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工程失效分析11（2004）177-190 早期軸承故障檢測和診斷直升機齒輪箱 R.B.蘭德爾 概念中的專業(yè)中心，在直升機的結(jié)構(gòu)和診斷 學(xué)校的機械及制造工程，澳大利亞新南威爾士大學(xué)，悉尼2052 2002年7月1日、2003年5月21日 在大多數(shù)機器上，軸承故障的振動簽名延伸到一個更高的頻率范圍比其他大多數(shù)組件，這使得分離。在直升機齒輪箱的情況下，是一個軸的范圍非常廣泛，頻率輸入和輸出，以及相關(guān)的齒輪嚙合頻率之間的覆蓋整個音頻頻率范圍。因而技術(shù)已被開發(fā)的齒輪信號分離軸承信號，根據(jù)他們的DI不同統(tǒng)計特性。其他技術(shù)已發(fā)展到獨立的齒輪和軸承ECTS即使他們而結(jié)合乘法比加法。技術(shù)說明，使用情況的歷史數(shù)據(jù)取自美國海軍，在3架直升機齒輪箱故障。2003年，愛思唯爾有限公司保留所有權(quán)利。 關(guān)鍵詞：軸承故障;損失評估;故障診斷;剝落;振動 1、介紹 直升機的安全運行是非常依賴避免災(zāi)難性故障的變速箱，從該飛機已基本暫停。許多工作已經(jīng)完成，使用振動分析檢測齒輪和診斷故障，但對軸承故障少，這也可能導(dǎo)致災(zāi)難性擊穿。在直升機齒輪箱軸承的故障檢測和診斷的一個主要問題是，他們的強烈振動信號所掩蓋齒輪信號覆蓋整個音頻頻率范圍超過20千赫。這是因為從燃氣渦輪機的輸入軸的速度通常是300和400赫茲之間，輸出軸轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子5赫茲的順序，許多齒輪嚙合階段之間。這是進一步復(fù)雜化，在行星傳動，必須從行星齒輪軸承的信號傳輸通過齒圈通過外部安裝加速度隨時間變化的路徑，以確保該齒輪信號的混合軸承信號無法避免。要解決這些問題，我們已開發(fā)的技術(shù)分開齒輪信號的軸承信號根據(jù)他們的DI不同的統(tǒng)計特性。最簡單的情況是信號的添加劑， E-mail地址：b.randall@ unws.edu.au（包蘭德爾）。 1350-6307元/ - 看到前面的問題＃2003愛思唯爾有限公司保留所有權(quán)利。 178包蘭德爾/工程失效分析11（2004）177-190 這種情況下，可以通過適當(dāng)?shù)倪^濾分離。與大多數(shù)變速箱，在軸承信號在很寬的頻率范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的，通常延長了上面的齒輪信號，從而可以通過高通過濾分離。直升機齒輪箱，齒輪頻率延長非常高的，前面已經(jīng)提到，一個DI不同的過濾，可用于基于一個事實，即齒輪信號是周期性的，因此只包含離散的頻率，而息的信號有一個CERTAIN隨機性的金額，解釋如下。在某些情況下，齒輪和互動軸承信號已被發(fā)現(xiàn)是乘法，在這種情況下，線性過濾可以不再被使用，在至少本身。在這種情況下，可使用的軸承信號可以作為藍本循環(huán)平穩(wěn)，使他們能夠從周期信號和隨機噪聲的分離。 為幅度解調(diào)得到他們的信號，將顯示循環(huán)平穩(wěn)信號定期，讓隱藏的頻率是不是從分析原始信號明顯的診斷。此外，重復(fù)他們的光譜，它可以揭示“譜相關(guān)模式”因此，評價一個特定的“循環(huán)頻率”的譜相關(guān)，揭示這是否隱藏頻率是目前頻率。如果真正的周期信號已被刪除，如齒輪，然后循環(huán)頻率可以循環(huán)平穩(wěn)信號只能來自這個循環(huán)的頻率，例如：軸承。解釋的基本概念后，闡述了軸承故障的三個例子經(jīng)歷了由美國海軍海鷹直升機。 2、齒輪和軸承的信號 2.1 齒輪信號 由于與損害，甚至對齒輪的牙齒總是出現(xiàn)相同的幾何輪廓，在同一濃度成形，齒輪振動信號是周期性的，雖然期間可能很長。在復(fù)雜的齒輪箱，可對應(yīng)所有齒輪時再有相同的配置，但它一直承認(rèn)該模式對應(yīng)一個特定的齒輪可以通過同步平均提取[1]。這是一個信號樣本，所有相應(yīng)的有關(guān)齒輪的旋轉(zhuǎn)過程平均起來，直到重復(fù)模式是蘇？充分加強與其他組件，隨機與其他周期性。根據(jù)定義，提取周期信號只包含在基本頻率的整數(shù)倍（諧波）的離散頻率成分。如果速度小幅波動，這可以補償由重采樣信號同步與轉(zhuǎn)速信號相位鎖定到問題的齒輪，這通常應(yīng)同步平均前完成。圖1[1]顯示過濾器的特點，從平均同步（在這種情況下，造成八平均值），它可以被看作是一個“梳狀濾波器”的同步傳輸?shù)闹C波 圖1、8平均數(shù)[1]的濾波特性 RB蘭德爾/工程失效分析11（2004）177-190 179 頻率，同時抑制其他頻率。每個濾波器的帶寬（相對諧波間距）的1 / N，其中N是平均數(shù)，所以在提高信號/噪聲比等于N注意：根據(jù)平均數(shù)的特性，有零點，所以與其他信號周期性可以完全去除的N[1]正確的選擇。 2.2 軸承信號 典型的軸承故障信號圖所示。 2。作為一個例子，外圈故障通常會在負(fù)荷區(qū)，并會通過每個滾動體的沖動。 “沖動激發(fā)一系列的脈沖響應(yīng)，其頻率內(nèi)容是由所有的共振頻率興奮為主，但其包含診斷信息的重復(fù)頻率。如下圖圖2，在內(nèi)圈故障或滾動元素的旋轉(zhuǎn)通過負(fù)荷區(qū)，等系列這種情況發(fā)生的頻率，調(diào)制響應(yīng)脈沖。為內(nèi)圈故障，這是軸的速度，但它的滾動體故障是籠速度或飛思卡爾技術(shù)論壇（基本列車班次）。 “外圈故障的重復(fù)頻率為BPFO（球傳球頻率，外圈），內(nèi)圈的故障BPFI（球傳球頻率，內(nèi)圈），和滾動元件故障是邊防軍（球旋轉(zhuǎn)頻率）。請注意，后者是在故障罷工同一種族，一般從引人注目的脈沖率內(nèi)圈和外圈是不相同的。 圖2也說明了獲得原始故障信號的振幅解調(diào)包絡(luò)信號，作為可以看出，這些都是由重復(fù)頻率（振幅調(diào)制）為主基本脈沖。將顯示出它的原始信號頻率分析不提供所需的診斷信息，而信封信號頻譜。這一過程被稱為“信封”分析“。 圖2 典型的信號，并從本地滾動軸承故障包絡(luò)信號 180包蘭德爾/工程失效分析11（2004）177-190 圖所示的原始信號頻率分析的原因沒有透露重復(fù)頻率。3。軸承故障頻率的計算公式不承擔(dān)任何閃失，但實際上必須幾乎總是會有些滑以下原因。有效的滾動球（直徑公式）DCOS，是從徑向平面的負(fù)載角。然而，角o隨每個軸承的滾動體的位置，作為當(dāng)?shù)貜较蜉S向載荷變化的比例，因此，每個滾動體有不同的有效滾動直徑試圖在DI不同速度滾動。確保所有滾動體的平均速度是相同的，造成了一些隨機滑，籠。這通常是1-2％的訂單。 雖然不多，但這種隨機的滑移，并給出一個信號的性質(zhì)的根本改變，??是之所以包絡(luò)分析提取診斷信息從頻率分析原始信號。它也允許他們往往從齒輪信號分離軸承信號喜憂參半。 圖3說明了頻譜和信封上的影響小的隨機頻率波動譜2，作為典型的由一個外圈故障。圖6（a）所示的高頻連發(fā)速度系列對應(yīng)的球傳中頻率沒有隨機波動。這是假設(shè)，只是一個共振 頻率最低，使圖中的重復(fù)頻率的諧波。 3（二）代表樣品的光譜脈沖（在加速方面表示）。低的值諧波顯然是非常小的，只有在共振頻率附近的重要， 他們的間距表示重復(fù)頻率。在圖的包絡(luò)譜。第3（c），頻率分析圖信號的振幅解調(diào)所得包絡(luò)信號。 3（一），具有較強的低諧波，因為它對應(yīng)的脈沖系列圖。 2。在小的隨機波動間距圖陣陣。第3（d）很難看出眼睛，但給人一種涂抹在圖的高次諧波。第3（e），所以沒有診斷信息可以從原始光譜中提取。然而，信封頻譜圖。第3（f）清楚地表明，平均脈沖頻率，即使高次諧波是一點點的抹黑。它顯示在號。 [2]，它是有利于頻率分析信封簽名平方米而不是信封本身，因為后者是獲得數(shù)學(xué)平方根操作，介紹在頻譜污染組件。 圖3 軸承故障脈沖沒有頻率波動與頻率波動（A，B，C）（D，E，F(xiàn)）0.75％的隨機 頻率波動。 RB蘭德爾/工程失效分析11（2004）177-190181 3 齒輪和軸承的信號分離 使用可制成軸承信號分開齒輪信號的隨機性質(zhì)的基礎(chǔ)上,在相關(guān)長度的差異。在參考文獻。 [2]，它描述了如何可以做到這一點使用SANC（自我自適應(yīng)噪聲抵消）。這是一個非洲人國民大會的進一步發(fā)展（自適應(yīng)噪聲抵消），這說明; 4。自適應(yīng)噪聲消除（ANC）是兩個信號成分的分離方法（主信號），其中有訪問另一個信號（參考）只包含一個兩組件。參考信號不必是相同的相關(guān)組件在主信號，只是它的連貫，使他們由相關(guān)的線性傳遞函數(shù)[2]。非洲人國民大會，其實可以適用于主信號包含兩個齒輪和軸承（故障）的組成部分[3]，情況一個錯誤的軸承，例如測量參考信號，同時包含只有一個齒輪信號，例如，衡量一個較偏遠的軸承。因此，它只能用于外部訪問的軸承上，而不是例如行星齒輪軸承。自適應(yīng)濾波器的調(diào)整系數(shù)的，以盡量減少電源錯誤的信號，小學(xué)和過濾參考輸入之間的區(qū)別。當(dāng)這兩個組件是統(tǒng)計獨立的，這將它們分開和錯誤信號成為軸承信號。 如上所述，SANC分開的兩個信號的基礎(chǔ)上，在其相關(guān)長度的差異。因此，參考信號是由一個主要信號，延遲，延遲時間比（隨機）軸承信號相關(guān)長度，但比（確定性）的齒輪信號的短。因此，它可以同時適用于行星齒輪軸承。由于利益的直升機變速箱信號，這里是固定的，有沒有需要不斷更新的過濾器，和的DRS（離散隨機分離）的一種新方法最近已提出[4]達到相同的結(jié)果SANC，但大大較少的計算量。它是基于計算電流和延遲的信號，這有單位振幅的齒輪信號的離散頻率，并抑制其他組件之間的線性傳遞函數(shù)以類似的方式，以圖梳狀濾波器。1。后者的主要區(qū)別是，所有離散的頻率將被過濾掉，沒有他們的要求是一個給定的基波頻率的諧波。確定性信號的部分可以從總量中減去獲得隨機的剩余。圖5說明了這種分離軸承有故障的強烈信號，由齒輪信號屏蔽的應(yīng)用。所產(chǎn)生的軸承信號包絡(luò)分析清楚地表明內(nèi)圈軸承故障信號。 3.1 循環(huán)平穩(wěn)信號 如上所述，承載信號的循環(huán)平穩(wěn)，特定類型的隨機包含隱藏周期性的信號，可以考慮。說是一個信號的二階循環(huán)平穩(wěn)時，其二維自相關(guān)函數(shù)RX（T）是周期性的，即使在T信號本身是沒有。自相關(guān)函數(shù)定義為： RxeT1/4t; Ext1/2eTt= 2×ETT=2 e1T 軸 圖5 （添加劑）使用DRS的齒輪和軸承的信號分離。（一）聯(lián)合信號（二）確定性的部分（齒輪信號）C）隨機部分（含信號） 因此： 方程（1）是類似的平穩(wěn)隨機函數(shù)的一般定義，除根據(jù)定義，有沒有t的變化，所以它作為一個功能時移T僅表示。此外，它是共同的，以取代由T信號只有一個，而不是關(guān)于時間t的對稱位移，但 功能與T變化時，最好是使用對稱位移，以更好地分配時間t的值。 為了提高自相關(guān)函數(shù)的周期性質(zhì)，它是共同開展一個二維傅立葉變換給所謂的“譜相關(guān)”，其中有一個軸的正常頻率f，從傅立葉轉(zhuǎn)換到T，和所謂的“循環(huán)頻率對其他軸”，傅立葉變換與t。這有離散值，相應(yīng)的在T周期。因此，譜相關(guān)的定義是： 關(guān)于t的第一個變換使每一個繼承人復(fù)雜的復(fù)合物的光譜成分的系列產(chǎn)品的時間t（因為自相關(guān)是一個信號的卷積與本身在時間逆轉(zhuǎn)）。因此，進一步傅立葉變換?結(jié)果在一個復(fù)雜的復(fù)合物的繼承人，這相應(yīng)的頻譜相關(guān)譜的卷積。因此，譜相關(guān)循環(huán)頻率對應(yīng)的頻譜相關(guān)，與自身的一個流離失所的版本，這可以用來計算給定值的譜相關(guān)。 圖圖6（a）所示為典型的譜相關(guān)軸承內(nèi)圈故障[5]。 f的500赫茲的范圍實際上代表樂隊[2800，3300]赫茲變焦分析提取?？梢钥闯?，在f是連續(xù)的，但離散號英寸譜相關(guān)。 [5]它顯示的積分 RB蘭德爾/工程失效分析11（2004）177-190 183 循環(huán)頻率α 循環(huán)頻率α 圖6 （一）為本地化的內(nèi)圈故障（B）的平方信封譜的譜相關(guān) 對所有f的譜相關(guān)，其實是給予相同的預(yù)期值的平方信號（即有效平方信封）的傅里葉變換的結(jié)果。這是復(fù)制圖。6（b）和包含所需的診斷信息。BPFI（120赫茲）的前兩個諧波可以看出，間距等于軸的速度（9.5赫茲）的邊帶包圍。也有后者的低諧波，這種模式是典型的內(nèi)圈故障，如上面所解釋。 軸承故障表現(xiàn)為高頻率的添加劑陣陣，包絡(luò)分析提供了一個很好的診斷，也沒有必要來計算譜相關(guān)。凡軸承故障表現(xiàn)為一個齒輪嚙合頻率調(diào)制，已經(jīng)歷場合，然后線性 過濾不能使用它自己分開的兩個組成部分。然而，它仍然是有可能使軸承的信號分開齒輪相關(guān)的組件，如以下解釋（二階）循環(huán)平穩(wěn)性質(zhì)使用。 周期信號實際上是循環(huán)平穩(wěn)，所謂的“一階循環(huán)平穩(wěn)”，作為自己的自相關(guān)函數(shù)是關(guān)于t的周期。然而，他們還定期與t，使譜相關(guān)包含在反對二階循環(huán)平穩(wěn)信號的連續(xù)線的兩個方向上（釘子“床”），如圖所示的離散峰。 6（一）。例如，如果內(nèi)圈有一個擴展的剝落，這將給予不同的懸浮軸承齒輪的支持，因此其嚙合頻率調(diào)制。然而，調(diào)制信號是不（完全）定期，但循環(huán)平穩(wěn)，如圖所示。 7，由于滾動體是一個DI每個齒輪[6]革命剝落表面粗糙erent部分。 圖所示的調(diào)制信號。 7有一個疊加的二階循環(huán)平穩(wěn)分量調(diào)幅寬帶噪聲的外觀確定性成分（當(dāng)?shù)氐钠骄担?。將一個齒輪嚙合這樣一個信號調(diào)制信號的譜相關(guān)約圖所示。 8，具有相應(yīng)的確定性部分的離散峰，相應(yīng)的各有關(guān)循環(huán)頻率的隨機部分的線。作為插圖，后者將有效地圍繞載波頻率的諧波間隔的時間間隔對應(yīng)的基本調(diào)制頻率（齒輪的轉(zhuǎn)速。（即牙齒嚙合頻率），如果信號受到的DRS，這將消除單邊帶頻率確定性成分與任何齒輪故障的到來，留下唯一的二階循環(huán)平穩(wěn)有關(guān)的軸承故障的線路。 184 包蘭德爾/工程失效分析11（2004）177-190 圖7 調(diào)制信號為內(nèi)圈剝落 圖8 譜相關(guān)圖從一個擴展內(nèi)圈剝落 4 歷史案例 上面所討論的各種手續(xù)，說明使用從美國海軍獲得海鷹直升機變速箱故障軸承的信號。這些故障往往是由在該領(lǐng)域的芯片探測器檢測，變速箱，從服務(wù)中刪除，并安裝在試驗臺，在那里他們可以在典型負(fù)載和速度經(jīng)營。 4.1 滾動體故障 滾動體故障說明圖。 9。振動信號比較不能和無故障同變速箱，但他們可以在良好的條件相同的齒輪箱。變速箱有兩種氣體從左舷和右舷兩側(cè)對稱輸入（從兩個燃氣渦輪機 RB蘭德爾/工程失效分析11（2004）177-190185 圖9 輸入齒輪（大底）支撐軸承滾動元件故障。 ），這些給了信號的重復(fù)性的措施。圖10顯示了從右舷變速箱故障（故障的開發(fā)方）的體外循環(huán)比較（恒定比例帶寬）相比，沒有譜。在底部顯示頻譜的兩例分貝之間的差異。 DI雙方之間的最顯著的標(biāo)記區(qū)域“由于軸承故障”，范圍在10-20千赫的頻譜增加至7分貝。在此頻段的解調(diào)信號，包絡(luò)譜如圖。 11被發(fā)現(xiàn)。這是一個經(jīng)典的包絡(luò)譜，為滾動體故障，因為它有籠速度與間距相等的邊帶包圍BSF的諧波（由諧波光標(biāo)表示）。 BSF的二次諧波比第一強，表明興奮醒目的內(nèi)圈和外圈的脈沖這種情況下，，SANC不需要分開齒輪屏蔽軸承故障信號的。 4.2 行星軸承滾動元件故障 分析的情況下圖所示。 12.In這種情況下，有沒有在測量外部頻譜水平的顯著變化，所以一些試驗和錯誤找到一個頻率范圍內(nèi)解調(diào)故障指示。有人企圖使用SANC除去相當(dāng)大的齒輪信號的屏蔽，但是這并沒有任何改善，大概是因為速度波動過程中測量。通常情況下，它將有可能使用上述的訂單跟蹤，以消除速度變化的影響，但不幸的是在這種情況下，沒有轉(zhuǎn)速信號。 盡管未能消除齒輪組件，包絡(luò)分析能夠顯示滾動元件故障的典型模式，如圖所示。 13日描繪周圍BSF的二次諧波放大的光譜。注意雙不同頻率尺度。在每一種情況下，該中心光標(biāo)上2BSF，帶光標(biāo)間距設(shè)置籠速度（相對內(nèi)圈）。它與地球的軸承是內(nèi)圈，固定載荷方向，在正常情況下，外圈是固定的。圖13（一）沒有SANC，而圖分析。 13（二）后SANC應(yīng)用。如上所述，這給沒有改善。圖13 BSF的二次諧波，但周圍的一次諧波的放大譜了非常類似的圖片。 圖14顯示了另一個星球軸承故障的情況下（從海王直升機[7]），SANC 穩(wěn)定，能夠消除掩蔽E？揭示內(nèi)，外圈故障齒輪振動ECTS速度。上包絡(luò)譜，得到了許多模擬信封設(shè)備的典型的技術(shù)，使用的包圍，只是高通過濾（1 kHz時） 186包蘭德爾/工程失效分析11（2004）177-190 圖10 在輸入小齒輪軸承的滾動體故障和無譜的比較。在底部的差譜。 圖11。滾動體故障包絡(luò)譜（BSF的光標(biāo)）。 RB蘭德爾/工程失效分析11（2004）177-190187 圖13 沒有元件故障（一）（二）SANC由于軸承故障SANC信封光譜放大行星齒輪滾動。 執(zhí)行。帶通范圍在16-19千赫（其中最大的光譜變化發(fā)生故障）的過濾并顯示BPFO和BPFI組件，但仍受到齒輪組件掩蓋。 4.3 內(nèi)圈故障 如圖遇到內(nèi)圈故障。 15。它是為支持輸入齒輪（參見圖9）小端軸承。它檢測到很晚，因為芯片被被困在附近的軸承油壩，并沒有過去的芯片檢測器的循環(huán)。因此，通過檢測故障時，剝落了延長比賽幾乎一半左右，并已成為相對平穩(wěn)。 圖16 CPB譜的比較了這種情況下，類似的圖。 10?？梢钥闯觯F(xiàn)在的分歧是在較低的頻率，gearmesh頻率附近的諧波，表明頻譜的變化，主要是由于調(diào)制，而不是添加劑的沖動。包絡(luò)分析在BPFI沒有透露任何部件，只是一個小齒輪的轉(zhuǎn)速大量增加的事實證實了這一點。這是很可能BPFI已檢測出的小坑時會興奮銳利的影響故障的早期階段，但由于穿的平滑減少了此電子郵件等。 這是一個技術(shù)，在3.1節(jié)所述的情況（圖7和8）被發(fā)現(xiàn)是有用的，因為它允許從齒輪故障區(qū)分具有相同的頻率（齒輪轉(zhuǎn)速軸承故障） 。圖17顯示了譜相關(guān)計算等于軸的速度和無故障。譜相關(guān)的計算之前，所有的離散頻率分量（可能有齒輪）被拆除使用DRS程序。 ITIS看到故障，給出了一個大的增加，很寬的頻率范圍內(nèi)超過20分貝，這只能來自軸轉(zhuǎn)速二階循環(huán)平穩(wěn)信號，這無形中必須是軸承內(nèi)圈故障。 188包蘭德爾/工程失效分析11（2004）177-190 圖14。齒輪的應(yīng)用SANC SANC在海王直升機（一）無行星軸承故障;（二）隨著SANC，齒輪轉(zhuǎn)動為主éECTS拆除，露出內(nèi)圈和外圈軸承頻率。 圖15。輸入齒輪小端軸承內(nèi)圈剝落。 后來上的齒輪與軸承的故障試驗臺測量結(jié)果表明類似的圖片，本地化和擴展內(nèi)圈故障，在譜相關(guān)軸的速度大幅增加。對于本地化的故障，差異主要是在高頻率，故障同樣可以使用包絡(luò)分析進行診斷，但擴展故障的區(qū)別是在較低的頻率，是很難被分辨包絡(luò)分析。 RB蘭德爾/工程失效分析11（2004）177-190189 圖16。在輸入小齒輪軸承內(nèi)圈故障和無譜的比較。在底部的差譜。 圖17。α=Ω計算，延長內(nèi)圈故障和無譜相關(guān)。 5．結(jié)論 直升機齒輪箱軸承診斷提供了一個特別DI？邪教組織的情況，因為軸承故障信號在很寬的頻率范圍內(nèi)的齒輪信號的屏蔽。出于這個原因，技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到分開的齒輪和軸承信號，根據(jù)各自不同的統(tǒng)計特性，這有利于診斷。使用情況從美國海軍獲得的歷史數(shù)據(jù)，從3架直升機齒輪箱故障，以及一個從澳大利亞海軍的技術(shù)說明。 190包蘭德爾/工程失效分析11（2004）177-190 致謝 信號提供了由美國海軍空戰(zhàn)中心飛機分部（NAWCAD），這項研究是由概念中的支持，通過專業(yè)計劃的中心。 參考文獻 [1]麥克法登的PD。一個周期性波形時域平均提取訂正模型。機械系統(tǒng)與信號 處理1987;1（1）:83-95。 [2]何研發(fā)，：蘭德爾預(yù)算。軸承診斷技術(shù)使用模擬和實際軸承故障信號的優(yōu)化。機械 系統(tǒng)和信號處理200014（5）:763-88。 [3] CHATURVEDI，托馬斯DW.齒輪故障檢測，使用1982的ASME自適應(yīng)降低噪聲;104:280-9。 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