第3章 齿轮减速机振动信号拾取方法的研究
3.1 传感器类型的选择
由于齿轮减速机是由齿轮、传动轴和轴承等传动部件及箱体、箱盖等支撑部件组成，传动部件在发生故障时，故障振动频率可覆盖几Hz至数kHz的范围。因此，齿轮减速箱的振动信号不能采用位移和速度传感器来拾取，而只能用加速度传感器来拾取。通常加速度传感器一般采用电荷输出型的压电加速度计，这种加速度计体积小、重量轻、价格便宜。但由于它要和电荷放大器配合使用，因而在传感器与阻抗变换放大器之间就有一段高阻抗信号输送的联接，故降低了系统的低频性能、分辨率、抗干扰能力和稳定性等方面水平。为了改变这种现象，便发展了集成形式的压电传感器-即ICP加速度计，它将阻抗变换放大器封装在传感器的刚性壳体内。
由于齿轮减速机箱体结构的限制，加速度传感器不能安装在箱体的轴承座处，故拾得的振动信号不能很理想反映箱体内的传动元件的振动信号。本章尝试用套在滚动轴承外圈上的套圈应力环来拾取箱体内的传动元件的振动信号。
3.2 ICP加速度传感器在齿轮减速机振动信号拾取中的应用
典型的集成压电式（ICP）加速度计是在传统的压电加速度计基础上耦合一个以场效应管为核心的内装放大器电路所构成。电路原理如图3-1所示。
ICP加速度计除了能带来使用方便操作简化的优越性外，较传统的压电加速度计还具有如下一系列的优点：
1 低输出阻抗（《100Ω）。允许使用超长电缆通过恶劣的环境传输信号；
2 固定的电压灵敏度，与电缆的长度和电容量无关；
3 作为二线系统，能适应标准的低价格同轴电缆或通用的双导线电缆；
4 低阻抗的电压输出（±5V)，与标准的数据采集系统完全兼容；
5 多通道使用时成本更低，只需配置低成本的恒流电压源：
6 固有的自测试特点，可通过恒流电压源提供的偏置电压监控传感器的工作正常与否；
7 大大减少了对测试系统的维护要求。
根据上海北智公司推荐，ICP加速度计频响范围的上限频率fmax（Hz）即最高允许频率由以下公式确定：
fmax=（IC-1）×109/2πC×V （3-1）
式中：IC（mA）——恒电流；C（pf）——电缆电容；V（V）——最大信号电压
根据丹麦B＆K公司推荐，ICP加速度计与供电电源之间最远导线距离（m）：
3.3 加速度传感器安装位置的确定
为了测得齿轮减速机箱体内传动零部件的故障振动信号，加速度传感器应安装在靠近箱体轴承座处的垂直方向上。但在现场安装加速度传感器往往要受齿轮减速机箱体结构的限制，加速度传感器在箱体的轴承座附近没有合适的位置，有对安装在离轴承座较远处；此外为了节省成本，要求以最少的传感器获得必要的信息，一台齿轮减速机只能放两到三个传感器。为此可用测试分析仪器通过振动模态等试验对齿轮减速机可能的加速度传感器安装位置进行反复对照比较，既要考虑传感器安装位置能确保齿轮减速机内传动件故障信号的正确处理拾取、振动较强烈，又要考虑该位置刚度相对要大。
采用加速度计监测齿轮减速机这种方法的优点是传感器安装方便，缺点是有时由于箱体结构的限制，传感器不能安装在箱体轴承座附近，且这时候加速度计拾取的振动信号不能全面地反映齿轮传动装置内部轴系部件的损伤情况，另外加速度计的频响范围只能从几Hz至十千Hz，低频响应不是太好，此外，价钱也较贵。
3.4 轴承套圈应力环在齿轮减速机振动信号拾取中的应用
本节采用在轴承外圈套圈上拾取应变信号的方法对二级齿轮传动装置箱体所受的动态激励力进行了测试和分析，在此基础上对齿轮传动装置的轴系部件故障进行了诊断。
装有齿轮、轴和轴承的轴系是齿轮传动装置的关键部件。在齿轮传动装置的工作过程中，箱体与其内部的轴系部件构成一个振动耦合体系，见图3-4。轴系部件的振动通过轴承激发箱体振动，这样在轴承外圈上安装套圈并粘贴应变片，拾取套圈上的应变信号，也就是对齿轮传动装置箱体所受的动态激励力信号进行测试和分析，就可对齿轮传动装置内的轴系部件进行故障诊断。这种振动测试故障诊断的方法优点是能直接拾取齿轮传动装置内的轴系部件的振动故障信号，频响范围宽，费用低。缺点是需专门制做套圈。
3.4.1 测试原理和方法
由齿轮、轴和轴承构成的轴系部件可近似看作是一个线性时变系统，它的振动微分方程组为：
M
＋C(t）
＋K(t)q=R(t) （3-3）
式中：M、C(t）、K(t)分别是轴系部件的质量、阻尼和刚度矩阵，R(t)是外载荷矢量；、和q分别是轴系部件有限元集合体的振动广义加速度、速度和位移矢量。
用轴系部件轴的静态变形场模拟轴系部件传动轴弯曲振动振形，可得到轴系部件两端给箱体的动态激励力：
Px=A U， Py=B V （3-4）
式中：Px、Py分别是轴系部件两端给箱体的X方向和Y方向的动态激励力；A、B分别是轴系部件X方向和Y方向的等效刚度矩阵U、V分别是轴系部件上各点的X方向和Y方向的振动位移矢量。从（3-3）、（3-4）式可看出，轴系部件两端给箱体的动态激励力是和轴系部件的质量、阻尼、刚度矩阵以及外载荷矩阵R(t)有关，而外载荷矩阵R（t）是和齿轮的啮合冲击、外载荷变化、齿轮轴承加工误差、齿轮轴承点蚀磨损、齿轮轴承刚度变化等等因素有关。因此在在轴承外圈上安装套圈并粘贴应变片，拾取套圈上的应变信号，也就是直接拾取了齿轮传动装置内的轴系部件的振动故障信号，对该信号进行分析，就可对齿轮传动装置内的轴系部件的故障作出正确的诊断。
图3-5是被测试的齿轮传动装置传动系统简图，图3-6是测试该齿轮传动装置箱体动态激励力应变信号的系统示意图。零件8为装在轴承外圈上的套圈。套圈把轴系施加给轴承的载荷分成水平方向和垂直方向再传给箱体。如图3-6所示，在套圈的水平和垂直方向分别贴上两片电阻应变片，并分别组成各自的全电桥电路。当轴系产生振动时，轴承对箱体的作用力也随之发生变化，也使贴在套圈上的应变片的电阻值产生变化，而电阻的变化则通过动态电阻应变仪输出电压信号，并经磁带记录仪将此电压信号记录下来。若将所得的信号在动态数字分析仪上进行时域和频域分析，再经过比较，就可对齿轮传动装置内的轴系部件的故障作出较为正确的诊断。
图3-5、3-6中：1-摩擦加载装置；2-412滚动轴承：3-206滚动轴承；4-直流电动机；5-称重传感器：6-406滚动轴承；7-联轴节；8-套圈
3.4.2 测试设备和参数
(1)JZQ-250型二级圆柱斜齿轮减速机一台；(2）直流调速电机一台；(3)8通道动态电阻应变仪一台；(4)5OOkg称重传感器一个；(5)TEAC MR-30磁带记录仪一台；(6)B&K8200闪光测速仪一台；(7)HP3562动态数字分析仪一台。(8）有偏心质量的弹性联轴节一个。
表1 减速机齿轮几何参数
几何参数
齿轮代号 |
模数（mm） |
齿数 |
变位系数 |
齿宽（mm） |
螺旋角 |
精度等级 |
| 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：电机转速：n=93lrpm；二级圆柱斜齿轮减速机内所有滚动轴承的精度为E级。
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