击，出现不同程度的调制现象，在频谱图中出现形 式各异的调制边频带。这些调制边频带的特点包含了很多有用的齿轮故障信息。 对齿轮振动信号中出现的调制现象进行分析，有效地区分不同调制型故障的振动 特征，识别边频带特征，是主减速器故障诊断的关键。在齿轮产生故障时，在频谱图中除了啮合频率及其各次谐波之外，通常还会 出现以下三种形式的调制现象：齿轮啮合频率及其谐波为载波的调制、齿轮固有 频率为载波的共振调制、箱体固有频率为载波的共振调制。3.3滚
6、动轴承冲击振动的产生与特点如果滚动轴承的内环、外环或滚动体有损伤，轴旋转时，这些零件在接触过 程中会产生机械冲击，产生冲击脉冲变动幅度较大的力。这种冲击会激起轴承内 环、外环或滚动体的固有频率，其中滚动体的固有频率非常高，超出一般的振动 加速度传感器能够测得的频率范围，所以滚动体的固有频率不能对轴承的故障诊 断提供有效信息，而有用的信息是轴承内、外环的固有频率。轴承内、外环或滚 动体出现故障时，一般都会在轴承内、外环固有频率附近出现边频带、时域信号 反映为调制现象。通常当滚动轴承出现一个或少数几个不连在一起的疲劳剥落坑 时，产生滚动轴承内、外环固有频率振动调制现象；当滚动轴承不是单个疲劳剥 落
7、坑，而是连成一片时，反而不出现振动调制现象，此时振动能量的变化大。主 减速器中滚动轴承故障时，其能量较齿轮产生振动的能量小得多，因而是故障诊 断的难点。3.4 噪声产生的机理主减速器可以看作为质量弹簧组成的一个振动系统，轮齿的弹簧刚度具有周 期性变化的性质，制造装配误差、传动误差的存在和扭矩的变动形成激振力，在 激振力的作用下，齿轮产生振动，该振动及轴承、轴等的振动均通过轴承座传给 机匣，产生机匣壳体的振动。同时振动还以固体声和空气声的形式传播成为噪声 见图 3。mJ岡恤体声m.图3主减速器运转噪声本质上属于冲击噪声，冲击噪声可分为两部分，即加速度 噪声和自鸣噪声。加速度噪声是指被撞击的物体产
8、生瞬间加速度，从而在空气介 质中产生速度势，产生声压。自鸣噪声则指冲击过后物体的自由衰减振动而产生 的噪声。噪声信号受周围环境影响较大，给故障诊断带来更大的困难，所以工程测试 中大多对振动信号进行测量分析，找出降低振动水平的方法，最终实现改善主减 速器噪声水平的目的。4 主减速器常见故障的振动信号特征主减速器故障诊断一般分四个步骤进行：信号检测、特征提取、状态识别和 诊断决策。对主减速器常见故障的机理研究和特征提取在整个故障诊断过程中占 有举足轻重的地位。下面针对主减速器典型故障振动信号进行分析，提取典型故 障的特征。4.1 齿形误差产生齿形误差后，主减速器箱体振动信号的主要特征表现为：1）以
9、齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制 频率的啮合频率调制。一般的齿形误差产生的调制边频带窄，以一阶转频调制为 主，且边频带的幅值较小。当齿形误差严重时，由于激振能量较大，激励起齿轮 固有频率，出现以齿轮各阶固有频率为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调 制频率的齿轮共振频率调制。2）振动能量（包括有效值和峭度指标）有一定程度的增大。3）包络能量（包括有效值和峭度指标）有一定程度的增大。4.2 齿轮均匀磨损齿轮均匀磨损时，主减速器箱体振动信号的主要特征表现为：1）齿轮啮合频率及其谐波的幅值明显增大，阶数越高，幅值增大的幅度越 大。2）振动能量（有效值）有较大幅度的增加。4
10、.3 轴不对中轴不对中时主减速器箱体振动信号的主要特征表现为：1）以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制，其中调制频率的 2 倍频成分幅值最大。2）齿轮啮合频率及其谐波幅值增大。3）振动能量（包括有效值和峭度指标）有一定程度的增大。4）包络能量（包括有效值和峭度指标）有一定程度的增大。4.4 共振共振是一种严重的故障形式，一般是由于受到主减速器以外的其他激励的影 响，激发了箱体的固有频率，形成共振。共振时的振动信号根据共振发生情况可 分为无调制现象和有调制现象两种。4.4.1 壳体共振壳体共振时振动信号的主要特征为：1）主减速器壳体某一阶固有频率成分占
11、主导地位，其它频率成分的幅值很 小。2）振动能量（有效值）有大幅度的增加。4.4.2 共振调制箱体共振调制时振动信号的主要特征为：1）以箱体固有频率、齿轮固有频率和齿轮啮合频率及其高次谐波为中心频 率，以弯曲轴的转频及其高次谐波为调制频率的调制边频带。2）齿轮啮合频率及其谐波幅值增大。3）振动能量（包括有效值和峭度指标）有大幅度的增加。4）包络能量（包括有效值和峭度指标）有大幅度的增加。4.5 断齿发生断齿时主减速器箱体振动信号的主要特征为：1）以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制 频率的啮合频率调制，调制边频带宽而高，解调谱出现所在轴的转频和多次高阶 谐波。2）以齿
12、轮各阶固有频率为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率 的齿轮共振频率调制，调制边频带宽而高，解调谱出现所在轴的转频和多次高阶 谐波。3）振动能量（包括有效值和峭度指标）有较大幅度的增加。4）包络能量（包括有效值和峭度指标）有较大幅度的增加。4.6 轴严重弯曲轴严重弯曲时主减速器箱体振动信号的主要特征为：1）以齿轮啮合频率及其谐波、齿轮固有频率、箱体固有频率为载波频率， 以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制，谱图上边频带数量较宽，解调谱 出现所在轴的转频和多次高阶谐波。2）如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对啮合频率调制。3）弯曲轴的多对齿轮的啮合频率及其高次谐波。4）振动能量（包
13、括有效值和峭度指标）有较大幅度的增加。5）包络能量（包括有效值和峭度指标）有大幅度的增加。4.7 轴有较严重的不平衡轴有较严重的不平衡时主减速器箱体振动信号的主要特征为：1）以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制 频率的啮合频率调制，调制边频带少而稀，解调谱一般只出现所在轴的转频。2）故障轴的转频成分有较大程度的增加。3）振动能量（包括有效值和峭度指标）有一定程度的增加。4）包络能量（包括有效值和峭度指标）有一定程度的增加。4.8 轴承疲劳剥落和点蚀滚动轴承内、外环及滚动体疲劳剥落和点蚀后，在其频谱的中高频区外环固 有频率附近出现明显的调制峰群，产生以外环固有频率为载波
14、频率，以轴承通过 频率为调制频率的固有频率调制现象。由于滚动轴承产生的振动与齿轮振动相比 能量较小，解调谱中调制频率幅值较小，一般只出现 1 阶。5 振动监测的内容、测试要求测量主减速器在工作状态下存在的振动，如：位移、速度、加速度、频率和 相位等。包括：了解被测对象的振动状态、评定等级；寻找振源；监测、分析、 诊断和预测。考察惯性力可能导致的破坏或故障时，宜作加速度测量；在考察振动环境 （振动烈度以振动速度的均方值来描述）时，宜作振动速度测量；要监测机件的 位置变化时，宜选用电涡流或电容传感器作位移的测量；选择时还需要注意能在 实际机器设备安装的可行性。在生产条件下，很难直接监测某一个齿轮的
15、故障信号，一般是在轴承、箱体 有关部位测量。在简易或精密诊断中，每次测点必须固定；传感器以愈接近被测 对象愈好，获得被测对象最短路径传递值，尽量避免结构部分所带来的影响。传 感器的感振方向，应该与待测方向一致，否则会造成测试误差；在测量小加速度 时，传感器更应该精确安装，使惯性质量运动的方向和待测振动方向重合。6 结论由于直升机传动系统主减速器自身结构复杂，传递路径较多，工作时其内部 齿轮、轴承、轴等零部件产生的振动信号频率复杂，所以主减速器故障诊断是一 项难度较大的工作。按照以往研制经验，直升机传动系统主减速器故障依托振动 信号监测及分析手段进行诊断分析的情况并不多见，并且国内直升机传动系统研 制人员在振动测试分析方面研究成果较少，技术水平相对薄弱。本文总结了主减速器常见故障的振动信号特征，可根据提取的主减速器故障 信号的特征，提出行之有效的诊断方法，为主减速器故障诊断提供了新思路新方 法。另外，主减速器常见故障的特征提取与分析，为进一步实现其故障自动诊断 和智能诊断提供了理论基础。参考文献1 丁康，李巍华，朱小勇齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术【M】北京:机械工业出版社,2005.2王新晴等.齿轮传动中几种典型故障的振动图谱分析【N】机械传动, 1995.
